CN114035490B - 一种驱控轴装置及其平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种驱控轴装置及其平衡控制方法，属于精密驱控领域，装置包括支架组件、驱动轴主体、锁定组件和平衡组件，锁定组件设置在驱动轴主体相对的两前后面上，锁定组件在非正常状态下锁定驱动轴主体，实现对驱控轴装置的动态保护；平衡组件连接至支架组件内部，且其活动端与驱动轴主体连接实现联动，通过压力监测及反馈动作实现对驱动轴主体的动态平衡控制。驱动轴通过设置速度加速度测控、温度测控和气压测控，实时监控驱控轴的运动状态和平衡状态，提高了轴的运动精度和控制精度，使得该驱控轴装置能够广泛应用于高精密加工和检测领域。

Description

一种驱控轴装置及其平衡控制方法

技术领域

本发明属于精密驱控技术，具体涉及一种驱控轴装置及其平衡控制方法，可广泛应用于精密加工或精密检测领域。

背景技术

在精密测量仪器领域，驱控轴的控制显得尤为重要，现有的位置控制主要有限位块、气动控制等。如，对于Z轴，测头或加工头一般装在Z轴下端，若Z轴失去平衡或速度过快容易使测头受到损伤。

此外，常用的气浮导轨若压缩空气压力达不到额定值，气悬浮不能保证，会使机械运动的精度下降，负载增加造成机械部分损坏，测量精度也无法保证。

因此，需要对驱动轴进行平衡控制和状态监控，并对不安全因素进行即时制动等反馈措施。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种驱控轴装置及其平衡控制方法，其能解决上述问题。

设计原理：为保护测头及驱动轴安全，需对驱动轴状态实施监控，一旦坐标测量机等应用驱动轴的设备处于异常速度、异常加速度、异常温度等的非正常状态，立即发出紧急制动信号，使驱动轴锁定，停机检修。同时，对气浮系统的状态进行监控，在进气主回路中安装一个压力传感器，若气压达不到额定值，传感器输出值低于设定阈值，机械部分处于锁定状态。在测量机处于运动状态时，若气压突然下降，低于阈值，则传感器发出紧急制动信号，使直线电机停止运动，锁定机械部分。同时，控制软件报警。

设计方案：

一种驱控轴装置，装置包括支架组件、驱动轴主体、锁定组件和平衡组件，其中，驱动轴主体、锁定组件和平衡组件连接至所述支架组件上；所述驱动轴主体连接至所述支架组件的中部，通过驱动单元驱动实现轴向运动；所述锁定组件设置在所述驱动轴主体相对的两前后面上，锁定组件在非正常状态下锁定驱动轴主体，实现对驱控轴装置的动态保护；所述平衡组件连接至所述支架组件内部，且其活动端与驱动轴主体连接实现联动，通过压力监测及反馈动作实现对驱动轴主体的动态平衡控制。

进一步的，所述支架组件包括侧板、拖链固定板和气缸安装板；其中，在所述侧板的前后侧边上开设锁定安装口，用于安装锁定组件；所述拖链固定板安装在所述侧板的一个侧边上，用于安装拖链的固定端；所述气缸安装板安装于一个侧板的内侧面上用于安装平衡组件，且气缸安装板低于所述锁定安装口而高于拖链固定板设置。

进一步的，所述驱动轴主体包括驱动轴、轴转接架、电机定子、电机动子、拖链和拖链动板；所述驱动轴的上端面与开设锁定通槽的所述轴转接架的底面固定连接，所述驱动轴的下端部与待驱动件连接；所述轴转接架的外侧面与所述电机动子固定连接实现动力传动驱动驱动轴和轴转接架沿着轴线移动；所述电机定子固定连接至所述支架组件的侧板内壁面上，并与所述电机动子匹配连接；所述拖链的固定端连接至所述支架组件的拖链固定板上，所述拖链的自由端通过拖链动板连接至所述电机动子上。

进一步的，所述驱动轴主体还包括光栅尺和读数头构成的测距单元，并在所述光栅尺上安装光栅温度传感器，并在超出温度阈值时停机检修。

进一步的，所述锁定组件包括锁定电机、锁紧筋板、锁紧压板、制动柱、锁紧垫圈、气缸接杆、直线轴承、等高螺栓、模具弹簧和弹簧螺栓；两个锁紧压板的两端通过所述直线轴承和等高螺栓连接至前后两个侧板的锁定安装口，并在锁紧压板的两端中间通过弹簧螺栓连接所述模具弹簧；所述锁定电机通过所述锁紧筋板固定至相对设置的两个锁紧压板中一个的外侧面中部，一根气缸接杆穿过所述轴转接架的锁定通槽设置在两个锁紧压板上，且气缸接杆的一端与锁定电机的输出端连接；在气缸接杆两端部，位于锁紧压板内侧面与轴转接架外侧面之间处各设置一组制动柱和锁紧垫圈；通过锁定电机带动两制动柱相向运动以锁紧所述轴转接架，从而实现对驱动轴主体的动态锁定控制。

进一步的，所述平衡组件包括气浮气缸、气缸活塞杆、缸轴连接块、气缸安装板和气控单元；所述气浮气缸通过气缸安装板连接至支架组件的侧板的内壁面上，所述气浮气缸的下端与所述气控单元连接；所述气缸活塞杆的顶端通过所述缸轴连接块与轴转接架固定连接；所述气控单元包括气压传感器和安装至气缸活塞杆处的闸瓦，在气压值超出气压阈值时气控单元控制闸瓦抱紧气浮气缸，防止驱动轴主体自行非正常运动。

本发明还提供了一种基于前述装置的驱控轴的平衡控制方法，方法包括：

速度及加速度测控，测距单元实时监测驱动轴主体的速度和加速度，当监测的速度和加速度异常，则锁定组件锁定轴转接架实现对驱动轴主体的制动，并进行停机检修；

温度测控，光栅温度传感器实时监测测距单元的温度，并监测温度超出温度阈值，停机检修；

气压测控，气控单元的气压传感器实时监测气路的气压，若监测气压超出气压阈值，则平衡组件的闸瓦抱紧气浮气缸，并停机检修。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：驱动轴通过设置速度加速度测控、温度测控和气压测控，实时监控驱控轴的运动状态和平衡状态，提高了轴的运动精度和控制精度，使得该驱控轴装置能够广泛应用于高精密加工和检测领域。

附图说明

图1为本发明一种驱控轴装置的轴侧图；

图2为驱控轴装置的另一视角的轴侧图；

图3为支架组件的轴侧图；

图4为支架组件另一视角的轴侧图

图5为驱动轴主体和平衡组件的轴侧示意图；

图6为驱动轴主体和平衡组件另一视角的轴侧示意图；

图7为锁定组件的轴侧视图；

图8为锁定组件与侧板的装配示意图。

图中：

100、支架组件；101、侧板；1011、锁定安装口；102、顶板；103、上加强板；104、下加强板；105、拖链固定板；106、气缸安装板；

200、驱动轴主体；201、驱动轴；202、轴转接架；203、气浮滑板；204、轴安装角件；205、电机定子；206、电机动子；207、拖链；208、拖链动板；209、下限位板；210、下减震胶垫；211、上限位板；212、上减震胶垫；213、光栅尺；214、读数头；215、光栅温度传感器；

300、锁定组件；301、锁定电机；302、锁紧筋板；303、锁紧压板；304、制动柱；305、锁紧垫圈；306、气缸接杆；307、直线轴承；308、等高螺栓；309、模具弹簧；310、弹簧螺栓；

400、平衡组件；401、气浮气缸；402、气缸活塞杆；403、缸轴连接块；404、气缸安装板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本说明书中所使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

第一实施例

一种驱控轴装置，参见图1和图2，装置包括支架组件100、驱动轴主体200、锁定组件300和平衡组件400。

连接关系：驱动轴主体200、锁定组件300和平衡组件400连接至所述支架组件100上；所述驱动轴主体200连接至所述支架组件100的中部，通过驱动单元驱动实现轴向运动；所述锁定组件300设置在所述驱动轴主体200相对的两前后面上，锁定组件300在非正常状态下锁定驱动轴主体200，实现对驱控轴装置的动态保护；所述平衡组件400连接至所述支架组件100内部，且其活动端与驱动轴主体200连接实现联动，通过压力监测及反馈动作实现对驱动轴主体200的动态平衡控制。

支架组件

参见图3和图4，支架组件100包括侧板101、顶板102、上加强板103、下加强板104、拖链固定板105和气缸安装板106。

在所述侧板101的前后端面上开设锁定安装口1011，用于安装锁定组件300，前后两个侧板(101)上的锁定安装口1011安装位置等高。

所述拖链固定板105安装在所述侧板101的一个侧边上，用于安装拖链的固定端。

所述气缸安装板106安装于一个侧板101的内侧面上用于安装平衡组件400，且气缸安装板106低于所述锁定安装口1011而高于拖链固定板105设置。

稳定设计：所述顶板102、上加强板103和下加强板104与所述侧板101构成门架结构，增强支架的稳定性。

轻量化设计：并在所述侧板101、顶板102、上加强板103和下加强板104上开设减重孔。

驱动轴主体

参见图5和图6，驱动轴主体200包括驱动轴201、轴转接架202、气浮滑板203、轴安装角件204、电机定子205、电机动子206、拖链207、拖链动板208、下限位板209、下减震胶垫210、上限位板211、上减震胶垫212、光栅尺213、读数头214和光栅温度传感器215。

连接关系：

驱动轴201的上端面与开设锁定通槽的所述轴转接架202的底面固定连接，所述驱动轴201的下端部与待驱动件连接。

轴转接架202的外侧面与所述电机动子206固定连接实现动力传动驱动驱动轴201和轴转接架202沿着轴线移动。

电机设置：电机定子205固定连接至所述支架组件100的侧板101内壁面上，并与所述电机动子206匹配连接；所述拖链207的固定端连接至所述支架组件100的拖链固定板105上，所述拖链207的自由端通过拖链动板208连接至所述电机动子206上。

进一步的，本示例中，电机采用直线电机。

导向设计：所述气浮滑板203和轴安装角件204构成的导向安装件；其中，多块对称布置的气浮滑板203设置在所述驱动轴201的外周侧，实现驱动的精准导向；两个轴安装角件204相对的设置在气浮滑板203外侧用于将气浮滑板203固定至机台上。

进一步的，一个示例中，气浮滑板203设置等宽度的四块，包覆驱动轴201的外周侧。

限位设计：所述下限位板209、下减震胶垫210、上限位板211、上减震胶垫212构成的限位组件，所述下限位板209和上限位板211安装在轴转接架202同一侧面的两端部，所述下减震胶垫210设置于所述下限位板209的底面，所述上减震胶垫212设置于所述上限位板211的顶面，以对限位线处的缓冲减震。

实时测距设计：光栅尺213和读数头214构成的测距单元，用于实时监测驱动轴201的速度和加速度，并在超出速度和加速度对应位置或行程的阈值时停机检修。一个示例中，速度阈值限定为50mm/s。光栅尺213材质可以为镍铁合金、玻璃陶瓷等，优选玻璃陶瓷，其热膨胀系数为(0±0.1)10^-6K^-1，精度等级±1μm，单信号周期内的典型位置误差u：±0.02μm；精度等级为+/-1μm。

温度检测设计：在所述光栅尺213上安装光栅温度传感器215，用于实时监测光栅尺213的温度，并在超出温度阈值时停机检修。一个示例中，温度传感器选用的分辨率为0.001℃，精度为0.01℃。

一个示例中，驱动轴201采用花岗石/花岗岩制造，轴转接架202采用铸铁制造，气浮滑板203采用铸铁制造。

锁定组件

参见图7和图8，锁定组件300包括锁定电机301、锁紧筋板302、锁紧压板303、制动柱304、锁紧垫圈305、气缸接杆306、直线轴承307、等高螺栓308、模具弹簧309和弹簧螺栓310。

两个锁紧压板303的两端通过所述直线轴承307和等高螺栓308连接至前后两个侧板101的锁定安装口1011，并在锁紧压板303的两端中间通过弹簧螺栓310连接所述模具弹簧309。

所述锁定电机301通过所述锁紧筋板302固定至相对设置的两个锁紧压板303中一个的外侧面中部，一根气缸接杆306穿过所述轴转接架202的锁定通槽设置在两个锁紧压板303上，且气缸接杆306的一端与锁定电机301的输出端连接；在气缸接杆306两端部，位于锁紧压板303内侧面与轴转接架202外侧面之间处各设置一组制动柱304和锁紧垫圈305。

通过锁定电机301带动两制动柱304相向运动以锁紧所述轴转接架202，从而实现对驱动轴主体200的动态锁定控制。

平衡组件

参见图5和图6，所述平衡组件400包括气浮气缸401、气缸活塞杆402、缸轴连接块403、气缸安装板404和气控单元。

连接关系：气浮气缸401通过气缸安装板404连接至支架组件100的侧板101的内壁面上，所述气浮气缸401的下端与所述气控单元连接；所述气缸活塞杆402的顶端通过所述缸轴连接块403与轴转接架202固定连接；所述气控单元包括气压传感器和安装至气缸活塞杆402处的闸瓦，在气压值超出气压阈值时气控单元控制闸瓦抱紧气浮气缸401，防止驱动轴主体200自行非正常运动。

第二实施例

一种驱控轴的平衡控制方法，方法包括速度及加速度测控、温度测控和气压测控。

其中，速度及加速度测控，测距单元实时监测驱动轴主体200的速度和加速度，当监测的速度和加速度异常，则锁定组件300锁定轴转接架202实现对驱动轴主体200的制动，并进行停机检修。

一个示例中，驱动轴主体应用于Z轴，测头或加工头装在Z轴下端，若Z轴失去平衡或速度过快容易使测头受到损伤。为保护测头及Z轴安全，需对Z轴状态实施监控，一旦坐标测量机处于非正常状态，立即发出紧急制动信号，锁定组件300的锁定气缸301运动，夹紧轴转接架202，使Z轴锁定。

其中，温度测控，光栅温度传感器215实时监测测距单元的温度，并监测温度超出温度阈值，停机检修。

其中，气压测控，气控单元的气压传感器实时监测气路的气压，若监测气压超出气压阈值，则平衡组件400的闸瓦抱紧气浮气缸401，并停机检修。

同上示例，驱动轴主体为Z轴，利用气浮气缸401使Z轴处于动态平衡状态，Z轴与气缸活塞杆402之间用机械连接。当Z轴运动时，活塞随之上下运动，压缩空气经减压阀被压入气缸或从气缸中释放。平衡用的气浮气缸401上部装有一个夹紧气缸和弹簧压紧装置，具体形式如闸瓦(图未示)。若气浮气缸401缸压力正常或气路中的压力正常，夹紧气缸推开压紧块，即闸瓦不工作；若压力低于设定的阈值，夹紧气缸断气，压紧块在弹簧作用下，即闸瓦工作，将气缸活塞杆402抱紧，防止Z轴自行下落。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种驱控轴装置，其特征在于：装置包括支架组件（100）、驱动轴主体（200）、锁定组件（300）和平衡组件（400），其中，

驱动轴主体（200）、锁定组件（300）和平衡组件（400）连接至所述支架组件（100）上；

所述驱动轴主体（200）连接至所述支架组件（100）的中部，通过驱动单元驱动实现轴向运动；

所述驱动轴主体（200）包括光栅尺（213）和读数头（214）构成的测距单元，并在所述光栅尺（213）上安装光栅温度传感器（215），并在超出温度阈值时停机检修；

所述锁定组件（300）设置在所述驱动轴主体（200）相对的两前后面上，锁定组件（300）在非正常状态下锁定驱动轴主体（200），实现对驱控轴装置的动态保护；

所述平衡组件（400）连接至所述支架组件（100）内部，且其活动端与驱动轴主体（200）连接实现联动，通过压力监测及反馈动作实现对驱动轴主体（200）的动态平衡控制；

所述平衡组件（400）包括气浮气缸（401）、气缸活塞杆（402）、缸轴连接块（403）、气缸安装板（404）和气控单元；所述气控单元包括气压传感器和安装至气缸活塞杆（402）处的闸瓦，在气压值超出气压阈值时气控单元控制闸瓦抱紧气浮气缸（401），防止驱动轴主体（200）自行非正常运动；

所述支架组件（100）包括侧板（101）、拖链固定板（105）和气缸安装板（106）；其中，在所述侧板（101）的前后侧边上开设锁定安装口（1011），用于安装锁定组件（300）；所述拖链固定板（105）安装在所述侧板（101）的一个侧边上，用于安装拖链的固定端；所述气缸安装板（106）安装于一个侧板（101）的内侧面上用于安装平衡组件（400），且气缸安装板（106）低于所述锁定安装口（1011）而高于拖链固定板（105）设置；

所述驱动轴主体（200）包括驱动轴（201）、轴转接架（202）、电机定子（205）、电机动子（206）、拖链（207）和拖链动板（208）；所述驱动轴（201）的上端面与开设锁定通槽的所述轴转接架（202）的底面固定连接，所述驱动轴（201）的下端部与待驱动件连接；所述轴转接架（202）的外侧面与所述电机动子（206）固定连接实现动力传动驱动驱动轴（201）和轴转接架（202）沿着轴线移动；所述电机定子（205）固定连接至所述支架组件（100）的侧板（101）内壁面上，并与所述电机动子（206）匹配连接；所述拖链（207）的固定端连接至所述支架组件（100）的拖链固定板（105）上，所述拖链（207）的自由端通过拖链动板（208）连接至所述电机动子（206）上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述支架组件（100）还包括顶板（102）、上加强板（103）和下加强板（104），与侧板（101）构成门架结构，并在所述侧板（101）、顶板（102）、上加强板（103）和下加强板（104）上开设减重孔。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述驱动轴主体（200）还包括气浮滑板（203）和轴安装角件（204）构成的导向安装件；其中，多块对称布置的气浮滑板（203）设置在所述驱动轴（201）的外周侧，实现驱动的精准导向；两个轴安装角件（204）相对的设置在气浮滑板（203）外侧用于将气浮滑板（203）固定至机台上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述驱动轴主体（200）还包括下限位板（209）、下减震胶垫（210）、上限位板（211）、上减震胶垫（212）构成的限位组件，所述下限位板（209）和上限位板（211）安装在轴转接架（202）同一侧面的两端部，所述下减震胶垫（210）设置于所述下限位板（209）的底面，所述上减震胶垫（212）设置于所述上限位板（211）的顶面，以对限位线处的缓冲减震。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述锁定组件（300）包括锁定电机（301）、锁紧筋板（302）、锁紧压板（303）、制动柱（304）、锁紧垫圈（305）、气缸接杆（306）、直线轴承（307）、等高螺栓（308）、模具弹簧（309）和弹簧螺栓（310）；

两个锁紧压板（303）的两端通过所述直线轴承（307）和等高螺栓（308）连接至前后两个侧板（101）的锁定安装口（1011），并在锁紧压板（303）的两端中间通过弹簧螺栓（310）连接所述模具弹簧（309）；

所述锁定电机（301）通过所述锁紧筋板（302）固定至相对设置的两个锁紧压板（303）中一个的外侧面中部，一根气缸接杆（306）穿过所述轴转接架（202）的锁定通槽设置在两个锁紧压板（303）上，且气缸接杆（306）的一端与锁定电机（301）的输出端连接；在气缸接杆（306）两端部，位于锁紧压板（303）内侧面与轴转接架（202）外侧面之间处各设置一组制动柱（304）和锁紧垫圈（305）；

通过锁定电机（301）带动两制动柱（304）相向运动以锁紧所述轴转接架（202），从而实现对驱动轴主体（200）的动态锁定控制。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气浮气缸（401）通过气缸安装板（404）连接至支架组件（100）的侧板（101）的内壁面上，所述气浮气缸（401）的下端与所述气控单元连接；所述气缸活塞杆（402）的顶端通过所述缸轴连接块（403）与轴转接架（202）固定连接。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述装置的驱控轴的平衡控制方法，其特征在于，方法包括：

速度及加速度测控，测距单元实时监测驱动轴主体（200）的速度和加速度，当监测的速度和加速度异常，则锁定组件（300）锁定轴转接架（202）实现对驱动轴主体（200）的制动，并进行停机检修；

温度测控，光栅温度传感器（215）实时监测测距单元的温度，并监测温度超出温度阈值，停机检修；

气压测控，气控单元的气压传感器实时监测气路的气压，若监测气压超出气压阈值，则平衡组件（400）的闸瓦抱紧气浮气缸（401），并停机检修。

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