CN102338165A - 监测转台轴承角位移的反射式控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种监测转台轴承角位移的反射式控制方法，转台轴承(3)含外圈(3.1)、径向滚子(3.2)、轴圈(3.3)、内圈(3.4)、联接螺栓(3.5)、保持架(3.6)和轴向推力圆柱滚子(3.7)。在轴圈上设置黑色短刻度线(3.3.1)和黑色长刻度线(3.3.2)。根据转台轴承(3)的外形特征加工出支撑座(1)，支撑座安装有第一反射式光栅传感器(2)、第二反射式光栅传感器(5)和第三反射式光栅传感器(4)，所述传感器的引出线与调理电路盒(6)连接，两个所述传感器用于监测轴圈黑色短刻度线并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，一个所述传感器用于监测轴圈黑色长刻度线并起到监测基准作用。适用于数控机床上。
Description
技术领域
本发明属于轴承监测技术领域，尤其是一种监测转台轴承角位移的反射式控制方法。
背景技术
转台轴承3的基本结构参见图2.。
转台轴承3由外圈3.1、径向滚子3.2、轴圈3.3、内圈3.4、联接螺栓3.5、保持架3.6以及轴向推力圆柱滚子3.7组成，在外圈3.1宽度方向的两端面对称装配有两组轴向推力圆柱滚子3.7，在外圈3.1的内径端面装配有一组径向滚子3.2。
转台轴承3具有高精度、高刚性、高承载能力，适用于机床分度盘或其他精密机械的旋转工作台上。
转台轴承3若应用在机床分度盘上，由于分度盘具有圆周360°刻度，因此要求转台轴承3能够实现一定的旋转角位移以达到分度盘所需要的刻度来保证加工件的加工准确性。通常情况下，将外圈3.1相对固定，内圈3.4包括轴圈3.3的内孔上配有涡轮蜗杆装置，涡轮蜗杆装置再与伺服电机或步进电机联接。上述只是其中的一种具体的传动过程，传动过程也可能是其它形式的机械传动，如带轮传动和齿轮传动等。根据上述传动过程，当伺服电机或步进电机通电工作时，伺服电机或步进电机驱动涡轮蜗杆装置，涡轮蜗杆装置再带动轴圈3.3旋转角位移以实现加工所需要的刻度，把这一传动过程自定义为开环控制方式。
上述开环控制方式中，轴圈3.3旋转角位移的准确度从本质上讲：
一是取决于伺服电机或步进电机的通电控制时间；
二是取决于涡轮蜗杆装置的机械传递效率。
开环控制方式由于伺服电机或步进电机的通电控制误差以及涡轮蜗杆装置的机械传递误差就会直接影响到轴圈3.3旋转角位移的准确度。
如何在上述开环控制方式下，通过轴圈3.3的结构改进以及围绕轴圈3.3结构改进的辅助控制方式来克服伺服电机或步进电机的通电控制误差以及涡轮蜗杆装置的机械传递误差，以提高转台轴承角位移的准确度，至今未见相关报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种监测转台轴承角位移的反射式控制方法，该反射式控制方法通过对轴圈的结构改进以及围绕轴圈结构改进的辅助控制方式，能够克服伺服电机或步进电机所产生的通电控制误差以及涡轮蜗杆装置所产生的机械传递误差，保证轴圈的旋转角位移能够达到一定的准确度。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种监测转台轴承角位移的反射式控制方法，所述转台轴承包含有外圈、径向滚子、轴圈、内圈、联接螺栓、保持架以及轴向推力圆柱滚子；所述转台轴承的外圈固定，在内圈以及轴圈的内孔里配装有涡轮蜗杆装置，该涡轮蜗杆装置与伺服电机或步进电机联接；当伺服电机或步进电机通电工作时，伺服电机或步进电机驱动涡轮蜗杆装置，涡轮蜗杆装置再带动轴圈旋转并产生角位移，这一传动过程自定义为开环控制方式，该开环控制方式由于伺服电机或步进电机的通电控制误差以及涡轮蜗杆装置的机械传递误差，降低了轴圈旋转角位移的准确度；本发明的反射式控制方法包括以下两部分内容：
Ⅰ、轴圈的结构改进；
Ⅱ、围绕轴圈结构改进的辅助控制方式；
关于轴圈的结构改进：
①在不改变轴圈现有结构的基础上，先对轴圈外径端面进行镀铬，镀铬后在轴圈外径端面加工出n个间距均相等的短刻度线，所述 
，所述i=
，所述D为轴圈的外径尺寸；以任一短刻度线为基准并将该短刻度线沿轴圈外径宽度方向延长制作成基准长刻度线，以基准长刻度线为基准沿轴圈外径端面再制作23个长刻度线，这样在轴圈外径端面包括基准长刻度线在内共形成24个长刻度线，与基准长刻度线左右相邻的两个长刻度线相对基准长刻度线与轴圈中心的夹角各为15°，其余每相邻两个长刻度线与轴圈中心的夹角同为15°，或是说在360°的轴圈外径端面上每相隔15°设置一个长刻度线；
②对所述短刻度线和所述长刻度线做黑色染色处理形成黑色短刻度线和黑色长刻度线；
关于围绕轴圈结构改进的辅助控制方式：
③根据转台轴承的外形特征加工出支撑座，支撑座的底端设置有用于固定支撑座的通孔，支撑座上端侧面沿支撑座径向设置有三个用于分别安装传感器的内孔，所述传感器包括第一反射式光栅传感器、第二反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器，支撑座上端面与轴圈上端面平齐，其中两个所述内孔对称配置且其径向轴线指向轴圈的黑色短刻度线并用于分别安装第一反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器，另一个所述内孔的径向轴线指向轴圈的黑色长刻度线并用于安装第二反射式光栅传感器，安装第一反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器的所述内孔具有同一径向轴线，安装第一反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器的所述内孔径向轴线与安装第二反射式光栅传感器的所述内孔径向轴线相互平行；
④设置一个调理电路盒，该调理电路盒含有A/D转换器、信号数字处理器DSP和D/A转换器；
⑤当转台轴承在机床箱体内安装就位时，在转台轴承上套上已安装好第一反射式光栅传感器、第二反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器的支撑座，支撑座的通孔通过螺栓将支撑座固定就位，固定就位后检查第一反射式光栅传感器、第二反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器是否与轴圈外径端面有相互接触现象，若有接触现象则应调整所述反射式光栅传感器的安装位置直至不发生接触现象为止；将第一反射式光栅传感器、第二反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器的引出线连接在调理电路盒的A/D转换器上，第一反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器用于监测轴圈的黑色短刻度线并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，第二反射式光栅传感器用于监测轴圈的黑色长刻度线并起到校准基准之作用；
当伺服电机或步进电机工作时，内圈和轴圈同时随涡轮蜗杆装置而转动且发生角位移，此时第一反射式光栅传感器、第二反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器将监测到的输出信号汇总在在调理电路盒的A/D转换器上，A/D转换器再将所述输出信号通过信号数字处理器DSP以及D/A转换器反馈给电子后处理系统CNC，电子后处理系统CNC通过数据处理后将修正的模拟控制信号再传输给伺服电机或步进电机进而提高转台轴承角位移的准确度。
由于采用如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
1、转台轴承的轴圈外径端面采用镀铬方式，使得轴圈具有良好的耐磨性和耐热性，尤其是在设置反射式光栅传感器下轴圈具有很强的反光能力和防锈能力。
2、轴圈外径端面设置的黑色短刻度线和黑色长刻度线具有不反光作用，便于第一反射式光栅传感器、第二反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器监测。同时轴圈外径端面设置的黑色长刻度线相间15°作为一个基准标记，从而使第二反射式光栅传感器通过基准记快速获得绝对基准点。
3、第一反射式光栅传感器和第三反射式光栅传感器监测轴圈的黑色短刻度线，起到测量轴圈角位移或是细化刻度的作用；第二反射式光栅传感器监测基准，起找准基准点的作用；三个反射式光栅传感器的有效应用不仅改变了繁琐的机械结构所造成的系统误差，而且具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的特点，是对转台轴承角位移微细测量的良好选择。
4、支撑座固定后具有良好的动平衡控制特性。
5、三个反射式光栅传感器的测头不能与轴圈外径端面有任何的接触现象，实现无摩擦安装，以延长三个反射式光栅传感器的使用寿命。
6、在轴圈上设置黑色短刻度线和黑色长刻度线能够实现转台轴承的高精密化，从而降低机床的价格成本。
7、本发明容易安装，三个反射式光栅传感器便于调整。
8、本发明特别适用于对角位移有高精密要求的数控机床或其它精密机械的旋转工作台或是分度盘上。
附图说明
图1是本发明的控制方法示意图。
图2是转台轴承的结构示意图。
图3是轴圈的改进结构示意图。
上述图中：1-支撑座；2-第一反射式光栅传感器；3-转台轴承；3.1-外圈；3.2-径向滚子；3.3-轴圈；3.3.1-黑色短刻度线；3.3.2-黑色长刻度线；3.4-内圈；3.5-联接螺栓；3.6-保持架；3.7-轴向推力圆柱滚子；4-第三反射式光栅传感器；5-第二反射式光栅传感器；6-调理电路盒；
具体实施方式
结合图2，本发明是一种监测转台轴承角位移的反射式控制方法，所述转台轴承3包含有外圈3.1、径向滚子3.2、轴圈3.3、内圈3.4、联接螺栓3.5、保持架3.6以及轴向推力圆柱滚子3.7。
所述转台轴承3的外圈3.1固定，在内圈3.4以及轴圈3.3的内孔里配装有涡轮蜗杆装置，该涡轮蜗杆装置与伺服电机或步进电机联接。当伺服电机或步进电机通电工作时，伺服电机或步进电机驱动涡轮蜗杆装置，涡轮蜗杆装置再带动轴圈3.3旋转并产生角位移，这一传动过程自定义为开环控制方式，该开环控制方式由于伺服电机或步进电机的通电控制误差以及涡轮蜗杆装置的机械传递误差，降低了轴圈旋转角位移的准确度，轴圈旋转角位移准确度的降低直接影响转台轴承角位移的准确度。
上述只是其中的一种具体的传动联接方式，传动联接方式也可能是其它形式的机械传动，如带轮传动和齿轮传动等。不论何种机械传动联接方式都能影响到轴圈旋转角位移的准确度，本发明着重研究转台轴承上轴圈的结构改进以及围绕轴圈结构改进的辅助控制方式，以抵消或是克服上述机械传动联接方式所产生的机械传递误差从而保证轴圈的旋转角位移能够达到一定的准确度。
本发明的反射式控制方法包括以下两部分内容：
Ⅰ、轴圈的结构改进；
Ⅱ、围绕轴圈结构改进的辅助控制方式；
关于轴圈的结构改进：
结合图3，在不改变轴圈3.3现有结构的基础上，先对轴圈外径端面进行镀铬，镀铬后在轴圈外径端面加工出n个间距均相等的短刻度线，所述，所述i=
，所述D为轴圈的外径尺寸；以任一短刻度线为基准并将该短刻度线沿轴圈外径宽度方向延长制作成基准长刻度线，以基准长刻度线为基准沿轴圈外径端面再制作23个长刻度线，这样在轴圈外径端面包括基准长刻度线在内共形成24个长刻度线，与基准长刻度线左右相邻的两个长刻度线相对基准长刻度线与轴圈中心的夹角各为15°，其余每相邻两个长刻度线与轴圈中心的夹角同为15°，或是说在360°的轴圈外径端面上每相隔15°设置一个长刻度线。短刻度线和长刻度线可以通过激光刻制出。
镀铬是本领域常用的技术手段，但本发明的目的是为了提高轴圈外径端面的耐磨性和耐热性，尤其是增强轴圈外径端面的反光能力和防锈能力，为实施所述辅助控制方式提供了可靠准备，镀铬后的轴圈外径应符合设计规定的尺寸要求。
对所述短刻度线和所述长刻度线做黑色染色处理形成黑色短刻度线3.3.1和黑色长刻度线3.3.2。
综上可以看出：
黑色短刻度线3.3.1和黑色长刻度线3.3.2具有不反光作用，而轴圈外径端面镀铬后具有反光作用，便于第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4的监测。同时黑色长刻度线3.3.2相间15°作为一个基准标记，使第二反射式光栅传感器通过基准标记快速获得绝对基准点。
黑色短刻度线3.3.1和黑色长刻度线3.3.2能够实现实现转台轴承3的高精密化，从而降低机床的价格成本。
关于围绕轴圈结构改进的辅助控制方式：
结合图1，根据转台轴承3的外形特征加工出支撑座1，支撑座1的底端设置有用于固定支撑座的通孔，支撑座1上端侧面沿支撑座径向设置有三个用于分别安装传感器的内孔，所述传感器是指第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4，支撑座1上端面与轴圈3.3上端面平齐，其中两个所述内孔对称配置且其径向轴线指向轴圈3.3的黑色短刻度线3.3.1并用于分别安装第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4，另一个所述内孔的径向轴线指向轴圈3.3的黑色长刻度线3.3.2并用于安装第二反射式光栅传感器5，安装第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4的所述内孔具有同一径向轴线，安装第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4的所述内孔径向轴线与安装第二反射式光栅传感器5的所述内孔径向轴线相互平行，也就是说安装第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4的所述内孔径向轴线比安装第二反射式光栅传感器5的所述内孔径向轴线要相对高些。支撑座1固定后具有良好的动平衡控制特性。
图1虚线是第三反射式光栅传感器4，为了展示第二反射式光栅传感器5与第三反射式光栅传感器4或是与第一反射式光栅传感器2不处于同一径向轴线，因而给出了第二反射式光栅传感器5的局部位置示意图，第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4呈对称配置且其径向轴线处于同一水平线。
设置一个调理电路盒6，该调理电路盒6含有A/D转换器、信号数字处理器DSP和D/A转换器。
当转台轴承3在机床箱体内安装就位时，在转台轴承3上套上已安装好第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4的支撑座1，支撑座1的通孔通过螺栓将支撑座固定就位，固定就位后注意检查第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4是否与轴圈3.3外径端面有相互接触现象，若有接触现象则应调整所述反射式光栅传感器的安装位置直至不发生接触现象为止。
将第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4的引出线连接在调理电路盒6的A/D转换器上，第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4用于监测轴圈3.3的黑色短刻度线3.3.1并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，第二反射式光栅传感器5用于监测轴圈3.3的黑色长刻度线3.3.2并起到校准基准之作用。注意第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4的测头部位不能与轴圈3.3有任何的接触现象，实现无摩擦安装，以延长第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4的使用寿命。
第一反射式光栅传感器2和第三反射式光栅传感器4监测轴圈3.3的黑色短刻度线3.3.1起到监测轴圈3.3角位移的实际偏转量，黑色短刻度线3.3.1具有细化刻度之作用。第二反射式光栅传感器5监测监测轴圈3.3的黑色长刻度线3.3.2并起到校准基准之作用。.第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4全为反射式光栅传感器，反射式控制方法正是基于与此，反射式控制方法不仅改变了繁琐的机械结构所造成的系统误差，而且具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的特点，是对转台轴承角位移微细测量的良好选择。
当伺服电机或步进电机工作时，内圈3.4和轴圈3.3同时随涡轮蜗杆装置而转动且发生角位移，此时第一反射式光栅传感器2、第二反射式光栅传感器5和第三反射式光栅传感器4将监测到的输出信号汇总在在调理电路盒6的A/D转换器上，A/D转换器再将所述输出信号通过信号数字处理器DSP以及D/A转换器反馈给电子后处理系统CNC，电子后处理系统CNC通过数据处理后将修正的模拟控制信号再传输给伺服电机或步进电机进而提高转台轴承角位移的准确度。
相对自定义的开环控制方式而言，上述反射式控制方法就相当于一个自定义闭环控制方式，闭环控制方式能够解决开环控制方式的弊端，减少开环控制方式中伺服电机的编码器，降低机床加工成本，提高转台轴承角位移的准确度。
条件许可的话，第一反射式光栅传感器2与第三反射式光栅传感器4也可以合并成一个带有两个测头的反射式光栅传感器，所述两个测头的反射式光栅传感器可以同时扫描递增的黑色短刻度线3.3.1。
本发明容易安装，所述传感器便于调整，特别适用于对角位移有高精密要求的机床或其它精密机械的旋转工作台或是分度盘上。
Claims (1)
1.一种监测转台轴承角位移的反射式控制方法，所述转台轴承(3)包含有外圈(3.1)、径向滚子(3.2)、轴圈(3.3)、内圈(3.4)、联接螺栓(3.5)、保持架(3.6)以及轴向推力圆柱滚子(3.7)；所述转台轴承(3)的外圈(3.1)固定，在内圈(3.4)以及轴圈(3.3)的内孔里配装有涡轮蜗杆装置，该涡轮蜗杆装置与伺服电机或步进电机联接；当伺服电机或步进电机通电工作时，伺服电机或步进电机驱动涡轮蜗杆装置，涡轮蜗杆装置再带动轴圈(3.3)旋转并产生角位移，这一传动过程自定义为开环控制方式，该开环控制方式由于伺服电机或步进电机的通电控制误差以及涡轮蜗杆装置的机械传递误差，降低了轴圈(3.3)旋转角位移的准确度；其特征是：所述反射式控制方法包括以下两部分内容：
Ⅰ、轴圈的结构改进；
Ⅱ、围绕轴圈结构改进的辅助控制方式；
关于轴圈(3.3)的结构改进：
①在不改变轴圈(3.3)现有结构的基础上，先对轴圈(3.3)外径端面进行镀铬，镀铬后在轴圈(3.3)外径端面加工出n个间距均相等的短刻度线，所述 
，所述i=
，所述D为轴圈的外径尺寸；以任一短刻度线为基准并将该短刻度线沿轴圈(3.3)外径宽度方向延长制作成基准长刻度线，以基准长刻度线为基准沿轴圈(3.3)外径端面再制作23个长刻度线，这样在轴圈(3.3)外径端面包括基准长刻度线在内共形成24个长刻度线，与基准长刻度线左右相邻的两个长刻度线相对基准长刻度线与轴圈中心的夹角各为15°，其余每相邻两个长刻度线与轴圈中心的夹角同为15°，或是说在360°的轴圈(3.3)外径端面上每相隔15°设置一个长刻度线；
②对所述短刻度线和所述长刻度线做黑色染色处理形成黑色短刻度线(3.3.1)和黑色长刻度线(3.3.2)；
关于围绕轴圈(3.3)结构改进的辅助控制方式：
③根据转台轴承(3)的外形特征加工出支撑座(1)，支撑座(1)的底端设置有用于固定支撑座的通孔，支撑座(1)上端侧面沿支撑座径向设置有三个用于分别安装传感器的内孔，所述传感器包括第一反射式光栅传感器(2)、第二反射式光栅传感器(5)和第三反射式光栅传感器(4)，支撑座(1)上端面与轴圈(3.3)上端面平齐，其中两个所述内孔对称配置且其径向轴线指向轴圈(3.3)的黑色短刻度线(3.3.1)并用于分别安装第一反射式光栅传感器(2)和第三反射式光栅传感器(4)，另一个所述内孔的径向轴线指向轴圈(3.3)的黑色长刻度线(3.3.2)并用于安装第二反射式光栅传感器(5)，安装第一反射式光栅传感器(2)和第三反射式光栅传感器(4)的所述内孔具有同一径向轴线，安装第一反射式光栅传感器(2)和第三反射式光栅传感器(4)的所述内孔径向轴线与安装第二反射式光栅传感器(5)的所述内孔径向轴线相互平行；
④设置一个调理电路盒(6)，该调理电路盒(6)含有A/D转换器、信号数字处理器DSP和D/A转换器；
⑤当转台轴承(3)在机床箱体内安装就位时，在转台轴承上套上已安装好第一反射式光栅传感器(2)、第二反射式光栅传感器(5)和第三反射式光栅传感器(4)的支撑座(1)，支撑座(1)的通孔通过螺栓将支撑座固定就位，固定就位后检查第一反射式光栅传感器(2)、第二反射式光栅传感器(5)和第三反射式光栅传感器(4)是否与轴圈(3.3)外径端面有相互接触现象，若有接触现象则应调整所述反射式光栅传感器的安装位置直至不发生接触现象为止；将第一反射式光栅传感器(2)、第二反射式光栅传感器(5)和第三反射式光栅传感器(4)的引出线连接在调理电路盒(6)的A/D转换器上，第一反射式光栅传感器(2)和第三反射式光栅传感器(4)用于监测轴圈(3.3)的黑色短刻度线(3.3.1)并起到监测轴圈(3.3)角位移的实际偏转量，第二反射式光栅传感器(5)用于监测轴圈(3.3)的黑色长刻度线(3.3.2)并起到校准基准之作用；
当伺服电机或步进电机工作时，内圈(3.4)和轴圈(3.3)同时随涡轮蜗杆装置而转动且发生角位移，此时第一反射式光栅传感器(2)、第二反射式光栅传感器(5)和第三反射式光栅传感器(4)将监测到的输出信号汇总在在调理电路盒(6)的A/D转换器上，A/D转换器再将所述输出信号通过信号数字处理器DSP以及D/A转换器反馈给电子后处理系统CNC，电子后处理系统CNC通过数据处理后将修正的模拟控制信号再传输给伺服电机或步进电机进而提高转台轴承(3)角位移的准确度。
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