CN101799042B - 一种回转台的角位移测控轴承单元 - Google Patents

Abstract

一种回转台的角位移测控轴承单元，主要由工作台板、支承座、两者之间的轴承本体、控制系统、驱动装置和角位移测量装置构成，所述的轴承本体由动圈、静圈和滚动体构成，所述的角位移测量装置由磁栅尺和传感器构成。本发明，安装灵活方便，结合高精度轴承实时测量，并将角位移信号反馈给控制系统，实现了闭环控制的目的，工作台板通过驱动装置带动，控制系统的输出信号端输入驱动装置，在工作台板旋转过程中，角位移测量装置实时测量并将信号输入控制系统，控制系统控制驱动装置对工作台板实施角位移修正。

Description

一种回转台的角位移测控轴承单元

技术领域

本发明涉及一种带有测控的精密回转台，具体地说是一种回转台的角位移测控轴承单元。

背景技术

目前，精密回转台主要用于高精度旋转和控制的领域，例如；数控机床及数控加工中心转台、坦克炮塔、雷达旋转台、手术旋转台、电子元部件焊接转台等，这些类型的设备均要求较高的传动精度，并配合高精度的轴承来完成每一个动作，因此，在实际操作中，由于传动部件因疲劳磨损后，其精度将会逐渐降低，操作误差逐渐加大，由此带来严重后果，为此，人们所想到的采用传感器之类的元件与该设备中受力的旋转部件结合在一起，检测其上的震动、转速、温度等参数，来分析内部传动件的工作状态(例如：磨损程度)，例如中国专利：一种传感器轴承，申请号为200910100833.4，其介绍了一种利用霍尔传感器和多极磁环来检测轴承转速和转动方向的传感器轴承结构，此种方法解决的仅是单项问题，仅能检测分析得知部件是否处于正常工作状态，无法从根本上解决其旋转角位移精度不高的问题，如何设计一个闭环控制角位移测量系统，在保证传动件工作精度的同时，并对其实时测量监控、并反馈则是一直有待解决的难题。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述技术问题的不足，提供一种回转台的角位移测控轴承单元，其旋转精度高，安装灵活方便，并且在旋转工作过程中可实时测量，并将角位移信号反馈给控制系统，实现了闭环控制。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种回转台的角位移测控轴承单元，包括控制系统和驱动装置，驱动装置的动作通过控制系统的信号控制，角位移测控轴承单元还包括工作台板、支承座、磁栅尺、传感器、动圈、静圈、滚动体和固定架组成，在工作台板的底面上设置一个定位面I，动圈通过定位面I与工作台板固定在一起，在支承座的顶面设置一个定位面II，静圈通过定位面II与支承座固定在一起，滚动体设置在动圈与静圈之间，在动圈的内壁或外壁上设有磁栅尺，相对磁栅尺的圆周面上至少设有一个传感器，传感器的信号输出端接入控制系统，固定架设置在支承座或静圈上，工作台板、动圈、磁栅尺、传感器、固定架、滚动体、静圈和支承座呈一体结构。

所述的磁栅尺为一个圆周体，由固定圈、磁性材料和金属保护面层组成，固定圈设置在动圈的内壁或外壁上，磁性材料设置在固定圈与金属保护面层之间。

所述的磁性材料，其具有N、S极交替设置的磁化表面。

所述的传感器与磁栅尺之间的间隙为0.1mm-1mm。根据要求精度的变化及工作场合的不同，间隙还可以放大，最大可以到10mm。

所述的传感器设置在固定架上。

所述的传感器包括一个高度集成的霍尔芯片及一个外壳，霍尔芯片封装在外壳内，该霍尔芯片内集成有霍尔元件及信号处理电路。

本发明的有益效果是：

1、在回转台上设置角位移测量系统，并结合外部控制系统构成一体化角位移测控单元，将工作台板、动圈、磁栅尺、传感器、固定架、滚动体、静圈和支承座呈一体结构，从而形成一个全新的带角度控制与测量的高精度回转轴承单元，通过在轴承本体上设置磁栅尺，并结合传感器对轴承实时测量监控，并将角位移信号反馈给控制系统，从而提高了精密回转台的工作精度。

2、当采用两个或两个以上的传感器分布在轴承圆周时，可有效防止由于加工力使得轴承滚道系统产生挠度对测量产生的影响，传感器实时测量将信号传输给外部控制系统，有效提高测量精度。

3、本发明中所述的磁栅尺采用三层结构，其基体为钢质固定层，在其钢质基体上面涂敷一层的磁性材料层，在其最外层还粘结一层不锈钢覆盖条，从而对磁性表面进行保护，使得本发明对环境要求不高(灰尘、铁屑和湿度都要求不敏感)、非接触的读磁方式(间隙0.1～1mm以上)保证了其永不磨损的长寿命：其次钢制固定层直接与轴承表面相配合，安装方便，无需辅助结构，灵活方便。

4、在传感器内置加信号处理电路，在旋转过程中，由磁通量产生变化在霍尔元件内产生电压信号，电压信号传输给信号处理电路，根据整个磁栅尺上所设置的磁极对数，经信号处理电路计算成带有角位移的数字信号反馈给控制系统，控制系统通过反馈值与给定值进行比较，对产生的偏差量通过驱动装置进行补偿，形成闭环控制，从而达到了精密角位移测量、控制的目的。而且该传感器输出的角位移信号可选择正余弦信号或TTL脉冲信号，可与国内外各种数控系统相配。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明中轴承本体与角位移测量装置结合的第一种实施方式的剖视图。

图3是本发明中轴承本体与角位移测量装置结合的第二种实施方式的剖视图。

图4是本发明中工作台板的结构示意图。

图5是本发明中支承座的结构示意图。

图中标记：1、工作台板，2、支承座，3、轴承本体，4、控制系统，5、驱动装置，6、角位移测量装置，7、磁栅尺，8、传感器，9、动圈，10、静圈，11、滚动体，12、固定架，13、定位面I，14、定位面II。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种回转台的角位移测控轴承单元，主要由工作台板1、支承座2、两者之间的轴承本体3、控制系统4、驱动装置5和角位移测量装置6构成，所述的轴承本体由动圈9、静圈10和滚动体11构成，所述的角位移测量装置6由磁栅尺7和传感器8构成。

如图1、图2和图3所示，并结合图4和图5，在工作台板1的底面上设置一个定位面I 13，动圈9通过定位面I 13与工作台板1固定在一起，在支承座2的顶面设置一个定位面II 14，静圈10通过定位面II 14与支承座2固定在一起，滚动体11设置在动圈9与静圈10之间，在动圈9的内壁或外壁上设有磁栅尺7，相对磁栅尺7的圆周面上至少设有一个传感器8，传感器8的信号输出端接入控制系统4，固定架12设置在支承座2或静圈10上，工作台板1、动圈9、磁栅尺7、传感器8、固定架12、滚动体11、静圈10和支承座2呈一体结构。

工作台板1通过驱动装置5带动，控制系统4的输出信号端输入驱动装置5，在工作台板1旋转过程中，角位移测量装置实时测量并将信号输入控制系统4，控制系统4控制驱动装置5对工作台板1实施角位移修正。

本发明，磁栅尺7有两种设置方式：一种直接呈环状设置在动圈9的外径表面和内径表面；另一种是呈环状设置在工作台板1的圆周面上，对应磁栅尺7设有传感器8，传感器8设在固定架12上，固定架12通过螺栓(或其它定位方式)与支承座2连接，固定架12还可以设置在静圈10上。

本发明，所述的传感器8设置在固定架12上，固定架12其对应磁栅尺7的径向位置设有传感器安装孔，安装孔的数量根据所需传感器的数量来配置。

本发明，所述的动圈为轴承单元中与工作台板所连接的部件，即为在工作过程中伴随工作台板做旋转运动部件；所述的静圈为轴承中与支承座所连接的部件，即为在工作过程中相对静止的部件。

图2为一种外置传感器的结构，根据应用的场合和要求精度的不同，可以采用单传感器、双传感器、四个或更多传感器布置，当要求精度略低时，可采用单个传感器即可，当设备要求高精密角位移测量时，可采用双传感器或者更多，采用双传感器器时须将其相对设置在固定架上，可提高测量精度。

如图3所示，其为一种内置传感器结构，当传感器安装受空间限制时，可采用此种结构。

本发明中所述的磁栅尺7呈环状结构，其基体为钢质层，可选用不锈钢钢带，在其钢质基体上面涂敷一层的磁性材料层，在其最外层还粘结一层不锈钢覆盖条，从而对磁性表面进行保护。磁栅尺的钢质基体可以与轴承的动圈外径表面配合安装，此时构成外置传感器结构；当磁栅尺的钢质基体与轴承的动圈内径表面直接配合安装时，构成内置传感器结构，安装时可在钢质基体上涂敷有一层高强度胶质层直接与轴承配合表面牢固粘接，保证长久使用不脱离。

本发明中所述的磁栅尺，其上的磁性材料层具有N、S极交替的磁化表面，且其上的N、S极等间距分布，根据设备需要的控制精度来设置磁极对的数量，要求精度越高，设置磁极对的数量应越多。

本发明，所述的传感器与磁栅尺之间的间隙为0.1mm-1mm，设备要求角位移测量的精度越高，其间隙应越小。根据要求精度的变化及工作场合的不同，间隙还可以放大，最大可以到10mm。

本发明，所述的传感器8包括一个高度集成的霍尔芯片及一个外壳，所述的霍尔芯片封装在外壳内，所述的传感器设有一个外壳，外壳可采用PVC材质或锌压铸件，保护等级高达IP67，抗干扰等级符合IEC801国际标准3级。在外壳内设有霍尔芯片，该霍尔芯片内集成有两个霍尔元件及信号处理电路，信号处理电路主要由微分电路和积分电路构成，旋转过程中，霍尔元件感应磁通量变化而产生电压信号，电压信号传输给信号处理电路，根据整个磁栅尺上所设置的磁极对数，在信号处理电路内转换呈带有角位移的数字信号并经内部电路累计计算成旋转角度值，反馈给控制系统，控制系统便可得知其实际旋转角度值与设定运转角度值的偏差量，进行修正，重新调整设备参数，从而达到了精密角位移测量、控制的目的。

由于整个环状磁栅尺上可均匀设置多个磁极对，设置磁极对的数量根据所要求的精度来确定，设备要求精度越高时，应需设置的磁极对越密，霍尔元件感应磁通量变化而产生电压信号，根据整个磁栅尺上所设置的磁极对数，每一个信号可换算成一个事先确定的角位移，以原始角位置为基准点，可经信号处理电路内累计计算成角度增量，其后反馈给控制系统。

操作方法为：CNC设定工作台板旋转15°时，运动停止后，测量系统反馈给CNC的数据为14.5°，则CNC重新调整参数，实施修正偏差量，从而实现了闭环控制的目的。

本发明，所述的轴承须选用高精度轴承，只有配合在高精度轴承上才能实现精密角位移测量，可以选用组合滚子轴承、交叉圆柱滚子轴承或交叉圆锥滚子轴承的任意一种。

本发明，其闭环控制的工作原理为：工作台板在旋转过程中，轴承的动圈同时同步旋转，因此其上的磁栅尺产生磁力线，霍尔元件感应磁通量变化产生电压信号，并将电压信号传输给信号处理电路，在其内通过转换呈角位移信号并累加，而后输入至控制系统，控制系统通过反馈值与给定值进行比较，对产生的偏差量通过驱动装置进行补偿，形成闭环控制，达到精确控制角位移的目的。

本发明中所述的传感器可成对设置，分别相对设置在轴承的圆周，防止由于加工力使得轴承滚道系统产生挠度，会影响到测量结果，因此采用两个或两个以上的传感器相对安装可有效提高测量精度。

本发明将高精度回转单元和角位移测量装置呈整体结构设计，并经传感器内的信号处理电路处理后，带有角位移的数字信号直接反馈给控制系统，因此可广泛用于量大面广的数控机床，以其精密转台作为轴承单元载体进行研究试验，在获得成果后，将推广应用于需要精密角度位移控制和测量的其它机械或器械，如精密加工中心、坦克炮塔、雷达旋转台、手术旋转台、电子元部件焊接转台等。

本发明具有对环境要求不高(灰尘、铁屑和湿度都要求不敏感)、非接触的读磁方式(间隙0.1～1mm以上)保证了其永不磨损的长寿命；此外通过高分辨率传感器采集磁信号(分辨率最高可以达到0.001mm)，并在内部处理转换成数字信号后输入控制系统，从而实现对工作台板角位移精度的精确控制，其角位移精度可以达到±3″，随着磁栅尺上设置磁极对数的增加，精度甚至可达±1.5″以上。

本发明当使用在环境条件相对较好时，例如灰尘、湿度和温度等均达到要求，可将光栅代替磁栅尺，只需更换对应传感器，同样达到闭环控制的目的，而且精密度可达到更高。

Claims (4)

1.一种回转台的角位移测控轴承单元，包括控制系统(4)和驱动装置(5)，驱动装置(5)的动作通过控制系统(4)的信号控制，其特征在于：角位移测控轴承单元还包括工作台板(1)、支承座(2)、磁栅尺(7)、传感器(8)、动圈(9)、静圈(10)、滚动体(11)和固定架(12)组成，在工作台板(1)的底面上设置一个定位面Ⅰ(13)，动圈(9)设置在定位面Ⅰ(13)内，在支承座(2)的顶面设置一个定位面Ⅱ(14)，静圈(10)设置在定位面Ⅱ(14)内，滚动体(11)设置在动圈(9)与静圈(10)之间，在动圈(9)的内壁或外壁上设有磁栅尺(7)，相对磁栅尺(7)的圆周面上设有两个相对设置的传感器(8)，传感器(8)与磁栅尺(7)之间的间隙为0.1mm-1mm，传感器(8)的信号输出端接入控制系统(4)，固定架(12)设置在支承座(2)或静圈(10)上，工作台板(1)、动圈(9)、磁栅尺(7)、传感器(8)、固定架(12)、滚动体(11)、静圈(10)和支承座(2)呈一体结构；

所述的磁栅尺(7)为一个圆周体，由固定圈、磁性材料和金属保护面层组成，固定圈设置在动圈(9)的内壁或外壁上，磁性材料设置在固定圈与金属保护面层之间。

2.根据权利要求1所述的一种回转台的角位移测控轴承单元，其特征在于：所述的磁性材料，其具有N、S极交替设置的磁化表面。

3.根据权利要求1所述的一种回转台的角位移测控轴承单元，其特征在于：所述的传感器(8)设置在固定架(12)上。

4.根据权利要求1所述的一种回转台的角位移测控轴承单元，其特征在于：所述的传感器(8)包括一个高度集成的霍尔芯片及一个外壳，霍尔芯片封装在外壳内，该霍尔芯片内集成有霍尔元件及信号处理电路。

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