[发明专利]超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压复合控制装置及方法

说明书

本发明公开了超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压复合控制装置及方法，包括主轴、超声悬浮轴承、超声悬浮轴承保持架、激光位移传感器、激光测位控制器、电控位移台、步进电机、信号发生器、功率放大器及工控机；所述超声悬浮轴承固定在超声悬浮轴承保持架上，所述超声轴承保持架固定在电控位移台上；所述超声悬浮轴承与功率放大器通过电缆相连；所述功率放大器与信号发生器通过电缆相连；所述信号发生器与工控机通过电缆相连；所述激光位移传感器与激光测位控制器相连；所述激光测位控制器与工控机通过电缆相连。本发明可主动控制超声悬浮轴承电压和气膜厚度，使轴承处于最佳工作状态，提高主轴转子回转误差控制效果。

技术领域

本发明涉及超声悬浮轴承技术领域，具体涉及超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压复合控制装置及方法。

背景技术

超声悬浮轴承是一种采用超声悬浮技术的新型非接触式轴承，其原理为利用压电材料高频振动下产生的辐射力使物体悬浮。当振动频率达到16kHz以上，同时悬浮高度足够小时，符合近场超声原理，此时的辐射力为近场超声悬浮力(简称超声悬浮力)，基于该技术的轴承为近场超声悬浮轴承(简称超声悬浮轴承)。这种技术具备结构简单、悬浮力和驱动力调整范围大、对被操作物体没有附加效应等优点。

目前已有将超声悬浮轴承应用于主轴领域以提高主轴转子回转精度的研究，但实际应用中超声悬浮力受气膜厚度和电压(此处电压为超声悬浮轴承压电材料的输入电压)的综合影响，当转子发生倾斜或偏心的时候，超声轴承最佳工作参数也相应发生改变，单一的工作参数组合已无法让超声悬浮轴承实现最佳的误差控制效果，因此如何保证超声悬浮轴承始终处于最佳工作参数下，成为了提高主轴转子回转误差控制效果的关键。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压复合控制装置及方法，实现了超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压的自动调节，保证超声悬浮轴承处于最佳工作状态。

本发明的技术方案如下：

超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压复合控制装置，包括主轴、超声悬浮轴承、超声悬浮轴承保持架、激光位移传感器、激光测位控制器、电控位移台、步进电机、信号发生器、功率放大器及工控机；

所述超声悬浮轴承固定在超声悬浮轴承保持架上，所述超声轴承保持架固定在电控位移台上；所述超声悬浮轴承与功率放大器通过电缆相连；所述功率放大器与信号发生器通过电缆相连；所述信号发生器与工控机通过电缆相连；

所述激光位移传感器与激光测位控制器相连；所述激光测位控制器与工控机通过电缆相连。

进一步的，所述激光位移传感器设有两路，两路激光位移传感器垂直放置，并指向主轴转子轴端。

进一步的，所述电控位移台设有X、Y两路，两路电控位移台分别由步进电机控制，所述步进电机与工控机通过电缆相连。

超声悬浮轴承气膜厚度与输入电压复合控制方法，包括如下步骤：

1)启动主轴，使主轴转子处于运动状态；

2)信号发生器输出高频信号，经功率放大器放大电压，使超声悬浮轴承产生高频振动，对主轴转子回转误差进行控制；

3)采用两路激光位移传感器，每隔一时间间隔即时间步ΔT，测量主轴转子高速运动情况下的径向位移S，测量时间间隔为0.1ms，Sⁿ(n＝1,2,3...)即为不同时间步下测得的位移信号，并将位移信号转化为数字信号输入工控机；

4)工控机对收集到的信号进行处理，得到转子运动轨迹，比较上一时间步径向位移S^n-1与这一时间步径向位移Sⁿ的差值，并输出电压控制信号和电控位移台的控制信号；因超声悬浮作用能有效抑制转子的回转误差，其中就包括偏心误差，因此通过两路传感器所测相邻时间步径向位移的差值即可判断转子在声悬浮下的位移方向，从而控制电压和轴承气膜厚度。