CN100565408C - 定位设备、用于补偿重力的重力补偿装置和方法 - Google Patents
定位设备、用于补偿重力的重力补偿装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及定位设备。该定位设备包括至少一个位置传感器、至少一个位置控制器和至少一个位置传动器,其中每个位置传感器测量位置受控装置的位置,其中每个位置控制器使用由每个位置传感器提供的测量信号作为输入信号,以及其中由每个位置控制器生成的输出信号被每个位置传动器使用来控制所述位置受控装置的位置。定位设备还包括重力补偿装置以补偿作用在所述位置受控装置上的重力,其中重力补偿装置包括至少一个重力补偿控制器和至少一个重力补偿传动器,其中每个重力补偿控制器使用由每个位置控制器生成的输出信号作为输入信号,由此生成输出信号以便由每个重力补偿传动器用来补偿作用在所述位置受控装置上的重力。
Description
技术领域
本发明涉及用于位置受控装置的定位设备,它包括用于补偿作用在所述位置受控装置上的重力的重力补偿装置。此外,本发明涉及用于补偿重力的重力补偿装置和方法。
背景技术
对于定位设备,特别是对于例如在测量机械、制造机械、检取与放置机器、或机器人中使用的高精度运动系统来说,对作用在位置受控装置上的重力进行补偿是重要的。通过使用重力补偿装置对重力进行补偿,可保证位置传动器所需要的力和热耗散保持在低水平。
在大多数应用中使用了位置传动器。如上所述,重力补偿装置的使用使得由位置传动器生成的力尽可能保持在最小。位置传动器的尺寸取决于最大和平均所需的力。如果可以减小所需的力,就可以减小位置传动器的尺寸和重量。另外,位置传动器的热耗散可最小化,因为热耗散直接与所生成的力有关。
从现有技术已知的重力补偿装置利用气缸或永磁体或力学弹簧来补偿重力。气缸的使用具有缺点:需要空气供应,导致复杂的和昂贵的解决方案。力学弹簧对于负荷变化很敏感。使用永磁体的缺点是重量大和对负荷变化与长冲程运动敏感。
发明内容
本发明提供一种特别适用于测量机械、制造机械等等的定位设备,它包括至少一个位置传感器、至少一个位置控制器和至少一个位置传动器,其中该位置传感器测量位置受控装置的位置,其中该位置控制器使用由所述位置传感器提供的测量信号作为输入信号,以及其中由该位置控制器生成的也称作操纵变量的输出信号被该位置传动器使用来控制所述位置受控装置的位置,该定位设备还包括重力补偿装置,用于补偿作用在该位置受控装置上的重力,其中,重力补偿装置包括两个重力补偿控制器和至少一个重力补偿传动器,其中第一重力补偿控制器使用由该位置控制器生成的输出信号作为也称作受控变量的输入信号,其中第二重力补偿控制器使用由第一重力补偿控制器生成的输出信号作为输入信号,其中来自所述第二重力补偿控制器的输出信号用来控制重力补偿传动器,以提供恒定的弹簧张力并补偿作用在所述位置受控装置上的重力,其中该恒定的弹簧张力等于该重力。
本发明比起现有技术具有几个优点。与气缸不相似,本发明不需要任何空气供应。本发明提供更便宜和更紧凑的解决方案。与使用力学弹簧的现有技术相比较,本发明对于负荷变化不太敏感,并且在位置受控装置与它的环境之间有相对运动的情形下,引入较小的扰动力。与使用永磁体的现有技术相比较,本发明更轻便和更便宜,并且对于负荷变化不太敏感。本发明的解决方案适用于长冲程和可变负荷的情形。
按照本发明的优选实施例,重力补偿传动器包括弹簧装置、弦线(string)装置、滑轮装置和电动机装置。弹簧装置的第一末端连接到位置受控装置上,而它的第二末端连接到弦线装置。弦线装置被缠绕在滑轮上,由此滑轮被电动机装置驱动,以及由此电动机装置由重力补偿控制器生成的输出信号所控制。滑轮装置被电动机装置驱动以使弹簧装置中的张力保持恒定,并且等于作用在所述位置受控装置上的重力。
按照本发明的另一个经改进的优选实施例,重力补偿装置包括两个重力补偿控制器,其中第一重力补偿控制器使用由位置控制器生成的输出信号作为输入信号,其中第二重力补偿控制器使用由第一重力补偿控制器生成的输出信号作为输入信号,以及其中所述第二重力补偿控制器的输出信号用来控制重力补偿传动器。由第一重力补偿控制器生成的输出信号与所述位置控制器的位置设置点信号相加,由此最终得到的信号用作为所述第二重力补偿控制器的设置点。第二重力补偿控制器使用电动机位置传感器的测量信号作为输入信号,由此所述电动机位置传感器测量所述重力补偿传动器的电动机装置的位置。
本发明还提供用于对作用在位置受控装置上的重力进行补偿的重力补偿装置,其中所述位置受控装置的位置由至少一个位置传感器测量,并由至少一个位置控制器控制,重力补偿装置包括至少一个重力补偿控制器和至少一个重力补偿传动器,由此该或每个重力补偿控制器使用由每个位置控制器生成的输出信号作为输入信号,从而生成输出信号供该或每个重力补偿传动器使用以补偿作用在所述位置受控装置上的重力。
另外,本发明提供用于补偿重力的方法。
附图说明
图1显示按照本发明的第一优选实施例的定位设备的框图;
图2显示按照本发明的第二优选实施例的定位设备的框图;
图3显示3轴定位级的截面侧视图;
图4显示3轴定位级的截面底视图;
图5显示按照图4的3轴定位级的截面侧视图;
图6显示利用按照本发明的实施例的另一个3轴定位级的截面底视图;以及
图7显示按照图6的3轴定位级的截面侧视图。
具体实施方式
图1显示按照本发明的第一优选实施例的定位设备10。定位设备10控制位置受控装置11的位置。位置受控装置11的位置由位置传感器12进行测量,由此由位置传感器12提供的测量信号被传送到位置控制器13作为输入信号或所谓的受控变量。作为由位置传感器12提供的测量信号和位置受控装置11对位置的设置点的函数,位置控制器13生成输出信号或所谓的操纵变量作为位置传动器14的输入信号。位置传动器14被设计为直接驱动的电动机。
定位设备10还包括重力补偿装置或重力补偿设备15,用于补偿作用在位置受控装置11上的重力。按照本发明,图1所示的定位设备10的重力补偿装置包括重力补偿控制器16和重力补偿传动器17。重力补偿控制器16使用由位置控制器13生成的输出信号作为输入信号或所谓的受控变量。重力补偿控制器16生成作为位置控制器13的输出信号的函数的输出信号。重力补偿控制器16的输出信号被重力补偿传动器17用来补偿作用在位置受控装置11上的重力。
重力补偿传动器17包括弹簧装置18、弦线装置19、滑轮装置20和电动机装置21。弹簧装置18用它的第一末端连接到位置受控装置11,并用它的第二末端连接到弦线装置19。弦线装置19被缠绕在滑轮装置20上。滑轮装置20由电动机装置21驱动,由此传动齿轮22位于滑轮装置20与电动机装置21之间。在图1所示的实施例中,由重力补偿控制器16生成的输出信号直接用作为电动机装置21的输入信号,该电动机装置21被设计为电压驱动直流电动机。所述电压驱动直流电动机只根据位置控制器13的输出信号而被控制。图1所示的实施例具有非常简单的设计,它甚至可以用模拟电子装置来实施。
图2显示按照本发明的第二实施例。图2显示控制位置受控装置的位置的定位设备23。图2所示的定位设备23,像图1的定位设备10那样,包括位置传感器、位置控制器和位置传动器。为了避免重复,对于相同的部件使用相同的标号。
与图1的实施例相比较,图2的定位设备23包括重力补偿装置24,它包括两个重力补偿控制器。第一重力补偿控制器25使用来自位置控制器13的输出信号作为输入信号或所谓的受控变量。来自所述第一重力补偿控制器25的输出信号被传送到相加装置26。在相加装置26中,来自第一重力补偿控制器25的输出信号与位置控制器13的设置点信号相加,由此位置控制器13的设置点信号乘以由图2的方块27表示的传输因子。从来自第一重力补偿控制器25的输出信号与乘以传输因子的位置控制器13的设置点信号的相加而得出的信号,被传送到第二重力补偿控制器28,并用作为第二重力补偿控制器28的设置点。由第二重力补偿控制器28生成的输出信号用来控制重力补偿传动器17。图2所示的实施例的重力补偿传动器17,像图1的实施例的重力补偿传动器那样,包括弹簧装置18、弦线装置19、滑轮装置20、电动机装置21和传动齿轮22。为了避免重复,对于相同的部件使用相同的标号。
按照图2的实施例的第二重力补偿控制器28使用使用电动机位置传感器29的测量信号作为输入信号或所谓的受控变量。作为由电动机位置传感器29提供的测量信号的函数和设置点信号的函数,第二重力补偿控制器28生成输出信号,用来控制重力补偿传动器17的电动机装置21。在按照图2的实施例中,在控制电动机装置21时使用关于位置受控装置11的运动的知识。这是通过使用电动机位置传感器29和由第二重力补偿控制器28提供的分开的控制环而实现的。所述第二重力补偿控制器28的设置点直接和位置控制器13的设置点相关。图2的重力补偿设备24仍旧试图把由位置控制器13提供的位置控制环的输出控制到零,然而,它这时作用在由第二重力补偿控制器28提供的用于电动机装置21的控制环的设置点。
按照图1和2的两个实施例利用重力补偿设备,在此重力补偿设备包括重力补偿传动器,后者包括弦线,该弦线通过弹簧连接到位置受控装置,并且被缠绕在滑轮上,滑轮由一个电动机传动齿轮组合进行驱动,以使弹簧的张力保持恒定,并且等于作用在所述位置受控装置上的重力。这是由至少一个重力补偿控制器来保证的,它使用位置控制器的输出作为受控变量,并且生成输出信号作为用于重力补偿传动器的所谓的操纵变量。
本发明可用于所有的种类的定位设备,例如,测量机械、制造机械、检取与放置机器、或机器人。参照图3到7,将描述本发明在低成本的3轴定位级中的应用。图3显示定位级30,它包括四个滑块,即,第一滑块31、第二滑块32、第三滑块33、和第四滑块34。沿x轴和z轴的定位是通过同时移动第一滑块31和第二滑块32而实现的。沿y轴的定位是通过移动第四滑块34而实现的。滑块31,32和34由直接驱动位置传动器35驱动。重力补偿设备将结合按照图3的定位级使用,以避免滑块31和32的位置传动器35必须提起中心滑块33和第四滑块34的重量。
图4和5显示重力补偿装置在定位级30的特定应用中的第一使用。图4和5显示重力补偿设备的重力补偿传动器17,包括弹簧装置18,被缠绕在滑轮装置20上的弦线装置19,在此滑轮装置20由电动机装置21和传动齿轮22驱动。在图4和5显示的使用中,电动机装置21、传动齿轮22、滑轮20和弹簧18连接到第一滑块31。导引滚轮36连接到第二滑块32,弦线19从弹簧18连接滑轮20。在图3到5所示的具体应用中,整个重力补偿设备是水平地使用的并集成到定位级30。
图6和7显示重力补偿设备的另一种使用,特别是重力补偿传动器17与定位级30相结合的使用。在按照图6和7的使用中,该概念也适用于水平地使用的,然而,重力补偿传动器的部件不连接到滑块,而是安装在周围或外壁上。
按照图6和7,滑轮20、电动机21和传动齿轮被安装在第一壁,以及弹簧18被安装在定位级30的周围的相邻的第二壁。在第一滑块31和第二滑块32上固定着导引滚轮37。第一导引滚轮37连接到第一滑块31以及第二导引滚轮37连接到第二滑块32。导引滚轮37用来把弦线19从滑轮20导引到弹簧18,而同时使得弦线19与滑块31和32结合。在图6和7所示的使用中,由重力传动器的电动机装置21生成的扰动力将不直接作用在滑块31,32,33,和34,这是高精度运动系统的优点。
Claims (17)
1.一种用于测量机械或制造机械的定位设备,包括至少一个位置传感器(12)、至少一个位置控制器(13)和至少一个位置传动器(14),其中该位置传感器(12)测量位置受控装置(11)的位置,其中该位置控制器(13)使用由所述位置传感器(12)提供的测量信号作为输入信号,以及其中由该位置控制器(13)生成的也称作操纵变量的输出信号被该位置传动器(14)使用来控制所述位置受控装置(11)的位置,该定位设备还包括重力补偿装置,用于补偿作用在该位置受控装置(11)上的重力,
其特征在于,
重力补偿装置包括两个重力补偿控制器(25,28)和至少一个重力补偿传动器(17),其中第一重力补偿控制器(25)使用由该位置控制器(13)生成的输出信号作为也称作受控变量的输入信号,其中第二重力补偿控制器(28)使用由第一重力补偿控制器(25)生成的输出信号作为输入信号,其中来自所述第二重力补偿控制器(28)的输出信号用来控制重力补偿传动器(17),以提供恒定的弹簧张力并补偿作用在所述位置受控装置(11)上的重力,其中该恒定的弹簧张力等于该重力。
2.按照权利要求1的定位设备,其特征在于,重力补偿传动器(17)包括弹簧装置(18)、弦线装置(19)、滑轮装置(20)和电动机装置(21)。
3.按照权利要求2的定位设备,其特征在于,弹簧装置(18)以它的第一末端连接到位置受控装置(11),以及以它的第二末端连接到弦线装置(19)。
4.按照权利要求2或3的定位设备,其特征在于,弦线装置(19)被缠绕在滑轮装置(20)上,其中滑轮装置(20)由电动机装置(21)驱动,以及其中电动机装置(21)由重力补偿控制器(25;28)生成的输出信号进行控制。
5.按照权利要求2的定位设备,其特征在于,滑轮装置(20)由电动机装置(21)驱动以使得弹簧装置(18)的张力保持恒定,并且等于作用在所述位置受控装置(11)上的重力。
6.按照权利要求1的定位设备,其特征在于,由第一重力补偿控制器(25)生成的输出信号与所述位置控制器(13)的位置设置点信号相加,其中最终得到的信号用作为所述第二重力补偿控制器(28)的设置点。
7.按照权利要求1的定位设备,其特征在于,第二重力补偿控制器(28)使用电动机位置传感器(29)的测量信号作为输入信号,其中所述电动机位置传感器测量所述重力补偿传动器(17)的电动机装置(21)的位置。
8.用于补偿作用在位置受控装置(11)上的重力的重力补偿设备,其中所述位置受控装置(11)的位置由至少一个位置传感器(12)测量,并由至少一个位置控制器(13)控制,其特征在于:重力补偿设备包括两个重力补偿控制器(25,28)和至少一个重力补偿传动器(17),其中第一重力补偿控制器(25)使用由该位置控制器(13)生成的输出信号作为也称作受控变量的输入信号,其中第二重力补偿控制器(28)使用由第一重力补偿控制器(25)生成的输出信号作为输入信号,其中来自所述第二重力补偿控制器(28)的输出信号用来控制重力补偿传动器(17),以提供恒定的弹簧张力并补偿作用在所述位置受控装置(11)上的重力,其中该恒定的弹簧张力等于该重力。
9.按照权利要求8的重力补偿设备,其特征在于,重力补偿传动器(17)包括弹簧装置(18)、弦线装置(19)、滑轮装置(20)和电动机装置(21)。
10.按照权利要求9的重力补偿设备,其特征在于,弹簧装置(18)以它的第一末端连接位置受控装置(11),以及以它的第二末端连接到弦线装置(19)。
11.按照权利要求9的重力补偿设备,其特征在于,弦线装置(19)被缠绕在滑轮装置(20)上,由此滑轮装置(20)被电动机装置(21)驱动,以及由此电动机装置(21)由重力补偿控制器(16;28)生成的输出信号所控制。
12.按照权利要求9的重力补偿设备,其特征在于,滑轮装置(20)由电动机装置(21)驱动以使得弹簧装置的张力保持恒定,并且等于作用在所述位置受控装置(11)上的重力。
13.按照权利要求8的重力补偿设备,其特征在于,由第一重力补偿控制器(25)生成的输出信号与所述位置控制器(13)的位置设置点信号相加,由此最终得到的信号用作为所述第二重力补偿控制器(28)的设置点。
14.按照权利要求8的重力补偿设备,其特征在于,第二重力补偿控制器(28)使用电动机位置传感器(29)的测量信号作为输入信号,由此所述电动机位置传感器测量所述重力补偿传动器(17)的电动机装置(21)的位置。
15.用于补偿作用在位置受控装置上的重力的方法,由此所述位置受控装置的位置由至少一个位置传感器测量,并由至少一个位置控制器控制,其特征在于:第一重力补偿控制器(25)使用由该位置控制器(13)生成的输出信号作为也称作受控变量的输入信号,而第二重力补偿控制器(28)使用由第一重力补偿控制器(25)生成的输出信号作为输入信号,并且来自所述第二重力补偿控制器(28)的输出信号用来控制重力补偿传动器(17),以提供恒定的弹簧张力并补偿作用在所述位置受控装置(11)上的重力,其中该恒定的弹簧张力等于该重力。
16.按照权利要求15的方法,其特征在于,重力补偿传动器包括弹簧装置、弦线装置、滑轮装置和电动机装置,由此弹簧装置以它的第一末端连接到位置受控装置以及以它的第二末端连接到弦线装置,其中弦线装置被缠绕在滑轮装置,以及其中电动机装置使用由重力补偿控制器生成的输出信号驱动滑轮装置以使得弹簧装置中的张力保持恒定并且等于作用在所述位置受控装置上的重力。
17.按照权利要求16的方法,其特征在于,由第一重力补偿控制器生成的输出信号与所述位置控制器的位置设置点信号相加,由此最终得到的信号用作为所述第二重力补偿控制器的设置点,以及第二重力补偿控制器使用电动机位置传感器的测量信号作为输入信号,由此所述电动机位置传感器测量所述重力补偿传动器的电动机装置的位置。
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