CN108620948A - 一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统 - Google Patents

一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，该系统包括主轴转子、径向轴承、轴承外壳、径向轴承进气口、止推轴承和止推轴承进气口，空气经过径向轴承进气孔和止推轴承进气孔进入节流孔和气腔，在主轴转子和轴承套之间形成一层薄薄的气膜，主轴转子在转动过程中几乎不产生摩擦。设有1个空气静压主轴系统、4个电容传感器、4个压电致动器和PC机；所述4个电容传感器成轴中心对称分别固定在空气静压轴承外壳体上，4个压电致动器成轴中心对称分别嵌在空气静压主轴的4个弹性槽内，电容传感器检测单元和压电致动器控制单元分别与PC机连接，由PC机端接受振动信号并对压电控制器驱动，从而实现对空气静压主轴的实时检测补偿控制。

Description

一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统
技术领域
本发明涉及一种主轴振动检测补偿系统，尤其是涉及一种针对空气静压主轴转子振动的检测补偿控制系统。
背景技术
在空气静压主轴系统中，主轴转子是空气静压主轴的重要组成部件，转子的运行状态在极大程度上决定了加工工件的质量和精度。在工件加工过程中，主轴转子的振动及回转误差是衡量主轴性能和加工精度的重要指标。主轴转子振动的变化对工件质量及次品的产生概率有着直接的影响，因此对空气静压主轴在运行过程中转子振动进行检测，进而补偿转子偏移，对应提升加工质量及空气静压主轴的性能有重要的意义。
在空气静压主轴加工过程中，对于主轴振动的检测多采用高速信号采集硬件设备，利用信号分析工具，对主轴工作振动情况进行监测。目前，针对空气静压主轴转子振动控制方法主要是集中在设计阶段的结构对称、切削力载荷、热变形和离心力等方面，尚且没有一种简单有效合理完备的空气静压主轴转子振动检测补偿控制系统。
发明内容
本发明的目的针对空气静压主轴加工过程中转子不平衡振动，振动检测及补偿控制系统，提供一种对主轴转子在线实时检测及补偿控制系统，实现在主轴转子运行过程中不平衡振动的精确检测及补偿控制，同时达到提高加工质量和为空气静压主轴工作性能提高提供参考依据。
本发明设有1个空气静压主轴系统、4个电容传感器、4个压电致动器和PC机；所述4个电容传感器呈轴中心对称分别固定在空气静压轴承外壳体上，4个压电致动器呈轴中心对称分别嵌在空气静压主轴的4个弹性槽内，电容传感器检测单元和压电致动器控制单元分别与PC机连接，由PC机端接受振动信号并对压电控制器驱动，从而实现对空气静压主轴的实时检测补偿控制。
本发明所述电容传感器是一种结构简单、温度稳定性好、动态响应好、灵敏度高位移传感器，具有实时检测空气静压主轴转子振动位移的功能。
本发明所述压电制动器利用压电陶瓷所具有施加电压发生变形(伸长、收缩)的特性，控制空气静压主轴动压轴承弹性槽的变形，从而改变转子的振动位移，具有实时补偿转子不平衡位移的功能。
所述PC机具有电信号处理和控制计算功能。
本发明具有以下突出优点：
1)结构简单。将压电致动器嵌于空气静压主轴内部，直接对主轴转子进行控制，克服了传统的通过反馈系统得到信号再对电主轴设计控制器的复杂过程。
2)实时精确检测补偿控制。PC机收到电容传感器检测到的振动信号后，控制压电致动器伸缩，使空气静压主轴动压轴承弹性槽变形，楔形槽内产生的气动力推动主轴转子归位，实现主轴转子振动的实时检测补偿控制。
3)精度、稳定性和可靠性更好。电容传感器能感应0.01μm甚至纳米级的位移，压电致动器的驱动分辨率可以精确到纳米级别，检测和补偿器件极高的分辨率、PC机快速的计算能力为空气静压主轴控制系统的高精度、稳定性和可靠性提供了保障。
附图说明
图1为本发明实施例中空气静压主轴整体结构示意图。
图2为本发明实施例中空气静压主轴径向轴承局部示意图。
图3为空气静压主轴止推轴承局部示意图。
图4为空气静压主轴转子振动检测补偿控制原理示意图。
图5为空气静压主轴转子振动检测补偿控制原理局部放大示意图。
图中：1主轴转子、2径向轴承、3轴承外壳、4径向轴承进气口、5止推轴承、6止推轴承进气口、7径向轴承节流孔、8径向轴承气腔、9、止推轴承节流孔气腔、10压电致动器、11主轴主体、12静压轴承、13电机端压电致动器、14电机、15止推板、16传感器、17压电致动器PZT1、18弹性槽、19电容传感器MTI1、20定制空气静压轴承外套、21压电致动器PZT2、22电容传感器MTI2、23压电致动器PZT3、24振动转子、25电容传感器MTI3、26楔形区域、27压电致动器PZT4、28电容传感器MTI4、29气膜
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做作一步阐述。
参见图1，本发明实施例设有空气静压主轴系统。一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，该系统包括主轴转子1、径向轴承2、轴承外壳3、径向轴承进气口4、止推轴承5和止推轴承进气口6，空气经过径向轴承进气孔和止推轴承进气孔进入节流孔和气腔，在主轴转子1和轴承套之间形成一层薄薄的气膜，主轴转子1在转动过程中几乎不产生摩擦。
本系统包括主轴转子1、径向轴承2、轴承外壳3、径向轴承进气口4、止推轴承5、止推轴承进气口6，主轴转子1连接步进电机并由其带动，具有一定压力的气体分别通过径向轴承进气口4和止推轴承进气口6流入节流孔和气腔，因此，在主轴转子1和轴承外壳3内壁间形成一层气膜，将主轴转子1支撑，实现主轴转子1运转的“零摩擦”运动。径向轴承2和止推轴承5分别承载并限制主轴转子1的径向运动和轴向运动。
参见图2，为径向轴承局部示意图，径向轴承节流孔7和径向轴承气腔8为轴承外壳3内壁的加工孔，用于气体的节流及气压的形成。
参见图3，为止推轴承局部示意图，止推轴承节流孔气腔9为轴承外壳3轴向的加工孔腔，用于轴向即止推方向上气压的形成。
参见图4，本系统还包括压电致动器10、主轴主体11、静压轴承12、电机端压电致动器13、电机14、止推板15和传感器16；主轴主体11为主轴转子1的主体结构，静压轴承12设置在主轴主体11的外侧，电机端压电致动器13设置在主轴主体11的端部；电机14带动主轴主体11进行转动，主轴转子1上的止推板15限制转子的轴向位移，外端电容传感器16用保持架固定于主轴转子外端，用于检测主轴转子1的振动信号，压电致动器10由外孔内嵌在轴承外壳内部，进行主轴转子1位移的补偿控制。
参见图5，为转子的检测补偿控制局部示意图，本系统还包括压电致动器PZT117、弹性槽18、电容传感器MTI119、定制空气静压轴承外套20、压电致动器PZT221、电容传感器MTI222、压电致动器PZT323、振动转子24、电容传感器MTI325、楔形区域26、压电致动器PZT427、电容传感器MTI428和气膜29。工作过程具体步骤如下：电容传感器MTI119、电容传感器MTI222、电容传感器MTI325和电容传感器MTI428用保持架安装在主轴的最外端，压电致动器PZT117、压电致动器PZT221、压电致动器PZT323和压电致动器PZT427由外孔内嵌在轴承外壳内部，定制空气静压轴承外套20和空气动压轴承用螺栓固定气体主轴外壳上，动压轴承主体分布有定制的弹性槽18，动压轴承和楔形区域26连接成一体的，楔形区域为弹性单元。轴承表面为非严格的圆形，而是均布4个带有一定初始角度的楔形曲面。压电致动器嵌在每一个弹性槽外侧，由计算机控制及驱动。
轴承内圆表面和转子外圆表面存在的楔形区域26，主轴24旋转由斜坡高处转向地处时，由此楔形区域产生的气动力会推动主轴运动。传感器22检测到主轴转子的振动信号(假设MTI2检测到振动信号)，当发生振动幅度增加时，传感器信号传输到计算机端，计算机控制压电致动器(此处为4个压电致动器同时通电)，压电致动器会有相应的伸长变形，促使弹性槽18膨胀变形，使轴承表面的楔形曲面的楔形角度增加，轴承内的压力会增加，产生的气动力将主轴推回原位置，相应的承载力就会增加(相当于增加楔形角度后，轴承对转子的抱紧力增加)，从而增加动压效果以抑制转自的振动，以实现主轴转子振动的整个检测补偿控制过程。

Claims (5)

1.一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，其特征在于：该系统包括主轴转子(1)、径向轴承(2)、轴承外壳(3)、径向轴承进气口(4)、止推轴承(5)和止推轴承进气口(6)，空气经过径向轴承进气孔和止推轴承进气孔进入节流孔和气腔，在主轴转子(1)和轴承套之间形成一层薄薄的气膜，主轴转子(1)在转动过程中几乎不产生摩擦；
主轴转子(1)连接步进电机并由其带动，具有一定压力的气体分别通过径向轴承进气口(4)和止推轴承进气口(6)流入节流孔和气腔，在主轴转子(1)和轴承外壳(3)内壁间形成一层气膜，将主轴转子(1)支撑，实现主轴转子(1)运转的“零摩擦”运动；径向轴承(2)和止推轴承(5)分别承载并限制主轴转子(1)的径向运动和轴向运动。
2.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，其特征在于：径向轴承节流孔(7)和径向轴承气腔(8)为轴承外壳(3)内壁的加工孔，用于气体的节流及气压的形成。
3.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，其特征在于：止推轴承节流孔气腔(9)为轴承外壳(3)轴向的加工孔腔，用于轴向即止推方向上气压的形成。
4.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，其特征在于：本系统还包括压电致动器(10)、主轴主体(11)、静压轴承(12)、电机端压电致动器(13)、电机(14)、止推板(15)和传感器(16)；主轴主体(11)为主轴转子(1)的主体结构，电机(14)带动主轴主体(11)进行转动，静压轴承(12)设置在主轴主体(11)的外侧，电机端压电致动器(13)设置在主轴主体11的端部；主轴转子(1)上的止推板(15)限制转子的轴向位移，外端电容传感器(16)用保持架固定于主轴转子外端，用于检测主轴转子(1)的振动信号，压电致动器(10)由外孔内嵌在轴承外壳内部，进行主轴转子(1)位移的补偿控制。
5.根据权利要求1所述的一种针对空气静压主轴的检测补偿控制系统，其特征在于：本系统还包括压电致动器PZT1(17)、弹性槽(18)、电容传感器MTI1(19)、定制空气静压轴承外套(20)、压电致动器PZT2(21)、电容传感器MTI2(22)、压电致动器PZT3(23)、振动转子(24)、电容传感器MTI3(25)、楔形区域(26)、压电致动器PZT4(27)、电容传感器MTI4(28)和气膜(29)；工作过程具体步骤如下：电容传感器MTI1(19)、电容传感器MTI2(22)、电容传感器MTI3(25)和电容传感器MTI4(28)用保持架安装在主轴的最外端，压电致动器PZT1(17)、压电致动器PZT2(21)、压电致动器PZT3(23)和压电致动器PZT4(27)由外孔内嵌在轴承外壳内部，定制空气静压轴承外套(20)和空气动压轴承用螺栓固定气体主轴外壳上，动压轴承主体分布有定制的弹性槽(18)，动压轴承和楔形区域(26)连接成一体的，楔形区域为弹性单元；轴承表面为非严格的圆形，而是均布4个带有一定初始角度的楔形曲面；压电致动器嵌在每一个弹性槽外侧，由计算机控制及驱动；
轴承内圆表面和转子外圆表面存在的楔形区域(26)，主轴旋转由斜坡高处转向地处时，由此楔形区域产生的气动力会推动主轴运动；传感器检测到主轴转子的振动信号，当发生振动幅度增加时，传感器信号传输到计算机端，计算机控制压电致动器，压电致动器会有相应的伸长变形，促使弹性槽(18)膨胀变形，使轴承表面的楔形曲面的楔形角度增加，轴承内的压力会增加，产生的气动力将主轴推回原位置，相应的承载力就会增加，从而增加动压效果以抑制转自的振动，以实现主轴转子振动的整个检测补偿控制过程。
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