专利名称：高速动态偏心率检测设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用在换向器电动机中的一个换向器的动态圆度的测量，特别是，涉及用于检测换向器以评价所装配的换向器的质量的设备和方法。
衡量一个用在例如真空吸尘器中的换向器电动机的寿命的因素之一是换向器的可靠性。如果在换向器电动机的高速旋转中换向器遇到例如一个或一些换向片的径向寿命和/或换向器的偏心率上的麻烦，在与换向器滑动接触中所夹持的一个或两个电刷将在一段微小的距离上瞬时脱离其同换向片的接触，该距离对应于换向器从其设计圆度的变形，随着火花放电的产生，最终加速了换向器寿命的减少。因此，希望做到，在换向器电动机的高速旋转中，换向器在其整个设计寿命中能够保持刚性稳定性和设计圆度，为了该原因，装配后的换向器必须被适当地检测或评价。
到目前为止，一种所谓的偏心率检测方法作为检测换向器的各种方法之一已经公知了，用以评价装配后的换向器的质量。下面将参照图4和5描述该公知的偏心率检测的细节，该图4和5分别表示一个旋转检测设备和一个圆度测量设备，其两者都需要完成现有的偏心率检测方法。
如图4所示的那样，一个被检测的的换向器11通过一个螺母10安装并紧固到一个端颈轴9上以同其一起旋转。端颈轴9通过一个可释放卡盘5而在旋转中同一个主轴4联结。该主轴4由多个例如两个轴承3旋转支撑，并通过一个环形驱动皮带同一个驱动电动机1驱动联结，该环形驱动皮带绕在增速皮带轮2上并联结在驱动电动机1和增速皮带轮2之间。在该检测机器中，所要检测的换向器11根据检测条件被以10,000至50,000rpm范围内的速度下绕主轴4驱动。
为了模拟换向器的实际运行条件，其中换向器受到热应力的作用，则通过一个装有加热器的风扇6把热空气供给包围端颈轴9上的换向器11的一个模拟腔体7中，以使所要检测的换向器11能够接受可以与在实际旋转中作用在换向器的可比较大小的热应力。一个温度计8持续地监测其温度以把模拟腔体7内部的温度保持在200至300℃的范围内。
在该条件下通过使用图4所示的的旋转检测机器而检测所要检测的换向器11一段预定长度的时间，然后从该旋转检测机器中取下这样检测了的换向器11并在冷却到室温之后装到图5所示的的圆度测量机器中。
从旋转检测机器中取下的换向器11被安装在圆度测量设备的一个检测器轴22上，该圆度测量设备被置于V形基座21之间并由其支撑，该圆度测量设备通过一个主动轮24被一个驱动电动机23驱动而以低速旋转。在检测期间，一个电测微计25位于换向器11附近，具有一个被夹持在同换向片滑动接触中的测量探头，以使在换向器11的旋转期间，能够由电测微计25的测量探头测量换向器11偏离设计圆度的变形和/或偏心率。由于例如换向器的偏心率和/或一个或多个换向片的径向寿命，代表从设计圆度的偏差的从电测微计25所输出的检测信号在由放大器26进行放大之后被一个记录器27进行记录和/或显示。
在上面描述的现有偏心率检测方法的实践中，旋转检测和圆度测量是要分别完成的不同工作，因而，经过旋转检测的换向器11必须取下而接着允许停车以测量剩余变形。因此，不能评价换向器在高速旋转中的状况。而且，由于当由增速皮带轮2以高于驱动电动机1的速度驱动主轴4时在主轴4上所引起的振动以及由主轴4上的轴承3所带来的振动都被传递到该所要检测的换向器11上，因而，同主轴4一起旋转的换向器11受到振动。在这些情况下，没有适当的初始测量条件是有效的，因而，不但难于评价机械强度，而且难于完成以高速驱动的换向器的动态变形和/或偏心率的测量。
由于上述理由，无法探明所要检测的换向器的状况，从而限制了为提高可靠性而对换向器设计进行的改进。在热应力被加到所要检测的换向器上的现有的系统中，由风扇6所提供的热空气趋向于被由换向器11的高速旋转所引起的风阻损失所搅动，而难于把温度保持在预定值上。另外，需要复杂和费时的检测过程。
因此，为了解决上述问题，本发明提供一种检测设备和一种检测方法，用于能够高精度地检测以高速驱动的圆筒形检测件的动态圆度。
为此，本发明提供一种高速动态偏心率检测设备，包括一个以高速旋转并具有输出轴的驱动源；一个同该驱动源的输出轴同轴线联结的主轴；一个用于以非接触方式旋转支撑该主轴的非接触轴承；一个设在该主轴一侧上的检测件承载轴，该检测件承载轴远离用于支撑安装在其上的圆筒形检测件的驱动源；和一个用于测量圆筒形检测件的位移的非接触位移检测器。在该结构中，由于驱动源和圆筒形检测件被整体安装在主轴上，在检测件被装在该旋转检测设备上期间，可以从初始测量对旋转和圆度检测以及后续测量进行一系列的检测，因而，可以避免任何可能由检测轴和/或卡盘所引起的测量误差。而且，通过非接触轴承系统对该主轴的支撑可以有效地消除由轴承等所引起的振动成分，而可以在超低振动下进行所要完成的高速驱动，以便于以高精度测量换向器在高速旋转中的动态机械变形和振荡。
最好，使用一个非接触位移检测器来测量主轴的位移。在此情况下，通过从检测件的位移量中减去在主轴的高速旋转中的位移量，就能以高精度测量该检测件的动态变形和振荡。
最好，该非接触轴承可以是空气轴承或磁性轴承。使用空气轴承或磁性轴承可以有效地消除由轴承等所引起的振动成分，而可以在超低振动下进行所要完成的高速驱动，以便于以高精度测量换向器在高速旋转中的动态机械变形和振动。
当非接触位移检测器是一种能够检测一个传感器和检测件之间静电电容上的变化以测量其位移的类型时，由于以非接触方式进行测量而能够获得许多优点，能够在高速旋转中测量圆筒形检测件的动态变形和/或振荡。
另外，如果使用激光多普勒(Doppler)位移计作为非接触位移检测器，由于以非接触方式进行测量而能够获得许多优点，能够在高速旋转中测量圆筒形检测件的动态变形和/或振荡。
上述圆筒形检测件可以是一个换向器，该换向器包括许多换向片，该换向片由从由铜或铜合金组成的组中选择出的材料制成，所述换向片圆筒形排列。
本发明还提供一种高速动态偏心率检测方法，该方法使用一种上述高速动态偏心率检测设备来执行。该方法包括下列步骤使圆筒形检测件以高速旋转，从一个红外线辐射装置辐射加热波以在圆筒形检测件以高速旋转中施加一个热应力，与此同时，通过非接触位移检测器测量圆筒形检测件的半径位移。
根据该方法，当预定温度的热应力被施加到圆筒形检测件上时，就能消除任何可能由以高速旋转的圆筒形检测件的风阻损失所引起的温度上的变化，而且可以由所施加的电压来控制热量。因而，就能在稳定的预设温度下以高精度进行高速动态偏心率检测。
本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中
图1是用于检测在换向器电动机中所使用的换向器以评价装配后的质量的设备的侧截面图；图2A是表示当换向器被以低速驱动时来自一个所给定的圆度传感器的输出信号的波形；图2B是表示当换向器被以高速驱动时来自该所给定的圆度传感器的输出信号的波形；图2C是表示当被以高速驱动的换向器的转速降低到低速时来自该所给定的圆度传感器的输出信号的波形；图3是表示热应力被加到所要检测的换向器上的方法的示意图；图4和5分别是表示现有的旋转检测设备和现有的圆度测量设备的示意图，都需要完成现有的偏心率检测方法。
首先参见图1，其中所示的圆度测量设备包括一个可变速驱动电动机31和一个空气轴承组件34，该可变速驱动电动机31例如是一个具有转子32的变换器控制电动机并能够工作以调节所要检测的换向器的转速，空气轴承组件34包括一个气垫轴35，在圆度测量设备工作期间，从一个压缩空气源36提供空气以便于在空气轴承组件34内包围气垫轴35的部分，由该的圆筒形气膜旋转支撑气垫轴35。可变速驱动电动机31的转子32安装在气垫轴35的左端以便于同其一起旋转，以使当可变速驱动电动机31通电时，能够绕其纵轴以一个方向驱动气垫轴35。
气垫轴35的右端从空气轴承组件34向外伸出，而形成为一个端颈轴37，该端颈轴37被用于在其上支撑所要检测的换向器11。所要检测的换向器11被安装在端颈轴37上并通过一个紧固螺母38紧固在其上，以便于这样安装的换向器11能够同气垫轴35一起旋转。虽然端颈轴37被表示为气垫轴35的一个整体部分，但是其也可以是与其分离的一个部件，同气垫轴35直接同轴联结。
圆度测量设备还包括一个刀具支架41、在其上承载一个刀具40，用于以靠近或离开安装在端颈轴37上的换向器11的方向滑动；一个非接触位移传感器42，设在气垫轴35的右端附近，用于在气垫轴35旋转期间检测气垫轴35的固有振荡；和一个非接触位移传感器43，设在端颈轴37上的换向器11附近，用于检测换向器11相对于气垫轴35的纵轴线的偏心率。
每个非接触位移传感器42和43可以是一种能够根据该传感器和该检测件即换向器11之间的静电电容上的变化来检测对应参数的类型，或者是以激光Dopper位移计的形式。从非接触位移传感器42和43所输出的各自的检测信号在被相应的放大器46和47放大之后提供给一个数据处理装置48。该数据处理装置48用于从换向器11相对于旋转的轴线的径向位移的量减去气垫轴35相对于旋转的轴线的位移的量，然后给一个记录器49输出一个代表仅换向器11相对于旋转的轴线的径向位移的量的信号。
当本发明的圆度测量设备构成为上述那样时，以下述方式来进行检测在可变速驱动电动机31被通电之前，所要检测的换向器11必须被安装在与其一起旋转的端颈轴37上。可变速驱动电动机31被通电而以一个预定速度绕其纵轴驱动气垫轴35，换向器11的外周表面被刀具40磨削以除去换向器11的外周表面上的初始变形。接着，当换向器11与气垫轴35一起以一定的预定速度旋转时，由非接触位移传感器42和43分别检测换向器11的初始变形和气垫轴35的振荡，来自非接触位移传感器42和43的各自的输出在被对应的放大器46和47放大之后提供给放大器46，由其来从换向器11的径向位移量减去气垫轴35的径向位移量，以给出换向器11的圆度的初始值。
接着，由一个变换器33给该可变速驱动电动机31通以预定时间长度的电，以根据检测条件来以从10,000至50,000rpm的范围选择出的高速来旋转。当气垫轴35以及换向器以该高速旋转时，再次分别由非接触位移传感器42和43来检测换向器11的变形和气垫轴35的振荡，来自非接触位移传感器42和43的各自的输出在被对应的放大器46和47放大之后提供给放大器46，由其来从高速旋转期间换向器11产生的径向位移量减去高速旋转期间气垫轴35产生的径向位移量，以给出高速旋转期间的换向器11的圆度的一个值。由此，就能参照以低速旋转的换向器11的初始径向位移和以高速旋转的换向器11的径向位移来检查高速旋转期间换向器的状况。
考虑到在本发明中可变速驱动电动机31和换向器11同气垫轴35成为一个整体，所要检测的换向器就不会受到带有例如现有技术中的卡盘的换向器的不对准和/或轴的摆动的不良影响，而能够在最小振荡下以高速驱动。另外，由于可变速驱动电动机31与气垫轴35为一个整体，即，可变速驱动电动机31使用气垫轴35的一端作为其驱动轴，就可以节省例如在现有的设备中用于轴的支撑所使用的多个轴承。
使用其中气垫轴35可以由从压缩空气源所提供的圆筒形气膜可旋转地支撑的空气轴承组件特别具有优点，能够避免使轴35受到使用滚珠轴承时所产生的振动，而使其能够在高速旋转下完成极其稳定的测量。另外，由于除去了初始变形和当换向器11安装在是轴35的一个整体部分的端颈轴37上时连续执行的换向器的一系列旋转检测和测量，就能优越地抑制现有技术中当安装在检测轴和卡盘上时所产生的振动因素和在测量中所产生的误差，因而，可以实现非常稳定的测量。使用非接触位移传感器42具有下列优点通过在高速旋转中检测轴35的固有振荡并从检测的换向器11的位移量减去该固有振荡，可以精确地测量换向器11的状况而不受外部因素的干扰。
图2A表示在换向器在5,000rpm的低速下受到旋转检测的初始条件下径向位移量的测量波形。图2B表示在换向器在40,000rpm的高速下受到旋转检测的条件下径向位移量的测量波形。图2C表示当换向器的转速降到5,000rpm的初始条件下时所呈现的径向位移量的测量波形。在这些图中，在波形中的单个尖峰代表存在一个换向片。
如图2A所示的那样，当初始条件下换向器11的径向位移量处于标准值的水平上时，当换向器被以高速驱动时在离心力等的影响下而具有其径向伸出的外周而，则径向位移量因而按图2B所示的那样增加。考虑到换向片通过在每个相邻换向片之间所提供的空间而圆周地排列，换向器11的高速旋转引起换向片以变化距离径向向外移动，象从图2B中的不规则的峰值所看到的那样。但是，如图2C所示的那样，当换向器11的转速降到5,000rpm的初始速度时，检测的位移返回到在图2A所示的初始条件下的值上。
这样，图2A至2C的曲线使换向器的例如径向扩张、振荡的动态状态以及换向器11的高速旋转中换向片中是否存在台阶，而能够精确地测量以前难于测量的上述动态状态。
应当注意到，虽然上述描述是针对使用空气轴承组件的。但是，当使用例如磁性轴承等其他非接触轴承系统时也能获得相似的效果。当使用磁性轴承时，就不需要压缩空气源。
当需要模拟换向器的实际运转条件时，热应力被以下面参照图3所述的方式被加到所要检测的换向器11上。如图3所示的那样，施加热应力的热源包括卤素灯52，由一个电源53来控制从卤素灯52所发出的热量。在此情况下，由一个遮热板51来保护非接触位移传感器43。使用一个红外线温度计54来测量被照射的换向器11部分的温度。由红外线温度计54这样测量的温度由温度指示器55进行显示。
当在现有技术中使用热空气来给所要检测的换向器施加热应力时，预置温度就会受到由换向器的高速旋转所带来的风阻损失的作用的影响。与此相反，使用提供光能的卤素灯52而进行的热辐射能够有效地把换向器11保持在预置温度下而不会受到风阻损失的影响。考虑到可以通过电源53来细微地调节从卤素灯52发射出的热量，就能立刻把所要检测的换向器11的温度升高到预设值上，并且，一旦升高到预设值，能够进行稳定的温度控制。
而且，由于能够仅对所要检测的换向器11进行加热，既不需要使用一个腔体，也不需要升高该腔体内部的温度，通过减少置于预置温度所需要的时间的长度而实现节能。但是，在现有技术中，通过一个例如热电偶这样的温度计以检测腔体内部的温度来测定所要检测的换向器的温度，而本发明使用红外线温度计54来以非接触基础上在高速旋转下直接检测所要检测的换向器11的温度。因此，不但能够更精确地检测温度，而且能够容易地实现在自动控制系统中的的温度控制，而能够给所要检测的换向器施加更高稳定性的热应力。
根据本发明的上述说明，就能够明白本发明的高速动态圆度测量设备和高速动态圆度测量方法具有许多优点。特别是，由于用于调节例如换向器的圆筒形检测件的转速的可变速度驱动电动机和检测件同轴为一个整体，可以在换向器装在旋转检测设备上的状态下来进行从初始测量到旋转和圆度检测以及后测量的一系列检测，因而，可以避免任何可能的测量误差。而且，通过非接触轴承系统来支撑其轴就能有效地消除由滚珠轴承等所引起的振动成分，而能够在超低振动下允许执行高速驱动，以能够以高精度测量高速旋转中的换向器的动态机械变形和振荡。
通过使用测量在轴的高速旋转中的位移量并从换向器的位移量中减去其的设计，就能以高精度测量换向器的动态机械变形和振荡。而且，通过使用把从红外线辐射装置所发射热波施加给换向器的系统，就能抑制由风阻损失所引起的任何加热温度中的变化，用所施加电压来细微地控制热量就能在预置温度下执行高速偏心率检测。
虽然本发明的优选实施例已经进行了表示和说明，但是，应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神的条件下进行各种变化和变型，本发明的保护范围由权利要求书所限定。
权利要求
1.一种高速动态偏心率检测设备，其特征在于，包括一个以高速旋转并具有输出轴的驱动源；一个同该驱动源的输出轴同轴线联结的主轴；一个用于以非接触方式旋转支撑该主轴的非接触轴承；一个设在该主轴一侧上的检测件承载轴，该检测件承载轴远离用于支撑安装在其上的圆筒形检测件的驱动源；和一个用于测量圆筒形检测件的位移的非接触位移检测器。
2.根据权利要求1所述的高速动态偏心率检测设备，其特征在于，进一步包括一个非接触位移检测器，用于测量主轴的位移。
3.根据权利要求1或2所述的高速动态偏心率检测设备，其特征在于，所述非接触轴承是空气轴承。
4.根据权利要求1或2所述的高速动态偏心率检测设备，其特征在于，所述非接触轴承是磁性轴承。
5.根据权利要求1或2所述的高速动态偏心率检测设备，其特征在于，所述非接触位移检测器是一种能够检测一个传感器和检测件之间静电电容上的变化以测量其位移的类型。
6.根据权利要求1或2所述的高速动态偏心率检测设备，其特征在于，所述非接触位移检测器是激光多普勒(Doppler)位移计。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的高速动态偏心率检测设备，其特征在于，圆筒形检测件是一个换向器，该换向器包括许多换向片，该换向片由从由铜或铜合金组成的组中选择出的材料制成，所述换向片圆筒形排列。
8.一种使用上述权利要求1、2和7中的任一种高速动态偏心率检测设备来进行高速动态偏心率的检测方法，所述方法包括下列步骤使圆筒形检测件以高速旋转；从一个红外线辐射装置辐射加热波以在圆筒形检测件以高速旋转中施加一个热应力；以及与此同时，通过非接触位移检测器测量圆筒形检测件的半径位移。
全文摘要
一种高速动态偏心率检测设备,包括:一个以高速旋转并具有输出轴的驱动源;一个同该驱动源的输出轴同轴线联结的主轴;一个用于以非接触方式旋转支撑该主轴的非接触轴承;一个设在该主轴一侧上的检测件承载轴,该检测件承载轴远离用于支撑安装在其上的圆筒形检测件的驱动源;和一个用于测量圆筒形检测件的位移的非接触位移检测器。
文档编号G01M1/22GK1177734SQ9711718
公开日1998年4月1日 申请日期1997年7月10日 优先权日1996年7月10日
发明者饭岛康雄, 松田吉弘 申请人:松下电器产业株式会社