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CN102352889A - 用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法 - Google Patents

用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法 Download PDF

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CN102352889A CN201110176008XA CN201110176008A CN102352889A CN 102352889 A CN102352889 A CN 102352889A CN 201110176008X A CN201110176008X A CN 201110176008XA CN 201110176008 A CN201110176008 A CN 201110176008A CN 102352889 A CN102352889 A CN 102352889A
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Abstract

一种用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法，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)。在轴圈上设置短刻度槽(3.3.1)和长刻度槽(3.3.2)并镀铬。根据转台轴承(3)的外形特征加工出支撑座(1)，支撑座安装有两个透射式光栅传感器(4)和一个反射式光栅传感器(2)，所述传感器的引出线与调理电路盒(5)连接，透射式光栅传感器用于监测轴圈的短刻度槽并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，反射式光栅传感器用于监测轴圈的长刻度槽并起到监测基准作用。适用对角位移有高要求数控机床的旋转台或分度盘上。

Description

用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法
技术领域
本发明属于轴承技术领域，尤其是一种用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法。
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，本发明提供了一种用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法，该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：
一种用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法，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，先在轴圈非接触面的外径边缘一圈加
工出n个间距均相等的短刻度槽，轴圈接触面是指轴圈与内圈接触的面，所述                                                
Figure 149388DEST_PATH_IMAGE001
，而该公式中所述i=
Figure 653182DEST_PATH_IMAGE002
，所述i只取小数点前的整数，所述D为轴圈的外径尺寸mm；以任一短刻度槽为基准并将该短刻度槽沿轴圈外径端面延长制作成基准长刻度槽，以基准长刻度槽为基准沿轴圈外径端面制作23个长刻度槽，这样在轴圈外径端面包括基准长刻度槽在内共形成24个长刻度槽，与基准长刻度槽左右相邻的两个长刻度槽相对基准长刻度槽与轴圈中点的夹角各为15°，其余每相邻两个长刻度槽与轴圈中点的夹角同为15°，或是说在360°的轴圈外径端面上每相隔15°设置一个长刻度槽；
②在轴圈上加工出所有短刻度槽和长刻度槽后再对轴圈的外径端面和短刻度槽进行镀铬；
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，支撑座的外径端面沿其径向设置有三个用于安装传感器的内孔，所述传感器是指两个透射式光栅传感器和一个反射式光栅传感器，其中两个所述内孔对称配置且其中心轴线与轴圈非接触面平齐用于分别安装两个透射式光栅传感器，另一个所述内孔的中心轴线指向轴圈的外径端面且该内孔用于安装反射式光栅传感器，安装两个透射式光栅传感器的所述内孔在同一中心轴线上，而安装两个透射式光栅传感器的所述内孔中心轴线则与安装反射式光栅传感器的所述内孔中心轴线相互平行；
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两个透射式光栅传感器和反射式光栅传感器的支撑座，支撑座的所述通孔通过螺栓将支撑座固定就位，固定就位后注意两个透射式光栅传感器和反射式光栅传感器与轴圈短刻度槽和长刻度槽是否有相互接触现象，若有接触现象则应调整透射式光栅传感器或是反射式光栅传感器的安装位置直至不发生接触现象为止；将两个透射式光栅传感器和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，两个透射式光栅传感器用于监测轴圈的短刻度槽并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，反射式光栅传感器用于监测轴圈的长刻度槽并起到监测基准作用；
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，此时两个透射式光栅传感器和反射式光栅传感器将监测到的轴圈角位移信号汇总在在调理电路盒的A/D转换器上，A/D转换器再将所述角位移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调整或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，尤其是在设置透射式光栅传感器和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、轴圈上设置的短刻度槽和长刻度槽由于镀铬使其更加透光，而无短刻度槽处的非接触面则不透光，便于透射式光栅传感器的监测，同时轴圈外径端面设置的长刻度槽相间15°作为一个基准标记，从而使反射式光栅传感器通过基准标记快速监测获得绝对基准。
3、两个透射式光栅传感器监测轴圈的短刻度槽，起到测量轴圈角位移或是细化刻度的作用；反射式光栅传感器监测基准并起到找准基准的作用；透射式光栅传感器和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、透射式光栅传感器和反射式光栅传感器的测头不能与轴圈有任何的接触现象，实现无摩擦安装，以延长透射式光栅传感器和反射式光栅传感器的使用寿命。
6、在轴圈上设置短刻度槽和长刻度槽能够实现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，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-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-短刻度槽；3.3.2-长刻度槽；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-透射式光栅传感器；5-调理电路盒。
 
具体实施方式
结合图2，本发明用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法，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。
本发明的控制方法包括以下两部分内容：
Ⅰ、轴圈3.3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结合图3，在不改变轴圈3.3现有结构的基础上，先在轴圈非接触面的外径边缘一圈加工出n个间距均相等短刻度槽3.3.1，轴圈接触面是指轴圈3.3与内圈3.4接触的面，所述
Figure 892533DEST_PATH_IMAGE001
，而该公式中所述i=，所述i只取小数点前的整数，所述D为轴圈的外径尺寸mm。若轴圈的外径尺寸D=560mm，则共有
Figure 390959DEST_PATH_IMAGE003
个短刻度槽，每相邻短刻度槽之间的间距是相等的，或是说每相邻短刻度槽之间相对轴圈中点的夹角是相等的，短刻度槽可以通过激光或其它方式加工出。
以任一短刻度槽为基准并将该短刻度槽沿轴圈外径端面延长制作成基准长刻度槽，以基准长刻度槽为基准沿轴圈外径端面制作23个长刻度槽，这样在轴圈外径端面包括基准长刻度槽在内共形成24个长刻度槽3.3.2，与基准长刻度槽左右相邻的两个长刻度槽相对基准长刻度槽与轴圈中点的夹角各为15°，其余每相邻两个长刻度槽与轴圈中点的夹角同为15°，或是说在360°的轴圈外径端面上每相隔15°设置一个长刻度槽。
通过上述可以看出：短刻度槽3.3.1随着轴圈3.3外径尺寸的大小不同而设置的总数均不不同，而长刻度槽3.3.2设置的总数24个则是不变的，只要满足基准长刻度槽必须是以任一短刻度槽沿轴圈外径端面延长制作即可，长刻度槽3.3.2也可以通过激光或其它方式加工出，长刻度槽3.3.2的长度或是等于轴圈外径端面的宽度，或是等于轴圈外径端面宽度的2/3，短刻度槽3.3.1相对长刻度槽3.3.2较短而已，类似于钟表的分针长短刻度。短刻度槽3.3.1和长刻度槽3.3.2的宽度相等，对短刻度槽3.3.1和长刻度槽3.3.2的宽度不作限制。
②在轴圈3.3上加工出所有短刻度槽3.3.1和长刻度槽3.3.2后再对轴圈的外径端面和短刻度槽进行镀铬，轴圈的外径端面镀铬当然也包括长刻度槽3.3.2。虽然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。
综上可以看出：
在轴圈上设置短刻度槽和长刻度槽能够实现实现转台轴承的高精密化，从而降低机床的价格成本。
轴圈3.3上设置的短刻度槽3.3.1和长刻度槽3.3.2由于镀铬使其更加透光，而无短刻度槽处的非接触面则不透光，便于透射式光栅传感器4的监测，同时轴圈外径端面设置的长刻度槽相间15°作为一个基准线标记，从而使反射式光栅传感器2通过基准线标记快速获得绝对基准点。
转台轴承3的轴圈外径端面采用镀铬方式，使得轴圈3.3具有良好的耐磨性和耐热性，尤其是在设置透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2下轴圈3.3具有很强的反光能力和防锈能力。
结合图1，关于围绕轴圈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，支撑座1的底端设置有用于固定支撑座的通孔，支撑座1的外径端面沿其径向设置有三个用于安装传感器的内孔，所述传感器是指两个透射式光栅传感器4和一个反射式光栅传感器2，其中两个所述内孔对称配置且其中心轴线与轴圈非接触面平齐用于分别安装两个透射式光栅传感器4，另一个所述内孔的中心轴线指向轴圈的外径端面且该内孔用于安装反射式光栅传感器2，安装两个透射式光栅传感器4的所述内孔在同一中心轴线上，而安装两个透射式光栅传感器4的所述内孔中心轴线则与安装反射式光栅传感器2的所述内孔中心轴线相互平行。注意图1虚线所示的透射式光栅传感器并为和实线所示的透射式光栅传感器处在对称位置，但这并不表示两个透射式光栅传感器4是对称配置，图1虚线所示的透射式光栅传感器只是显示存在而已。支撑座固定后具有良好的动平衡控制特性。
两个透射式光栅传感器4监测轴圈3.3的短刻度槽3.3.1，起到测量轴圈3.3角位移或是细化刻度的作用。反射式光栅传感器2监测基准线，起找准基准点的作用。.透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器4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上套上已安装好两个透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2的支撑座1，支撑座1的所述通孔通过螺栓将支撑座固定就位，固定就位后注意两个透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2与轴圈3.3短刻度槽3.3.1和长刻度槽3.3.2是否有相互接触现象，若有接触现象则应调整透射式光栅传感器4或是反射式光栅传感器2的安装位置直至不发生接触现象为止。.
将两个透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2的引出线连接在调理电路盒5的A/D转换器上，两个透射式光栅传感器4用于监测轴圈3.3的短刻度槽3.3.1并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，反射式光栅传感器2用于监测轴圈3.3的长刻度槽3.3.2并起到监测基准作用。注意透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2的测头不能与轴圈3.3有任何的接触现象，实现无摩擦安装，以延长透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2的使用寿命。
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，此时两个透射式光栅传感器4和反射式光栅传感器2将监测到的轴圈3.3角位移信号汇总在在调理电路盒5的A/D转换器上，A/D转换器再将所述角位移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，本发明所述的①-⑤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。
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数控机床或其它精密机械的旋转工作台或是分度盘上。

Claims (1)

1.一种用于提高转台轴承角位移准确度的控制方法，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；其特征是：所述控制方法包括以下两部分内容：
Ⅰ、轴圈(3.3)的结构改进；
Ⅱ、围绕轴圈(3.3)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，先在轴圈非接触面的外径边缘一圈加工出n个间距均相等的短刻度槽(3.3.1)，轴圈接触面是指轴圈与内圈接触的面，所述                                                
Figure 232135DEST_PATH_IMAGE001
，而该公式中所述i=
Figure 12745DEST_PATH_IMAGE002
，所述i只取小数点前的整数，所述D为轴圈(3.3)的外径尺寸mm；以任一短刻度槽为基准并将该短刻度槽沿轴圈外径端面延长制作成基准长刻度槽，以基准长刻度槽为基准沿轴圈外径端面制作23个长刻度槽，这样在轴圈外径端面包括基准长刻度槽在内共形成24个长刻度槽(3.3.2)，与基准长刻度槽左右相邻的两个长刻度槽相对基准长刻度槽与轴圈中点的夹角各为15°，其余每相邻两个长刻度槽与轴圈中点的夹角同为
15°，或是说在360°的轴圈外径端面上每相隔15°设置一个长刻度槽(3.3.2)；
②在轴圈(3.3)上加工出所有短刻度槽(3.3.1)和长刻度槽(3.3.2)后再对轴圈的外径端面和短刻度槽进行镀铬；
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)的外径端面沿其径向设置有三个用于安装传感器的内孔，所述传感器是指两个透射式光栅传感器(4)和一个反射式光栅传感器(2)，其中两个所述内孔对称配置且其中心轴线与轴圈非接触面平齐用于分别安装两个透射式光栅传感器(4)，另一个所述内孔的中心轴线指向轴圈的外径端面且该内孔用于安装反射式光栅传感器(2)，安装两个透射式光栅传感器(4)的所述内孔在同一中心轴线上，而安装两个透射式光栅传感器(4)的所述内孔中心轴线则与安装反射式光栅传感(2)器的所述内孔中心轴线相互平行；
④设置一个调理电路盒(5)，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(3)在机床箱体内安装就位时，在转台轴承(3)上套上已安装好两个透射式光栅传感器(4)和反射式光栅传感器(2)的支撑座(1)，支撑座(1)的所述通孔通过螺栓将支撑座固定就位，固定就位后注意两个透射式光栅传感器(4)和反射式光栅传感器(2)与轴圈(3.3)短刻度槽(3.3.1)和长刻度槽(3.3.2)是否有相互接触现象，若有接触现象则应调整透射式光栅传感器(4)或是反射式光栅传感器(2)的安装位置直至不发生接触现象为止；将两个透射式光栅传感器(4)和反射式光栅传感器(2)的引出线连接在调理电路盒(5)的A/D转换器上，两个透射式光栅传感器(4)用于监测轴圈(3.3)的短刻度槽(3.3.1)并起到监测轴圈角位移的实际偏转量，反射式光栅传感器(2)用于监测轴圈(3.3)的长刻度槽(3.3.2)并起到监测基准作用；
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，此时两个透射式光栅传感器(4)和反射式光栅传感器(2)将监测到的轴圈(3.3)角位移信号汇总在在调理电路盒(5)的A/D转换器上，A/D转换器再将所述角位移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调整或提高转台轴承(3)角位移的准确度。
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