CN112787542A - 一种基于压电陶瓷的精密转台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于压电陶瓷的精密转台及控制方法，包括工作台，所述工作台用于安装待加工或待检测零件，在工作台下方设置有上支撑台、下支撑台和底盘；所述下支撑台安装在上支撑台的下方，并与上支撑台的下端固定连接，所述下支撑台的底部固定安装有底盘；上支撑台安装连接有气浮主轴，气浮主轴包括主轴外壳和安装在主轴外壳内的主轴转子；在下支撑台内设置有用于驱动工作台转动的力矩电机和用于对力矩电机进行定位精度调节的角度调节平台。本装置在不提高现有力矩电机的精度情况下，采用力矩电机和压电陶瓷的复合结构，利用力矩电机实现角度大范围快速粗定位，压电陶瓷机构实现角度精密微调，使转台达到预定或者更高精度快速定位的要求。

Description

一种基于压电陶瓷的精密转台及控制方法

技术领域

本发明属于旋转驱动技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷的精密转台及控制方法。

背景技术

精密转台是主要进行旋转运动且集光机电于一体的设备，在仪器仪表、光学检测、航空和电子等领域都有着重要的应用。转台的定位精度受电机精度、零件加工精度、装配精度、结构设计、角度测量仪器精度等多种因素影响。电机和工作台中间采用齿轮齿条或蜗轮蜗杆等结构会产生反向间隙、运动滞后、振动等缺点；传统直驱式转台定位精度受力矩电机本身精度及内部编码器等因素限制，要达到更高精度，成本会大大提高且十分困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提供一种基于压电陶瓷的精密转台及控制方法，本装置在不提高现有力矩电机的精度情况下，采用力矩电机和压电陶瓷的复合结构，利用力矩电机实现角度大范围快速粗定位，压电陶瓷机构实现角度精密微调，使转台达到预定或者更高精度快速定位要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于压电陶瓷的精密转台，包括工作台，所述工作台用于安装待加工或待检测零件，在工作台下方设置有上支撑台、下支撑台和底盘；所述下支撑台安装在上支撑台的下方，并与上支撑台的下端固定连接，所述下支撑台的底部固定安装有底盘；上支撑台安装连接有气浮主轴，气浮主轴包括主轴外壳和安装在主轴外壳内的主轴转子，其中主轴外壳安装在所述上支撑台内，主轴转子的上端与工作台固定连接；在下支撑台内设置有用于驱动工作台转动的力矩电机和用于对力矩电机进行定位精度调节的角度调节平台。

进一步改进本方案，所述主轴转子两端均设置有测量反馈组件，测量反馈组件包括测量组件Ⅰ和测量组件Ⅱ，其中测量组件Ⅰ设置在主轴转子的上端，测量组件Ⅰ包括上圆光栅和圆周方向分布的四个上读数头；测量组件Ⅱ设置在主轴转子的下端，测量组件Ⅱ包括下圆光栅和圆周方向分布的四个下读数头；测量反馈组件用于对工作台的转动定位精度进行检测和反馈。

进一步改进本方案，所述主轴外壳连接在上支撑台上，在所述主轴外壳的外侧设置有顶部支撑架，顶部支撑架固定安装在所述上支撑台上，在顶部支撑架上端连接有顶板。

进一步改进本方案，所述力矩电机包括电机外壳和电机转子，所述电机转子与电机传动轴固定连接，电机传动轴伸入上支撑台内，并通过弹性联轴器与主轴转子下端连接。

进一步改进本方案，所述底盘中心上端安装有底盘轴，在底盘轴上装有深沟球轴承，深沟球轴承的内圈装在底盘轴上，深沟球轴承的外圈支撑设置有所述角度调节平台。

进一步改进本方案，所述电机传动轴与弹性联轴器通过平键二连接，主轴转子下端与弹性联轴器通过平键一连接。

进一步改进本方案，所述角度调节平台包括压电陶瓷转动盘，压电陶瓷转动盘下端有与深沟球轴承外圈对应的安装孔腔，压电陶瓷转动盘的上端面与电机外壳固定连接，在压电陶瓷转动盘的边缘向外延伸有转动臂。

进一步改进本方案，所述角度调节平台还包括安装在底盘上的角度控制组件，角度控制组件包括相对设置的第一挡块和第二挡块，所述第一挡块和第二挡块均固定在底盘上，第一挡块用于固定压电陶瓷，压电陶瓷的一侧与第一挡块贴合设置，压电陶瓷的另一侧与转动臂接触，第二挡块和该转动臂相邻侧对应形成有一组内孔，压簧的两端分别嵌设在第二挡块和转动臂的内孔中。

本发明还提供一种精密转台的控制方法，具体步骤如下：转动定位步骤：通过外设的运动控制器控制电机转子转动，带动工作台在360°范围内转动，以实现工作台的快速粗定位；测量反馈步骤：通过测量反馈组件用来检测工作台的转动角度，与所要求的预定目标位置进行对比得到反馈信号，并将反馈信号发送给运动控制器，运动控制器获取的反馈信号，经计算机***进行计算得到工作台需要修正的角度；控制调整步骤：根据需要修正的角度控制压电陶瓷伸长或缩短相应尺寸，以带动电机外壳及压电陶瓷转动盘绕底盘轴中心转动调节相应角度，使工作台达到预定目标位置的精确角度定位要求。

有益效果

1、本发明通过创新，改进了精密转台的结构，通过采用力矩电机和压电陶瓷的复合结构，使转台达到预定或者更高精度快速定位要求。具体分析如下：在工作台下方设置有上支撑台和下支撑台及其组件，下支撑台内安装有力矩电机和用于对力矩电机进行微调的角度调节平台；在不提高现有的力矩电机角度定位精度下，电机转子部分实现转台的大范围快速粗定位，压电陶瓷利用压电效应通过压电陶瓷转动盘，驱动电机外壳转动，实现转台的精密微调定位，同时使用高精度测量反馈组件，测量反馈组件的双圆光栅用以对工作台的转动定位精度进行测量反馈。该结构通过控制力矩电机和压电陶瓷配合驱动，使工作台能够快速达到预定或者更高的角度定位精度要求。

2、本发明提供了对精密转台的控制方法，采用宏观调控和微观调控分开控制的方法。宏观调控是指利用运动控制器使力矩电机实现转台在360°大范围内灵活转动；通过双圆光栅用来测量工作台转动角度并与要求目标位置进行对比，得到反馈信号；微观调控是指***将得到的反馈信号经计算后，控制压电陶瓷伸长或缩短相应尺寸，并带动力矩电机及工作台部分在小范围角度内转动，即可使精密转台达到预定角度定位要求。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明精密转台的主视图；

图2为图1中B-B处的剖视图；

图3为本发明精密转台的俯视图；

图4为图2中D-D处的剖视图；

图5为图4中E-E处的剖视图；

图中标记：1、底盘，2、下支撑台，3、上支撑台，4、下读数头，5、顶部支撑架，6、顶板，7、上读数头，8、上圆光栅，9、工作台，10、上读数头，11、主轴转子，12、主轴外壳，13、下圆光栅，14、下读数头，15、平键一，16、弹性联轴器，17、平键二，18、电机传动轴，19、电机转子，20、电机外壳，21、深沟球轴承，22、底盘轴，23、第一挡块，24、压电陶瓷，25、压电陶瓷转动盘，26、压簧，27、第二挡块，28、下读数头，29、下读数头，30、上读数头，31、上读数头。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图所示：本实施例提供一种基于压电陶瓷的精密转台，包括工作台9，所述工作台9上用于安装待加工或待检测零件，在工作台9下方设置有上支撑台3、下支撑台2和底盘1；所述下支撑台2安装在上支撑台3的下方，并与上支撑台3的下端固定连接，所述下支撑台2的底部固定安装有底盘1；上支撑台3、下支撑台2和底盘1通过螺钉进行连接。

上支撑台3连接在下支撑台2上方，上支撑台3上连接有顶部支撑架5和顶板6。上支撑台3上端连接有气浮主轴，气浮主轴包括主轴外壳12和主轴外壳12内的主轴转子11，其中主轴外壳12安装在所述上支撑台3上并通过螺钉固定，主轴外壳12的下端部的外圆面与上支撑台3的内壁形成有间隙；主轴转子11的上端与工作台9固定连接。

所述主轴外壳12的上端与所述上支撑台3连接，在所述主轴外壳12的外侧装有顶部支撑架5，顶部支撑架5通过螺钉固定安装在所述上支撑台3上，在顶部支撑架5上端口通过螺钉连接有顶板6。

主轴转子11上下两端均设置有测量反馈组件，测量反馈组件包括测量组件Ⅰ和测量组件Ⅱ，其中测量组件Ⅰ设置在主轴转子11的上端，测量组件Ⅱ设置在主轴转子11的下端，测量反馈组件用于对工作台9的转动定位精度进行检测和反馈。测量组件Ⅰ包括上圆光栅8和设置在上圆光栅8外部周围的四个上读数头，分别为上读数头7、上读数头10、上读数头30和上读数头31，所述上圆光栅8通过螺钉固定安装在主轴转子11的上端，四个上读数头安装在顶板6上并围绕上圆光栅8均匀分布，所述测量组件Ⅱ包括下圆光栅13和设置在下圆光栅13外部周围的四个下读数头，分别为下读数头4、下读数头14、下读数头28和下读数头29，所述下圆光栅13通过螺钉固定安装在主轴转子11的下端，在所述上支撑台3的圆壁中段与下圆光栅13对应的圆周方向形成有四个均匀分布的安装通孔，在每个安装通孔处均对应安装有一个下读数头，上读数头与下读数头上下位置相对应。测量组件Ⅰ和测量组件Ⅱ可以安装在主轴转子11的上端和下端，也可以间隔地都安装在转子上端或者下端以及其他位置，并不局限于本发明提出的最佳实施例。读数头可以选用一个，或者多个读数头成一定角度在圆周方向分布。

本方案中，测量组件Ⅰ和测量组件Ⅱ均为圆光栅传感器组件，具体地，它包括标尺光栅和指示光栅。标尺光栅，即光栅环，安装在转子上，跟随主轴转子11一起转动；指示光栅固定不动，安装在读数头内。圆光栅利用标尺光栅和指示光栅的莫尔条纹来实现角度的非接触式测量。圆光栅测角***采用在光栅环圆周方向均布安装四个读数头的结构，取四个读数头读数的平均值作为角度测量值，能够有效的减小光栅环安装偏心对测角误差的影响。

下支撑台2和底盘1相连接，下支撑台2内安装有力矩电机和用于对力矩电机进行定位精度调节的角度调节平台。下支撑台2安装在上支撑台3的下方，并与上支撑台3的下端固定连接，底盘1安装在下支撑台2的底部，下支撑台2与底盘1通过螺钉固定连接，力矩电机包括电机外壳20和电机转子19，所述电机转子19与电机传动轴18固定连接，电机传动轴18通过弹性联轴器16与主轴转子11下端连接。所述电机传动轴18与弹性联轴器16通过平键二17连接，主轴转子11下端与弹性联轴器16通过平键一15连接，所述弹性联轴器16位于上支撑台3内部。弹性联轴器16可以允许主轴转子11和电机传动轴18有一定的偏心距，但在圆周方向具有刚性。因气浮主轴在装配时主轴转子11中心轴线同电机传动轴18中心轴线，不可避免的会产生一定的偏心误差，而刚性联轴器只能起到传递扭矩的作用，弹性联轴器由于联轴器中有挠性零件，除传递转矩和运动外，还能起到补偿两联接轴各种不对中误差的作用，故此处选择弹性联轴器16进行连接。

底盘1中心上端安装有底盘轴22，底盘轴22与底盘1通过螺钉连接，在底盘轴22上套装有深沟球轴承21，所述深沟球轴承21的内圈装在底盘轴22上，深沟球轴承21的外圈安装有所述角度调节平台。底盘轴22对深沟球轴承21起安装定位作用，且采用的深沟球轴承21可以同时承受一定的轴向力和径向力。深沟球轴承21用来支撑力矩电机做圆周运动，同时可以承受压电陶瓷转动盘25传递的轴向力和径向力。

角度调节平台包括压电陶瓷转动盘25，所述压电陶瓷转动盘25下端加工有与深沟球轴承21对应的安装孔腔，深沟球轴承21安装在孔腔中，压电陶瓷转动盘25与电机外壳20通过螺钉固定连接，电机转子19上连接有电机传动轴18。电机传动轴18通过弹性联轴器16和主轴转子11进行相连以传递旋转运动。

在压电陶瓷转动盘25的圆周有转动臂。所述角度调节平台还包括设置在底盘1上的角度控制组件，角度控制组件包括相对设置的第一挡块23和第二挡块27，所述第一挡块23和第二挡块27均固定在底盘1上端，所述第一挡块23用于固定压电陶瓷24，压电陶瓷24的一侧与第一挡块23固定连接，压电陶瓷24的另一侧与转动臂接触，第二挡块27和该转动臂相邻侧对应形成有一组内孔，压簧26的两端分别嵌设在第二挡块27和转动臂的内孔中。第一挡块23和第二挡块27呈L形结构，均包括安装臂板和竖直臂板，安装臂板设置在底盘1的安装槽中，第一挡块23的竖直臂板上加工有用于安装压电陶瓷24的卡槽，压电陶瓷24的安装端设置有与卡槽相配合的卡块，两卡块中间加工有螺纹孔，压电陶瓷24的推力侧为球头形，所述第一挡块23的卡槽内有用于固定压电陶瓷24的螺孔，压电陶瓷24安装在卡槽内并用螺钉连接固定，压电陶瓷24的球头凸块与压电陶瓷转动盘25的转动臂接触。在与转动臂对应一侧的压电陶瓷转动盘25边缘上设置有配重块，以使得压电陶瓷转动盘25转动调节中更好保持平衡。本发明所提出的压簧结构可以灵活的根据实际需要变换，如也可以在压电陶瓷一侧安装拉簧，并不局限于方案中所提到的实施例。

压电陶瓷24的二分之一固有行程经压电陶瓷转动盘25转化为角位移时，角位移需大于力矩电机的定位精度，以便于压电陶瓷24能够在限定角度行程内对力矩电机所产生的角位移误差能够方便灵活得进行补偿。压电陶瓷24用于产生推力部分的前端为球头形。根据压电陶瓷4不能承受扭曲变形的特性，压电陶瓷24前端的球形面和压电陶瓷转动盘25的转动臂的平面相互接触，用来传递推力。

如图4所示，压电陶瓷24不加电即为零位时，压簧26所产生的推力应大于深沟球轴承21的摩擦力矩。在刚通电时，压电陶瓷24应向第二挡块27一侧（也即Y方向）走固有行程的正二分之一行程，此时压电陶瓷24和压簧26对力矩电机起到一定的固定作用，电机转子19转动时电机外壳20不会左右转动。力矩电机走完大行程之后，压电陶瓷24可正向或负向伸缩，且通过和压簧26的配合使用，以控制电机外壳20正向或者逆向转动，使转台达到预定或者更高的定位精度要求。电机转子19带动主轴转子11及工作台9部分实现转台大范围快速粗定位，压电陶瓷转动盘25承受压电陶瓷24的推力或压簧26的压力用以对力矩电机部分进行旋转驱动，也即，压电陶瓷24通过电陶瓷转动盘25驱动电机外壳20部分实现转台的精密微调，使转台达到预定位置或者更高定位精度要求。

本方案还提供一种精密转台的控制方法，具体步骤如下，转动定位步骤：通过运动控制器控制电机转子19转动，带动工作台9在360°的范围内转动，以实现工作台9的快速粗定位；测量反馈步骤：通过测量反馈组件用来检测工作台9的转动角度，与所要求的预定目标位置进行对比得到反馈信号，并将反馈信号发送给运动控制器, 运动控制器获取反馈信号，进行计算得到需要修正的角度；控制调整步骤：根据修正角度控制压电陶瓷24伸长或缩短相应尺寸，以带动电机外壳20及压电陶瓷转动盘25绕底盘轴22中心转动调节相应角度，使工作台9达到预定目标位置的精确定位要求。

上述控制方法通过采用粗定位和精密定位分开控制的方法。其中转动定位步骤是指利用运动控制器使力矩电机实现转台在360°大范围内灵活转动；测量反馈组件中，双圆光栅用来测量工作台9转动角度并与要求目标位置进行对比，得到反馈信号，双圆光栅构成反馈环节，用来对工作台9角度位置进行实时在线测量；计算控制步骤是指***将得到的反馈信号经计算后控制压电陶瓷24伸长或缩短相应尺寸，并带动力矩电机及工作台9总体部分在小范围角度内转动，从而修正转台产生的角度定位误差，即可使精密转台达到预定角度位置要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：包括工作台（9），所述工作台（9）用于安装待加工或待检测零件，在工作台（9）下方设置有上支撑台（3）、下支撑台（2）和底盘（1）；所述下支撑台（2）安装在上支撑台（3）的下方，并与上支撑台（3）的下端固定连接，所述下支撑台（2）的底部固定安装有底盘（1）；上支撑台（3）安装连接有气浮主轴，气浮主轴包括主轴外壳（12）和安装在主轴外壳（12）内的主轴转子（11），其中主轴外壳（12）安装在所述上支撑台（3）内，主轴转子（11）的上端与工作台（9）固定连接；在下支撑台（2）内设置有用于驱动工作台（9）转动的力矩电机和用于对力矩电机进行定位精度调节的角度调节平台。

2.如权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述主轴转子（11）两端均设置有测量反馈组件，测量反馈组件包括测量组件Ⅰ和测量组件Ⅱ，其中测量组件Ⅰ设置在主轴转子（11）的上端，测量组件Ⅰ包括上圆光栅（8）和圆周方向分布的四个上读数头（7，10，30，31）；测量组件Ⅱ设置在主轴转子（11）的下端，测量组件Ⅱ包括下圆光栅（13）和圆周方向分布的四个下读数头（4，14，28，29）；测量反馈组件用于对工作台（9）的转动定位精度进行检测和反馈。

3.如权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述主轴外壳（12）连接在上支撑台（3)上，在所述主轴外壳（12）的外侧设置有顶部支撑架（5），顶部支撑架（5）固定安装在所述上支撑台（3）上，在顶部支撑架（5）上端连接有顶板（6）。

4.如权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述力矩电机包括电机外壳（20）和电机转子（19），所述电机转子（19）与电机传动轴（18）固定连接，电机传动轴（18）伸入上支撑台（3）内，并通过弹性联轴器（16）与主轴转子（11）下端连接。

5.如权利要求4所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述底盘（1）中心上端安装有底盘轴（22），在底盘轴（22）上装有深沟球轴承（21），深沟球轴承（21）的内圈装在底盘轴（22）上，深沟球轴承（21）的外圈支撑设置有所述角度调节平台。

6.如权利要求4所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述电机传动轴（18）与弹性联轴器（16）通过平键二（17）连接，主轴转子（11）下端与弹性联轴器（16）通过平键一（15）连接。

7.如权利要求5所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述角度调节平台包括压电陶瓷转动盘（25），压电陶瓷转动盘（25）下端有与深沟球轴承（21）外圈对应的安装孔腔，压电陶瓷转动盘（25）的上端面与电机外壳（20）固定连接，在压电陶瓷转动盘（25）的边缘向外延伸有转动臂。

8.如权利要求7所述的一种基于压电陶瓷的精密转台，其特征在于：所述角度调节平台还包括安装在底盘（1）上的角度控制组件，角度控制组件包括相对设置的第一挡块（23）和第二挡块（27），所述第一挡块（23）和第二挡块（27）均固定在底盘（1）上，第一挡块（23）用于固定压电陶瓷（24），压电陶瓷（24）的一侧与第一挡块（23）贴合设置，压电陶瓷（24）的另一侧与转动臂接触，第二挡块（27）和该转动臂相邻侧对应形成有一组内孔，压簧（26）的两端分别嵌设在第二挡块（27）和转动臂的内孔中。

9.一种精密转台的控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

转动定位步骤：通过外设的运动控制器控制电机转子（19）转动，带动工作台（9）在360°范围内转动，以实现工作台（9）的快速粗定位；

测量反馈步骤：通过测量反馈组件用来检测工作台（9）的转动角度，与所要求的预定目标位置进行对比得到反馈信号，并将反馈信号发送给运动控制器，运动控制器获取的反馈信号，经计算机***进行计算得到工作台（9）需要修正的角度；

控制调整步骤：根据需要修正的角度控制压电陶瓷（24）伸长或缩短相应尺寸，以带动电机外壳（20）及压电陶瓷转动盘（25）绕底盘轴（22）中心转动调节相应角度，使工作台（9）达到预定目标位置的精确角度定位要求。

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