CN108873741A - 一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统。该系统设有一个空气静压导轨系统、四个位移传感器、八个压电致动器、一个数据采集器、一个驱动器和一台计算机；所述四个电容传感器用保持架固定于溜板底面处，八个压电致动器安装在溜板主体上，与止推轴承动轴承直接接触，位移传感器与数据采集器连接，数据采集器将位移传感器采集的参数信号输入至计算机，由计算机的软件控制驱动器工作，对压电致动器驱动，从而控制动轴承运动。电涡流传感器对于高频动态的振动信号有着优越的反应特性，可以在导轨的工作状态精确测量。压电致动器输出位移具备极高的分辨率，压电致动器配备精密定位模糊控制系统，提高了控制系统的反应时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对空气静压导轨振动的主动控制系统，尤其是涉及一种针对空气静压导轨止推轴承垂向振动的主动控制系统。
背景技术
在精密与超精密加工过程中，空气静压导轨系统中溜板的运行状态在极大程度上影响着其加工精度，止推轴承在工作过程中强烈的振动导致进给精度的严重降低，对加工工件质量造成不利影响。因此，对导轨溜板止推轴承振动位移检测，进而控制止推轴承的振动能从根本上补偿导轨垂向振动，对提高空气静压导轨系统稳定性及加工质量有着重大意义。
在静压导轨控制方法中，由于压电致动器分辨率高、输出力大、响应速度快，在精密定位、微细加工等方面得到广泛的应用，对于压电致动器的研究也较为广泛，诸如前馈控制、基于PID的控制、神经网络的控制。但是应用于静压导轨垂向振动控制的研究尚未完善。因此，静压导轨止推动轴承的控制补偿控制对于提高导轨系统加工精度至关重要。
发明内容
本发明的目的针对静压导轨加工过程中导轨垂向振动，提供一种对静压导轨止推动轴承在线实时检测及控制系统，实现在静压导轨工作过程中垂向超幅度振动的精确检测及控制，同时达到提高加工质量和为静压导轨工作性能提高提供参考依据。
本发明采用的技术方案为一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统，该系统设有一个空气静压导轨系统、四个位移传感器、八个压电致动器、一个数据采集器、一个驱动器和一台计算机；所述四个电容传感器用保持架固定于溜板底面处，八个压电致动器安装在溜板主体上，与止推轴承动轴承直接接触，位移传感器与数据采集器连接，数据采集器将位移传感器采集的参数信号输入至计算机，由计算机的软件控制驱动器工作，对压电致动器驱动，从而控制动轴承运动。
本发明所述位移传感器是一种可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高适用于高频动态测量的电涡流位移传感器，可以实时检测导轨垂向振动位移。
本发明所述压电致动器及驱动采用模糊控制系统，稳态误差控制在亚微米，具有更小的调节时间和超调量。更能精确的控制动轴承的弹性变形，从而改变止推板的振动位移，可以实时控制止推板的垂向位移。
所述计算机及软件具有快速位移辨识和精确控制功能。
本发明具有以下突出优点：
1)结构简单。控制系统采用简单的闭环控制系统，避免了针对静压导轨系统设计复杂机械传动结构的弊端。
2)通用性好。此系统不仅适用于静压导轨，对于普遍的数控机床导轨及需补偿的器件都有很高的通用价值。
3)实时在线检测及控制功能。电涡流传感器对于高频动态的振动信号有着优越的反应特性，可以在导轨的工作状态精确测量，压电致动器及驱动控制对导轨动轴承的实时控制功能是控制系统至关重要的环节。
4)精度高，稳定性好。压电致动器输出位移具备极高的分辨率，压电致动器配备精密定位模糊控制系统，提高了控制系统的反应时间，有着更优异的超调时间和超调量，使整个系统具备了更稳定的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中静压导轨控制系统整体结构示意图。
图2为本发明实施例中静压导轨整体结构左视图。
图3为静压导轨止推轴承变形局部放大图。
图中：1步进电机、2侧板、3溜板、4螺母、5压电致动器、6节流孔和气腔、7气膜、8滚珠丝杠、9导轨、10电涡流传感器、11底板、12气道、13止推轴承动轴承初始位置、14锥形气膜、15止推轴承动轴承变形位置。
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，本发明实施例设有静压导轨止推轴承控制系统。一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统，该系统包括步进电机1、侧板2、溜板3、螺母4、压电致动器5、节流孔和气腔6、气膜7、滚珠丝杠8、导轨9和电涡流传感器10，步进电机1由螺栓安装在侧板2上，带动滚珠丝杠8转动，滚珠丝杠8通过螺纹副与螺母4连接，螺母4和溜板3由定位螺栓连接，步进电机1的扭转运动转化成溜板3沿着导轨9的直线往复运动，而溜板3与导轨9之间有一层厚度在微米级的气膜7，该气膜的是经过空气压缩机压缩到节流孔和气腔6，形成具有一定压力的支撑气流层，止推轴承的气膜7用以承载导轨8做“零摩擦”运动，置于溜板3底端的电涡流传感器10由保持架安装，对溜板3垂直方向的位移进行实时检测，由数据采集器采集位移信号，经过计算机中的软件运算处理，对压电控制器5驱动，使压电控制器5变形，推动动轴承变形，补偿溜板3的垂直方向振动。
参见图2，静压导轨整体结构左视图。在溜板3主体分布着气道12，气体由气道进入节流孔和气腔6，溜板和导轨的表面由气膜7支撑。
参见图3，为止推轴承变形局部放大图。其工作过程具体步骤如下：溜板3和空气止推轴承动轴承初始位置13，步进电机1在带动滚珠丝杠8转动过程中，由于外载荷的激励，会使溜板3发生垂向的振动，假设溜板3发生向下的垂向窜动，溜板3和止推轴承动轴承变形到位置15，电涡流传感器10检测到溜板3垂向位移变化，信号采集器对信号进行辨识，经计算机处理发出驱动信号，使压电致动器5变形，推动止推轴承动轴承变形，挤压锥形气膜14变薄，改变气膜7承载力，推动溜板3和止推轴承动轴承返回到原来的位置，从而实现对溜板3的补偿控制，减小溜板3垂向窜动位移，使其运行更加平稳。
Claims (3)
1.一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统，其特征在于：该系统包括步进电机(1)、侧板(2)、溜板(3)、螺母(4)、压电致动器(5)、节流孔和气腔(6)、气膜(7)、滚珠丝杠(8)、导轨(9)和电涡流传感器(10)，步进电机(1)由螺栓安装在侧板(2)上，带动滚珠丝杠(8)转动，滚珠丝杠(8)通过螺纹副与螺母(4)连接，螺母(4)和溜板(3)由定位螺栓连接，步进电机(1)的扭转运动转化成溜板(3)沿着导轨(9)的直线往复运动，而溜板(3)与导轨(9)之间有一层厚度在微米级的气膜(7)，该气膜的是经过空气压缩机压缩到节流孔和气腔(6)，形成具有一定压力的支撑气流层，止推轴承的气膜(7)用以承载导轨(9)做“零摩擦”运动，置于溜板(3)底端的电涡流传感器(10)由保持架安装，对溜板(3)垂直方向的位移进行实时检测，由数据采集器采集位移信号，经过计算机中的软件运算处理，对压电致动器(5)驱动，使压电致动器(5)变形，推动动轴承变形，补偿溜板(3)的垂直方向振动。
2.根据权利要求1所述的一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统，其特征在于：静压导轨整体结构中；在溜板(3)主体分布着气道(12)，气体由气道进入节流孔和气腔(6)，溜板和导轨的表面由气膜(7)支撑。
3.根据权利要求1所述的一种针对空气静压导轨止推轴承振动的主动控制系统，其特征在于：止推轴承变形工作过程具体步骤如下：溜板(3)和空气止推轴承动轴承初始位置(13)，步进电机(1)在带动滚珠丝杠(8)转动过程中，由于外载荷的激励，会使溜板(3)发生垂向的振动，假设溜板(3)发生向下的垂向窜动，溜板(3)和止推轴承动轴承变形到位置(15)，电涡流传感器(10)检测到溜板(3)垂向位移变化，信号采集器对信号进行辨识，经计算机处理发出驱动信号，使压电致动器(5)变形，推动止推轴承动轴承变形，挤压锥形气膜(14)变薄，改变气膜(7)承载力，推动溜板(3)和止推轴承动轴承返回到原来的位置，从而实现对溜板(3)的补偿控制，减小溜板(3)垂向窜动位移，使其运行更加平稳。
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