一種迴轉臺的角位移測控裝置的製作方法

2023-12-11 23:20:37 1

專利名稱：一種迴轉臺的角位移測控裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密迴轉臺，具體地說是一種迴轉臺的角位移測控裝置。
背景技術：
目前，精密迴轉臺主要用於高精度旋轉和控制的領域，例如；數控工具機及數控加工 中心轉臺、坦克炮塔、雷達旋轉臺、手術旋轉臺、電子元部件焊接轉臺等，這些類型的設備均 要求較高的傳動精度，並配合高精度的軸承來完成每一個動作，因此，在實際操作中，由於 傳動部件因疲勞磨損後，其精度將會逐漸降低，操作誤差逐漸加大，由此帶來嚴重後果，為 此，人們所想到的採用傳感器之類的元件與該設備中受力的旋轉部件結合在一起，檢測其 上的震動、轉速、溫度等參數，來分析內部傳動件的工作狀態(例如磨損程度)，例如中國 專利一種傳感器軸承，申請號為200910100833. 4，其介紹了一種利用霍爾傳感器和多極 磁環來檢測軸承轉速和轉動方向的傳感器軸承結構，此種方法解決的僅是單項問題，僅能 檢測分析得知部件是否處於正常工作狀態，無法從根本上解決其旋轉角位移精度不高的問 題，如何設計一個閉環控制角位移測量系統，在保證傳動件工作精度的同時，並對其實時測 量監控、並反饋則是一直有待解決的難題。

發明內容
本發明的目的旨在解決上述技術問題的不足，提供一種迴轉臺的角位移測控裝 置，其旋轉精度高，安裝靈活方便，並且在旋轉工作過程中可實時測量，並將角位移信號反 饋給控制系統，實現了閉環控制。本發明為解決上述技術問題，所採用的技術方案是一種迴轉臺的角位移測控裝 置，包括迴轉臺的臺板、迴轉臺的支承座、軸承單元、控制系統、驅動裝置和固定架，驅動裝 置的動作通過控制系統的信號控制，在臺板與支承座之間設有軸承單元，固定架繞軸承單 元的外壁或內壁一周設置在支承座上，在軸承單元的動圈的內壁或外壁上設有磁柵尺，相 對磁柵尺的固定架上至少設有一個傳感器，傳感器的信號輸出端接入控制系統。所述的磁柵尺為一個圓周體，由固定圈、磁性材料和金屬保護面層組成，固定圈設 置在軸承單元中動圈的內壁或外壁表面，磁性材料設置在固定圈與金屬保護面層之間。所述的磁性材料，具有N、S極交替設置的磁化表面。所述的傳感器與磁柵尺之間的間隙為0. lmm-lmm。根據要求精度的變化及工作場 合的不同，間隙還可以放大，最大可以到10mm。所述的傳感器包括一個高度集成的霍爾晶片及一個外殼，霍爾晶片封裝在外殼 內，該霍爾晶片內集成有霍爾元件及信號處理電路。本發明的有益效果是1、在迴轉臺上設置測量裝置，並結合控制系統形成一個全新的帶角度控制與測量 的高精度迴轉軸承單元，通過在軸承本體上設置磁柵尺，並結合傳感器對軸承實時測量監 控，並將角位移信號反饋給控制系統，從而提高了精密迴轉臺的工作精度。
2、當採用兩個或兩個以上的傳感器分布在軸承圓周時，可有效防止由於加工力使得軸承滾道系統產生撓度對測量產生的影響，傳感器實時測量將信號傳輸給外部控制系 統，有效提高測量精度。3、本發明中所述的磁柵尺採用三層結構，其基體為鋼質固定層，在其鋼質基體上 面塗敷一層的磁性材料層，在其最外層還粘結一層不鏽鋼覆蓋條，從而對磁性表面進行保 護，使得本發明對環境要求不高(灰塵、鐵屑和溼度都要求不敏感)、非接觸的讀磁方式(間 隙0. 1 Imm以上)保證了其永不磨損的長壽命其次鋼製固定層直接與軸承表面相配合， 安裝方便，無需輔助結構，靈活方便。4、在傳感器內置加信號處理電路，在旋轉過程中，由磁通量產生變化在霍爾元件 內產生電壓信號，電壓信號傳輸給信號處理電路，根據整個磁柵尺上所設置的磁極對數，經 信號處理電路計算成帶有角位移的數位訊號反饋給控制系統，控制系統通過反饋值與給定 值進行比較，對產生的偏差量通過驅動裝置進行補償，形成閉環控制，從而達到了精密角位 移測量、控制的目的。而且該傳感器輸出的角位移信號可選擇正餘弦信號或TTL脈衝信號， 可與國內外各種數控系統相配。


圖1是本發明結構示意圖。圖2是本發明中軸承單元與測量裝置結合的第一種實施方式的剖視圖。圖3是本發明中軸承單元與測量裝置結合的第二種實施方式的剖視圖。圖中標記1、臺板，2、支承座，3、軸承單元，4、控制系統，5、驅動裝置，6、測量裝置， 7、磁柵尺，8、傳感器，9、動圈，10、靜圈，11、滾動體，12、固定架。
具體實施例方式如圖1、圖2和圖3所示，一種迴轉臺的角位移測控裝置，包括迴轉臺的臺板1、回 轉臺的支承座2、軸承單元3、控制系統4、驅動裝置5和測量裝置6，所述的測量裝置6由磁 柵尺7和傳感器8構成，驅動裝置5的動作通過控制系統4的信號控制，在臺板1與支承座 2之間設有軸承單元3，固定架12繞軸承單元3的外壁或內壁設置在支承座2上，在軸承單 元3的動圈9的內壁或外壁上設有磁柵尺7，相對磁柵尺7的固定架12上至少設有一個傳 感器8，傳感器8的信號輸出端接入控制系統4。本發明，磁柵尺7有兩種設置方式一種直接呈環狀設置在動圈9的外徑表面和內 徑表面；另一種是呈環狀設置在臺板1的圓周面上，對應磁柵尺7設有傳感器8，傳感器8設 在固定架12上，固定架12通過螺栓或其它方式與支承座2連接。本發明，所述的動圈為軸承單元中與臺板所連接的部件，即為在工作過程中伴隨 臺板做旋轉運動部件；所述的靜圈為軸承中與支承座所連接的部件，即為在工作過程中相 對靜止的部件。圖2為一種外置傳感器的結構，根據應用的場合和要求精度的不同，可以採用單 傳感器、雙傳感器、四個或更多傳感器布置，當要求精度略低時，可採用單個傳感器即可，當 設備要求高精密角位移測量時，可採用雙傳感器或者更多，採用雙傳感器器時須將其相對 設置在固定架上，可提高測量精度。
如圖3所示，其為一種內置傳感器結構，當傳感器安裝受空間限制時，可採用此種 結構。本發明中所述的磁柵尺7，其基體為鋼質層，可選用不鏽鋼鋼帶，在其鋼質基體上 面塗敷一層的磁性材料層，在其最外層還粘結一層不鏽鋼覆蓋條，從而對磁性表面進行保 護。磁柵尺的鋼質基體可以與軸承的動圈外徑表面配合安裝，此時構成外置傳感器結構；當 磁柵尺的鋼質基體與軸承的動圈內徑表面直接配合安裝時，構成內置傳感器結構，安裝時 可在鋼質基體上塗敷有一層高強度膠質層直接與軸承配合表面牢固粘接，保證長久使用不 脫離。本發明中所述的磁柵尺，其上的磁性材料層具有N、S極交替設置的磁化表面，且 其上的N、S極等間距分布，根據設備需要的控制精度來設置磁極對的數量，要求精度越高， 設置磁極對的數量應越多。本發明，所述的傳感器與磁柵尺之間的間隙為0. lmm-lmm，設備要求角位移測量的 精度越高，其間隙應越小。根據要求精度的變化及工作場合的不同，間隙還可以放大，最大 可以到10mm。本發明，所述的傳感器8包括一個高度集成的霍爾晶片及一個外殼，所述的霍爾 晶片封裝在外殼內，所述的傳感器設有一個外殼，外殼可採用PVC材質或鋅壓鑄件，保護等 級高達IP67，抗幹擾等級符合IEC801國際標準3級。在外殼內設有霍爾晶片，該霍爾晶片 內集成有兩個霍爾元件及信號處理電路，信號處理電路主要由微分電路和積分電路構成， 旋轉過程中，霍爾元件感應磁通量變化而產生電壓信號，電壓信號傳輸給信號處理電路，根 據整個磁柵尺上所設置的磁極對數，在信號處理電路內轉換呈帶有角位移的數位訊號並經 內部電路累計計算成旋轉角度值，反饋給控制系統，控制系統便可得知其實際旋轉角度值 與設定運轉角度值的偏差量，進行修正，重新調整設備參數，從而達到了精密角位移測量、 控制的目的。由於整個環狀磁柵尺上均勻設置多個磁極對，設置磁極對的數量根據所要求的精 度來確定，設備要求精度越高時，應需設置的磁極對越密，霍爾元件感應磁通量變化而產生 電壓信號，根據整個磁柵尺上所設置的磁極對數，每一個信號可換算成一個事先確定的角 位移，以原始角位置為基準點，可經信號處理電路內累計計算成角度增量，其後反饋給控制 系統。操作方法為CNC設定工作檯板旋轉15°時，運動停止後，測量系統反饋給CNC的 數據為14.5°，則CNC重新調整參數，實施修正偏差量，從而實現了閉環控制的目的。本發明，所述的軸承須選用高精度軸承，只有配合在高精度軸承上才能實現精密 角位移測量，可以選用組合滾子軸承、交叉圓柱滾子軸承或交叉圓錐滾子軸承的任意一種。本發明，其閉環控制的工作原理為工作檯板在旋轉過程中，軸承的動圈同時同步 旋轉，因此其上的磁柵尺產生磁力線，霍爾元件感應磁通量變化產生電壓信號，並將電壓信 號傳輸給信號處理電路，在其內通過轉換呈角位移信號並累加，而後輸入至控制系統，控制 系統通過反饋值與給定值進行比較，對產生的偏差量通過驅動裝置進行補償，形成閉環控 制，達到精確控制角位移的目的。 本發明中所述的傳感器可成對設置，分別相對設置在軸承的圓周，防止由於加工 力使得軸承滾道系統產生撓度，會影響到測量結果，因此採用兩個或兩個以上的傳感器相對安裝可有效提高測量精度。本發明將迴轉單元和測量裝置呈整體結構設計，並經傳感器內的信號處理電路處 理後，帶有角位移的數位訊號直接反饋給控制系統，因此可廣泛用於量大面廣的數控工具機， 以其精密轉臺作為軸承單元載體進行研究試驗，在獲得成果後，將推廣應用於需要精密角 度位移控制和測量的其它機械或器械，如精密加工中心、坦克炮塔、雷達旋轉臺、手術旋轉 臺、電子元部件焊接轉臺等。本發明具有對環境要求不高(灰塵、鐵屑和溼度都要求不敏感)、非接觸的讀磁方 式保證了其永不磨損的長壽命；此外通過高解析度傳感器採集磁信號(解析度最高可以達 到0. OOlmm)，並在內部處理轉換成數位訊號後輸入控制系統，從而實現對工作檯板角位移 精度的精確控制，其角位移精度可以達到士3"，隨著磁柵尺上設置磁極對數的增加，精度 甚至可達士 1.5〃以上。本發明當使用在環境條件相對較好時，例如灰塵、溼度和溫度等均 達到要求，可將 光柵代替磁柵尺，只需更換對應傳感器，同樣達到閉環控制的目的，而且精密度可達到更
尚ο
權利要求
一種迴轉臺的角位移測控裝置，包括迴轉臺的臺板(1)、迴轉臺的支承座(2)、軸承單元(3)、控制系統(4)、驅動裝置(5)和固定架(12)，驅動裝置(5)的動作通過控制系統(4)的信號控制，其特徵在於在臺板(1)與支承座(2)之間設有軸承單元(3)，固定架(12)繞軸承單元(3)的外壁或內壁一周設置在支承座(2)上，在軸承單元(3)的動圈(9)的內壁或外壁上設有磁柵尺(7)，相對磁柵尺(7)的固定架(12)上至少設有一個傳感器(8)，傳感器(8)的信號輸出端接入控制系統(4)。
2.如權利要求1所述的一種迴轉臺的角位移測控裝置，其特徵在於所述的磁柵尺(7) 為一個圓周體，由固定圈、磁性材料和金屬保護面層組成，固定圈設置在軸承單元(3)中動 圈(9)的內壁或外壁表面，磁性材料設置在固定圈與金屬保護面層之間。
3.如權利要求2所述的一種迴轉臺的角位移測控裝置，其特徵在於所述的磁性材料， 具有N、S極交替設置的磁化表面。
4.如權利要求1所述的一種迴轉臺的角位移測控裝置，其特徵在於所述的傳感器(8) 與磁柵尺(7)之間的間隙為0. lmm-lmm。
5.如權利要求1所述的一種迴轉臺的角位移測控裝置，其特徵在於所述的傳感器(8) 包括一個高度集成的霍爾晶片及一個外殼，霍爾晶片封裝在外殼內，該霍爾晶片內集成有 霍爾元件及信號處理電路。
全文摘要
一種迴轉臺的角位移測控裝置，包括迴轉臺的臺板、迴轉臺的支承座、軸承單元、控制系統、驅動裝置和固定架，驅動裝置的動作通過控制系統的信號控制，在臺板與支承座之間設有軸承單元，固定架繞軸承單元的外壁或內壁設置在支承座上，在軸承單元的動圈的內壁或外壁上設有磁柵尺，相對磁柵尺的固定架上至少設有一個傳感器，傳感器的信號輸出端接入控制系統。本發明在迴轉臺上設置測量裝置，並結合控制系統形成一個全新的帶角度控制與測量的高精度迴轉軸承單元，通過在軸承本體上設置磁柵尺，並結合傳感器對軸承實時測量監控，並將角位移信號反饋給控制系統，從而提高了精密迴轉臺的工作精度。
文檔編號G05B19/401GK101819421SQ20101015843
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者李培培, 梅建洛, 王迪, 陳紹剛 申請人:洛陽世必愛特種軸承有限公司