CN109356960A - 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，涉及机械轴系回转误差主动补偿领域。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的问题。包括金属端帽、两个金属垫片、压电致动器、底座支撑；压电致动器由相间设置的多层的压电陶瓷片和金属电极片叠放在一起组成；每层压电陶瓷片由围成圆环的四个扇环构成，相邻两个扇环之间留有一定的缝隙；在每层压电陶瓷片中，相对的一对扇环极化方向相反，轴向上相邻压电陶瓷片对应的扇环极化方向相反，即轴向上极化方向交替分布。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、响应速度快的优点。

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
本发明涉及机械轴系回转误差主动补偿和转子振动主动抑制技术。
背景技术
精密轴系是高档数控机床、机器人、航天设备、精密仪器等装备的基础功能部件之一，在工业生产及装配制造中有着广泛的应用。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。同时，在对运行平稳性有严苛要求的工作场合，比如微小航天器，部件的微小振动可能对系统的指向性，稳定性产生重要影响，精密轴系能使得回转部件产生更小的振动，使得整个系统的稳定性和使用寿命得到重大提升。
在实际应用当中，传统的机械滚动轴承作为支承元件的轴系占有绝大部分。例如在航天领域，各国的控制力矩陀螺基本采用机械轴承作为首选支撑方式。尽管随着材料、加工、润滑等技术方面的进步，目前比较长期的现实是，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，由于转子质量不平衡、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部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。静电轴承、磁力轴承、电磁轴承近年来也获得较大发展，但其支撑刚度较低，易受周围电磁干扰，在工业生产中应用受到一定限制。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，为此提供了一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置。
本发明采用的技术解决方案是：
一种基于压电致动器的机械轴系回转误差主动补偿装置，所述装置包括金属端帽、两个金属垫片、压电致动器、底座支撑和绝缘套筒；所述金属端帽用于固定机械轴承以及为压电致动器提供预紧力；所述金属端帽为外表面结构为阶梯状的套筒，其中较细部分的下端加工螺纹用来和底座支撑相连接，较细部分中间加工有退刀槽；
所述压电致动器由多层的压电陶瓷片和金属电极片叠放在一起组成；多层压电陶瓷片和多层金属电极片相间设置，每层压电陶瓷片由围成圆环的四个扇环构成，相邻两个扇环之间留有1mm-2mm的缝隙，金属电极片和压电陶瓷片结构相同；在每层压电陶瓷片中，相对的一对扇环极化方向相反，轴向上相邻压电陶瓷片扇环极化方向相反，即轴向上极化方向交替分布；
套筒用于套装在转轴上，金属端帽套在套筒上，底座支撑套装在金属端帽较细部分的下端上，压电致动器套装在金属端帽较细部分的上端，且压电致动器和金属端帽较细部分之间装有绝缘套筒，在压电致动器下端面和底座支撑之间、压电致动器上端面与金属端帽的台肩之间布置金属垫片；套筒两端设有角接触球轴承，角接触球轴承用于套装在转轴上，角接触球轴承的轴承外圈通过所述金属端帽的内壁固定。
进一步地，所述装置中角接触球轴承的数量可为两个。
进一步地，所述底座支撑为筒状。
进一步地，所述装置还包括上端盖、下端盖，所述上端盖、下端盖用于套装在转轴上且盖金属端帽的上下端面上。
进一步地，所述装置还包括挡圈，所述挡圈用于角接触球轴承的外圈轴向固定。
进一步地，所述装置还包括旋紧螺母，所述螺母用于角接触球轴承的内圈轴向固定。
进一步地，所述金属垫片外部形状为正多边形，内部为一通孔。
进一步地，所述绝缘套筒由尼龙材料制成。
进一步地，所述装置还包括位移传感器、控制器和驱动电路，位移传感器在径向平面内正交方向分别布置一个，用来测量转轴的两维径向跳动，并将位置信号传递给控制器，控制器根据位移传感器的输入信号给出轴承外圈期望的振动位移信息，同时生成特定频率、振幅和相位的电压指令，通过驱动电路进行放大，并加载于压电致动器，使得四个压电陶瓷堆产生伸长或缩短，驱动金属端帽固定轴承处产生与转轴跳动相反的径向运动，从而抵消转轴的回转误差。
本发明具有以下有益效果：
目前为了提高轴系精度，超精密加工制造中通常使用空气静压轴承，但其造价昂贵，维护成本高，其他的如静电轴承、磁力轴承等形式的支撑刚度较低，易受电磁环境干扰，控制复杂，工业产业应用较少。在现有传统机械滚动轴承应用场合下，本装置能够补偿轴承的径向跳动，提高轴系的回转精度。
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。
本发明通过在轴向上布置压电致动器，选择适当的压电陶瓷片的种类，合理的结构设计，使得整体结构紧凑，节省空间，同时不需要额外的预紧机构。
附图说明
图1为本发明装置的组成图；
图2为压电致动器中压电陶瓷片的分布；
图3为压电致动器的电压激励示意图；
图4为金属端帽位移放大作用示意图；
图5为某方向误差补偿示意图；
图6为一个具体实施方式示意图。
具体实施方式
参见图1、2、3、4和6说明本实施方式，所述轴系回转误差主动补偿装置包括：金属端帽1、金属垫片2、压电致动器3、底部支撑4、绝缘套筒5以及相应的驱动电路、位移传感器6和控制器；
针对转轴12(转轴12上安装有转子11)进行回转误差补偿，该轴由角接触球轴承9支撑，由电机提供驱动力，转子11作为单端负载，其中轴承9由套筒8、上端盖10、挡圈14、下端盖13、旋紧螺母7固定；
特别地，可以在转子11的径向平面内添加质量块模拟静不平衡力；
金属端帽1和底部支撑4通过螺纹连接来固定压电致动器，同时，也为压电致动器提供了一定的预紧力；
特别地，位移传感器6在某一径向平面内正交方向分别布置一个，用来测量转轴12的两维径向跳动，并将位置信号传递给控制器，提供参考输入；
控制器根据传感器6的输入信号，通过主动补偿控制算法，解算出轴承外圈需要补偿的振动位移信息，同时生成特定频率、振幅和相位的电压指令，通过驱动电路进行放大，并加载于压电致动器，使得四个压电陶瓷堆产生伸长或缩短，驱动金属端帽固定轴承处产生与转轴12跳动相反的径向运动，从而抵消转轴的回转误差。
所述金属端帽1用作固定机械轴承，压电致动器以及为压电致动器提供一定的预紧力。其内部开有一通孔，用来固定轴承外圈。外部结构类似阶梯轴，其中较细部分的下端加工螺纹，用来和底座支撑4相连接，较细部分下端和上端中间加工有退刀槽；所述金属垫片2外部形状为正多边形，内部为一通孔。考虑到压电陶瓷的脆性，以及在装配过程中保证陶瓷不发生滑动，以及导电需求，需要在压电致动器和金属端帽、底座支撑中间布置金属垫片；所述压电致动器3由多层的压电陶瓷片和金属电极片组成。每层压电陶瓷片分割为四部分，中间留有一定的缝隙，如图2所示。这样每个区域可以单独进行激励。相对的陶瓷部分极化方向相反，轴向方向陶瓷极化方向交替分布。
所述的压电致动器中的多片压电陶瓷片，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。在保证高分辨率大行程的同时，还具有较高的输出能力和响应速度。其中
△t＝d33U (3)
△L＝n△t＝nd33U＝Ed33L (4)
式中：△L——总变形量
n——压电陶瓷的片数
△t——单片压电片的变形量
E——场强
t——单层压电片厚度
d33——压电常数
U——压电陶瓷片所施加电压
L——压电陶瓷片的厚度
压电陶瓷片的电压激励方式如图3所示，该方式使得相对的两堆陶瓷片可以用同一电压源进行控制，即在同一电压激励下，就能够实现一侧伸长，相对一侧缩短，减少激励源数目；
所述底座支撑4用来和金属端帽1固定压电致动器。其外部结构类似阶梯轴，内部开有不同尺寸的通孔，其中内径较小部分通孔加工成内螺纹，用来和金属端帽连接；
绝缘套筒5由尼龙或其他绝缘材料加工而成，整体为一薄圆环柱状结构。其目的是为了隔离压电致动器和金属端帽较细部分，防止漏电，影响压电致动器工作。
进一步地，压电致动器的内径稍大于绝缘套筒的外径。
所述装置中的压电驱动器，相对一侧由同一电压源激励，通过在正交的两个方向上合理的施加激励电压，即可在金属端帽处合成期望的运动轨迹。此时金属端帽除了固定轴承、压电致动器之外，同时具有位移放大作用。如图4所示，E1E2代表了压电致动器的初始位置(E1和E2分别为陶瓷片的形心)，E1′E2′代表了压电陶瓷沿厚度伸长缩短后的位置，OF代表了初始的中心线的位置，OF′代表了弯曲后中心线的位置。假设OE的距离为r，OF的距离为d，通过压电致动器的伸长缩短，即可驱动金属端帽顶部运动。因为压电驱动器的位移非常小，即E1E2和E1′E2′夹角很小，端帽顶部运动的轴向分量可忽略不计，同时径向分量大小为驱动器位移的d/r倍，即金属端帽起到了位移放大作用。
在获取转轴处的径向跳动信息后，通过一定的主动补偿算法控制压电致动器的伸长缩短，使得金属端帽固定轴承处产生与转轴跳动相反的运动，从而补偿轴系的径向跳动误差。即如图5所示，假设致动器不工作时转轴上某测量点径向位移如实线所示，通过压电致动器在金属端帽固定轴承处的位移即为虚线所示。

Claims (8)

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，所述装置包括金属端帽(1)、两个金属垫片(2)、压电致动器(3)、底座支撑(4)和绝缘套筒(5)；所述金属端帽(1)用于固定机械轴承以及为压电致动器(3)提供预紧力；所述金属端帽(1)为外表面结构为阶梯状的套筒，其中较细部分的下端加工螺纹用来和底座支撑(4)相连接，较细部分中间加工有退刀槽；
所述压电致动器(3)由多层的压电陶瓷片和金属电极片叠放在一起组成；多层压电陶瓷片和多层金属电极片相间设置，每层压电陶瓷片由围成圆环的四个扇环构成，相邻两个扇环之间留有1mm-2mm的缝隙，金属电极片和压电陶瓷片结构相同；在每层压电陶瓷片中，相对的一对扇环极化方向相反，轴向上相邻压电陶瓷片扇环极化方向相反，即轴向上极化方向交替分布；
套筒(8)用于套装在转轴(12)上，金属端帽(1)套在套筒(8)上，底座支撑(4)套装在金属端帽(1)较细部分的下端上，压电致动器(3)套装在金属端帽(1)较细部分的上端，且压电致动器(3)和金属端帽(1)较细部分之间装有绝缘套筒(5)，在压电致动器(3)下端面和底座支撑(4)之间、压电致动器(3)上端面与金属端帽(1)的台肩之间布置金属垫片；套筒(8)两端装有角接触球轴承(9)，角接触球轴承(9)用于套装在转轴(12)上，角接触球轴承(9)的轴承外圈通过所述金属端帽(1)的内壁固定。
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，所述装置中角接触球轴承(9)的数量可为两个。
3.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，所述底座支撑(4)为筒状。
4.根据权利要求1、2或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，所述装置还包括上端盖(10)、下端盖(13)，所述上端盖(10)和下端盖(13)用于套装在转轴(12)上且盖金属端帽(1)的上下端面上。
5.根据权利要求1、2或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，所述装置还包括挡圈(14)和旋紧螺母(7)，所述挡圈(14)和旋紧螺母(7)用于角接触球轴承(9)外圈和内圈的轴向固定。
6.根据权利要求1、2或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，所述金属垫片(2)外部形状为正多边形，内部为一通孔。
7.根据权利要求6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，所述绝缘套筒(5)由尼龙材料制成。
8.根据权利要求1、2或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，所述装置还包括位移传感器(6)、控制器和驱动电路，位移传感器(6)在径向平面内正交方向分别布置一个，用来测量转轴(12)的两维径向跳动，并将位置信号传递给控制器，控制器根据位移传感器(6)的输入信号给出轴承外圈期望的振动位移信息，同时生成特定频率、振幅和相位的电压指令，通过驱动电路进行放大，并加载于压电致动器(3)，使得四个压电陶瓷堆产生伸长或缩短，驱动金属端帽固定轴承处产生与转轴(12)跳动相反的径向运动，从而抵消转轴的回转误差。
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