CN109176153A - 一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，涉及转子振动主动抑制技术领域。为了解决传统滚动轴承支承轴系的回转精度难以通过机械加工和装配环节获得突破性提高，回转误差影响机床加工精度等实际问题。多个压电致动总成设置在滚动轴承座外侧面对称位置上，通过绝缘垫片安装在滚动轴承座外侧面上，压电致动器在安装时施加预紧力；致动器支承套装在滚动轴承座上，多个压电致动总成位于滚动轴承座和致动器支承之间；传感器用于测量转动主轴选定测量点的径向信息；控制电路内运行主动补偿控制算法，根据传感器测得的位置信号解算出轴承座处待补偿信息，产生驱动压电致动器的控制信号；驱动电路对控制器产生的控制信号进行放大并加载于压电致动器。

Description

一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置
技术领域
本发明一种涉及机械轴系回转误差主动补偿装置，涉及转子振动主动抑制技术领域。
背景技术
精密轴系是高档数控机床、机器人、精密仪器等装备的基础功能部件之一，在工业生产中有着广泛的应用。精密轴系的回转精度决定了精密设备的性能及价值，也决定了一个国家精密加工及精密测量的技术水平，设计具有更高回转精度的精密轴系具有重要意义。在实际应用当中，传统滚动轴承作为支承元件的轴系占有绝大部分，目前比较长期的现实是，这种传统机械轴系的精度已难以靠机械加工和装配工艺质量的提升获得实质性提高。另外，由于转子、转轴动不平衡、装配误差、轴承轴隙、轴承内外圈不同轴等因素的影响，旋转机构也会对支承件带来很大的振动冲击，影响使用寿命。
目前超精密机床多采用空气静压轴承来提高回转精度，使得转动平稳，振动微弱。但考虑到空气静压轴承的费用高昂、使用环境苛刻和维护周期长的特点，对于大多数的中高精度加工(要求微米，亚微米的回转精度)，成本极不合算。因此在传统机械滚动轴承支承轴系的基础上设计回转误差主动补偿装置，具有一定的现实意义和经济价值。
发明内容
本发明是为了解决传统滚动轴承支承轴系的回转精度难以通过机械加工和装配环节获得突破性提高，回转误差影响机床加工精度，精密设备指向精度等实际问题，本发明提供了一种回转误差的主动补偿装置。
本发明的技术解决方案是：
一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，所述装置包括转动主轴、多个传感器、控制电路、驱动电路以及安装在转动主轴端部的两个轴承总成；每个轴承总成包括滚动轴承、滚动轴承座、多个压电致动总成、致动器支承、轴承端盖；每个压电致动总成包括绝缘垫片和压电致动器；压电致动总成的数量为偶数个；两个滚动轴承分别安装在主轴上，用于支承和提供主轴的旋转自由度，每个轴承端盖安装在对应的轴承座上；每个滚动轴承内圈由主轴的轴肩固定，外圈通过轴承端盖固定；每个滚动轴承安装在对应的滚动轴承座上；多个压电致动总成设置在滚动轴承座外侧面对称位置上，每个压电致动器通过绝缘垫片安装在滚动轴承座外侧面上，压电致动器在安装时施加预紧力；致动器支承套装在滚动轴承座上，多个压电致动总成位于滚动轴承座和致动器支承之间，压电致动器与致动器支承固定；传感器用于通过非接触方式测量转动主轴选定测量点的径向位移信息；控制电路：其内运行主动补偿控制算法，根据传感器测得的位置信号解算出轴承座处待补偿信息，产生驱动压电致动器的控制信号；驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于压电致动器；控制电路用于根据传感器测量的数据，计算主轴的径向跳动和轴向晃动，解算出轴承座处待补偿信息，通过反馈算法控制驱动电路加载特定频率、振幅和相位的电压，使得多个压电致动器合成的位移矢量与振动位移相反，抵消转动主轴的回转误差。
进一步地，压电致动总成的数量为4个。
进一步地，压电致动器(5)通过环氧树脂胶与致动器支承(6)固定。
进一步地，所述压电致动器由多片压电陶瓷组成，多片压电陶瓷在机械上是串联形式，在电路上是并联形式，总位移相当于所有陶瓷片位移量的总和。
进一步地，所述的压电致动器通过绝缘垫片与轴承座固定时，使得压电致动器的作用力均匀分布。
进一步地，多个压电致动器的轴线相交于一点，且该点与静止时主轴的几何中心重合。
进一步地，传感器(8)的数量为四个，其中两个传感器沿轴向布置，另外两个传感器与前两个在径向上正交布置。
压电致动器：作为回转误差主动补偿的执行机构，将4组压电致动器均匀地布置在轴承座对称位置，压电致动器提供各自方向的位移驱动，通过控制改变驱动电压的幅值、相位和频率，使压电致动器的运动合成一定形状的周向封闭轨迹，补偿主轴回转误差；
绝缘垫片：布置在压电致动器和轴承座接触部位，避免压电陶瓷与金属直接接触，使得压电致动器能够正常工作；
滚动轴承：轴承内圈与回转主轴配合，轴承外圈由轴承座固定；
轴承座：固定滚动轴承，避免压电执行器与轴承直接接触；
致动器支承：固定压电致动器，提供稳定支承；
传感器：用于检测回转主轴上选定测量点在径向平面内的位置，并将位置信号传递给控制器，提供参考输入；
控制电路：其内运行主动补偿控制算法，根据传感器测得的位置信号解算出轴承座处待补偿信息，产生驱动压电致动器的控制信号；
驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于压电致动器。
所述的压电致动器由多片压电陶瓷组成，它们在机械上是串联形式，在电路上是并联形式，总位移相当于所有陶瓷片位移量的总和。
所述的压电致动器通过绝缘垫片与轴承座固定时，合理布置两者之间的空间关系，使得压电致动器的作用力能够均匀分布，并且压电陶瓷对拉力非常敏感，为了提高可靠性可以施加相应的预紧力。
所述压电致动器的轴线相交于一点，与静止时主轴的几何中心重合。
所述的传感器具有非接触式测量能力，且在轴向上至少有两个，保证能测量出轴线晃动，径向上至少有两个，能测量出径向跳动。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明与现有技术相比的优点在于：传统的机械滚动轴承支承轴系难以通过机械加工和装配工艺来提高回转误差精度，超精密加工中的空气静压轴承支承轴系造价昂贵，维护成本高，对于中高精度的旋转机构，本发明综合考虑了精度和成本的要求，针对滚动轴承设计了回转误差主动补偿装置，具有较大的经济价值。
同时，旋转机械中由于转子或轴的不平衡因素，导致支承部位产生很大的振动，严重的甚至影响使用寿命。本发明也可以作为一种针对转子的主动振动抑制装置，通过在轴承座施加相应的振动激励，削弱甚至消除不平衡扰动对支承部件的振动，提高使用寿命。
本发明使用压电致动器作为补偿装置的执行器，具有位移控制精度高、响应速度快、功耗低、不受电磁干扰的优点。
附图说明
图1为本发明装置的组成原理图；
图2为装置A-A处视图；
图3为传感器径向布置图；
图4为某方向误差补偿示意图。
具体实施方式
参见图1至4说明本实施方式：本发明是基于转动轴系实现的，本发明所述的基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置包括转动主轴1、四个传感器8、控制电路、驱动电路以及安装在转动主轴1端部的两个轴承总成；每个轴承总成包括滚动轴承2、滚动轴承座3、四个压电致动总成、致动器支承6、轴承端盖7；每个压电致动总成包括绝缘垫片4和压电致动器5；压电致动总成的数量为偶数个；两个滚动轴承2分别安装在主轴1上，用于支承和提供主轴的旋转自由度，每个轴承端盖7安装在对应的轴承座3上；每个滚动轴承内圈由主轴1的轴肩固定，外圈通过轴承端盖7固定；转动主轴1与滚动轴承2配合，支承和提供主轴的旋转自由度，每个滚动轴承2安装在对应的滚动轴承座3上；四个压电致动总成设置在滚动轴承座3外侧面对称位置上，每个压电致动器5通过绝缘垫片4安装在滚动轴承座3外侧面上，压电致动器5在安装时施加预紧力；致动器支承6套装在滚动轴承座3上，多个压电致动总成位于滚动轴承座3和致动器支承6之间，压电致动器5与致动器支承6固定；传感器8用于通过非接触方式测量转动主轴1选定测量点的径向位移信息；控制电路：其内运行主动补偿控制算法，根据传感器测得的位置信号解算出轴承座处待补偿信息，产生驱动压电致动器的控制信号；驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于压电致动器；控制电路用于根据传感器8测量的数据，计算主轴1的径向跳动和轴向晃动，解算出轴承外圈处需补偿的振动信息，通过反馈算法控制驱动电路加载特定频率、振幅和相位的电压，使得多个压电致动器5合成的位移矢量与振动位移相反，抵消转动主轴1的回转误差。压电致动器5通过环氧树脂胶与致动器支承6固定。所述压电致动器由多片压电陶瓷组成，多片压电陶瓷在机械上是串联形式，在电路上是并联形式，总位移相当于所有陶瓷片位移量的总和。所述的压电致动器通过绝缘垫片与轴承座固定时，使得压电致动器的作用力均匀分布。四个压电致动器的轴线相交于一点，用该点与静止时主轴的几何中心重合。传感器8的数量为四个，其中两个传感器如图1所示沿轴向布置，另外两个传感器如图3所示与前两个在径向上正交布置。
滚动轴承座3对称位置通过绝缘垫片4和压电致动器5固定，压电致动器5在安装时施加预紧力。所述的轴承座在周向均匀地布有若干个通孔。轴承端盖7和轴承座3经过通孔9使用螺栓连结；压电致动器5通过环氧树脂胶与致动器支承6固定；传感器8通过非接触方式测量转动主轴选定测量点的径向位移信息；控制电路根据传感器8测量的数据，解算出轴承座处需补偿的振动信息，通过反馈算法控制驱动电路加载特定频率、振幅和相位的电压，使得多个压电致动器合成的位移矢量与振动位移相反，抵消主轴1的回转误差。如图4所示，假设主轴上某测量点在所在直径方向的位移如实线所示，通过压电致动器在轴承座处补偿，解算后在该测量点的补偿位移即为虚线所示。

Claims (7)

1.一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，所述装置包括转动主轴(1)、多个传感器(8)、控制电路、驱动电路以及安装在转动主轴(1)端部的两个轴承总成；每个轴承总成包括滚动轴承(2)、滚动轴承座(3)、多个压电致动总成、致动器支承(6)、轴承端盖(7)；每个压电致动总成包括绝缘垫片(4)和压电致动器(5)；压电致动总成的数量为偶数个；
两个滚动轴承(2)分别安装在主轴(1)上，用于支承和提供主轴的旋转自由度，每个轴承端盖(7)安装在对应的轴承座(3)上；每个滚动轴承内圈由主轴(1)的轴肩固定，外圈通过轴承端盖(7)固定；每个滚动轴承(2)安装在对应的滚动轴承座(3)上；
多个压电致动总成设置在滚动轴承座(3)外侧面对称位置上，每个压电致动器(5)通过绝缘垫片(4)安装在滚动轴承座(3)外侧面上，压电致动器(5)在安装时施加预紧力；致动器支承(6)套装在滚动轴承座(3)上，多个压电致动总成位于滚动轴承座(3)和致动器支承(6)之间，压电致动器(5)与致动器支承(6)固定；
传感器(8)用于通过非接触方式测量转动主轴(1)选定测量点的径向位移信息；控制电路：其内运行主动补偿控制算法，根据传感器测得的位置信号解算出轴承座处待补偿信息，产生驱动压电致动器的控制信号；驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于压电致动器；
控制电路用于根据传感器(8)测量的数据，计算主轴(1)的径向跳动和轴向晃动，解算出轴承座处待补偿信息，通过反馈算法控制驱动电路加载特定频率、振幅和相位的电压，使得多个压电致动器(5)合成的位移矢量与振动位移相反，抵消转动主轴(1)的回转误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，压电致动总成的数量为4个。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，压电致动器(5)通过环氧树脂胶与致动器支承(6)固定。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，所述压电致动器由多片压电陶瓷组成，多片压电陶瓷在机械上是串联形式，在电路上是并联形式，总位移相当于所有陶瓷片位移量的总和。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，所述的压电致动器通过绝缘垫片与轴承座固定时，使得压电致动器的作用力均匀分布。
6.根据权利要求5所述的一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，多个压电致动器的轴线相交于一点，且该点与静止时主轴的几何中心重合。
7.根据权利要求6所述的一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，其特征在于，传感器(8)的数量为四个，其中两个传感器沿轴向布置，另外两个传感器与前两个在径向上正交布置。
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