CN102817910B - 一种无惯性力影响的气浮随动装置 - Google Patents

Abstract

一种无惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴、气浮套和长距离导轨气浮滑轮，气浮套套装在气浮轴上，气浮套有两个，气浮套均与贮气套密封连接，贮气套与连接杆固定连接，连接杆与气浮滑轮固定连接，气浮滑轮的轴心开有进气孔，进气孔与连接气管连通，气浮滑轮上套装吊挂绳，运动件吊装在吊挂绳上；光电编码器的光电编码盘装在气浮滑轮上，光电编码器的读数头装在连接架上，光电编码器的读数头正对光电编码盘；空气喷嘴分别安装在所述安装座的两侧，且所述空气喷嘴的空气出口朝向贮气套的侧边。本发明有效消除惯性力影响、控制精度较高。

Description

一种无惯性力影响的气浮随动装置

技术领域

本发明涉及气浮随动装置，尤其是一种无惯性力影响的气浮随动装置。

背景技术

目前采用的吊挂方式是将重物(运动件)通过吊挂绳直接吊挂在直线导轨上的滑块上，滑块跟着运动件随动。但在高精度测量时，直线导轨与滑块间的摩擦力会对运动件的空间位置和运动产生附加作用力的影响。另一方面，由于运动件连接到滑块上，滑块及其它吊挂随动部件都有质量，在随动部件跟随运动件运动过程中会产生惯性力，该惯性力就会附加到运动件上。

为了实现长距离无摩擦运动，专利申请号为CN 201010165536.0的“用于超长距离跟随吊点运动轨迹的无摩擦气浮装置”提供了一种用于超长距离跟随吊点运动轨迹的无摩擦气浮装置，该专利将轴向长距离无摩擦移动嫁接到一般运动精度的滑块导轨组件上，即可实现气浮套在短气浮轴随运动件作大位移移动。但是，带来了新问题，两个气浮套与贮气套组成的气浮随动装置的质量很大，在运动件加速或减速运动时，气浮随动装置与其它吊挂随动部件的惯性力影响不能忽略，此时仅仅被动跟随不能满足精密同步跟随吊点运动轨迹的要求，需要测量出跟随误差，设法去除该惯性力的影响。

发明内容

为了克服已有气浮随动装置的不能消除惯性力影响、控制精度较低的不足，本发明提供一种有效消除惯性力影响、控制精度较高的无惯性力影响的气浮随动装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴、气浮套和长距离导轨气浮滑轮，所述气浮套套装在所述气浮轴上，所述气浮套有两个，所述气浮套均与贮气套密封连接，所述贮气套与气浮轴之间为贮气腔，所述气浮轴的轴心开有进气通道，所述进气通道的一端连接主供气管，所述进气通道的另一端与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管与各个气浮套的进气口连通；所述贮气套与连接杆固定连接，所述连接杆与气浮滑轮固定连接，所述气浮滑轮的轴心开有进气孔，所述进气孔与所述连接气管连通，所述气浮滑轮上套装吊挂绳，所述运动件吊装在所述吊挂绳上；所述气浮随动装置还包括用于检测吊挂绳与贮气套之间是否出现倾斜的光电编码器和用于抵消惯性力影响的空气喷嘴，所述光电编码器的光电编码盘装在所述气浮滑轮上，所述光电编码器的读数头装在所述连接架上，所述光电编码器的读数头正对光电编码盘；所述空气喷嘴分别安装在所述安装座的两侧，且所述空气喷嘴的空气出口朝向贮气套的侧边。

进一步，所述气浮轴的两端分别套装安装座，所述安装座与所述滑台固定连接，所述滑台连接到长距离直线导轨上，光栅尺装在贮气套中间位置，光栅尺读数头装在安装座中间位置，所述光栅尺读数头正对光栅尺。

本发明的技术构思为：气浮随动装置根据运动件吊点位置无摩擦随动，通过光栅尺检测贮气套位置，如果安装座上的光栅尺读数头读出的位置值不等于零，则主动控制电机等驱动源，通过同步带控制滑台移动，保证贮气套与安装座的相对位移为零，即位于安装座的中心位置。

在运动前对光电编码器清零，气浮随动装置与运动件跟随一致时，吊挂绳与贮气套垂直，此状态下光电编码器没有读数。如果运动件沿直线导轨方向运动，尤其是加速或减速运动（启动或停止），由于气浮随动装置的质量较大，跟随运动过程中虽然没有摩擦力的影响，却不可避免的要受到自身惯性力的影响，出现滞后或超前，不能完全一致跟随，此状态下吊挂绳不能与贮气套保持垂直状态，而是出现倾斜，设此倾斜角度为α。详见附图2。当光栅尺检测到的安装座与贮气套的相对位移为零时，装在气浮滑轮上的光电编码器此时可以灵敏地测出α的大小，并把该角度值传给带PID控制的嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据惯性力计算公式（详见公式3），计算出需要补偿的惯性力方向和大小，选择开启安装座左端还是右端的喷嘴，并且通过PID算法直接计算出喷嘴开启的大小，具体通过控制连接到喷嘴的比例阀来实现，最终由其中的一个（或一组）空气喷嘴对贮气套产生与惯性力大小相等、方向相反的力，使由两个气浮套与贮气套构成的气浮随动装置与运动件一致跟随，吊挂绳与贮气套重新保持垂直。控制系统原理详见附图3。

本发明很好的解决了气浮随动装置的质量变大，因此产生的惯性力不能简单忽略，进而单纯靠被动跟随不能同步运动的问题。本发明通过嵌入式微处理器控制空气喷嘴产生与惯性力大小相等方向相反的力，使气浮随动装置主动跟随运动件运动，达到去除气浮随动装置自身惯性力影响的目的。

本发明的有益效果主要表现在：为了实现气浮随动装置在短气浮轴上根据运动件吊点位置作长距离无摩擦随动，将轴向长距离无摩擦移动嫁接到一般运动精度的滑块导轨组件上，通过光栅尺检测贮气套位置，由主动控制电机等驱动源控制滑块移动，保证贮气套与安装座的相对位移为零，这样就能够保证运动件在长距离移动情况下始终保持无摩擦。但是由于增加了气浮随动装置的质量，因此产生的惯性力不能简单忽略，单纯靠被动跟随不能一致跟随。本专利根据光电编码器测得的吊挂绳倾斜角度值，由嵌入式微处理器控制空气喷嘴产生与惯性力大小相等方向相反的力，使气浮随动装置主动跟随运动件运动，达到同步跟随吊点运动轨迹的目的。

附图说明

图1是一种无惯性力影响的气浮随动装置机械结构图。

图2是图1的-剖面放大图。

图3是气浮滑轮局部放大图。

图4是气浮随动装置不一致跟随时吊挂绳与贮气套倾斜角度示意图。

图5是一种无惯性力影响的气浮随动装置控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种无惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴10和气浮套2，所述气浮套2套装在所述气浮轴10上，所述气浮套2有两个，所述气浮套2均与贮气套18密封连接，贮气套1与气浮滑轮16固定连接，所述安装座7装在所述气浮轴10两端，所述贮气套1与所述气浮套2构成气浮随动装置，所述气浮随动装置与运动件随动。所述长距离直线导轨6上安装滑块5，所述滑块5与所述安装座7固定连接，所述贮气套1与气浮轴10之间为贮气腔，所述气浮轴10的轴心开有进气通道，连接进气管8，并与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管17与各个气浮套2的进气口连通，并与所述气浮滑轮16的气浮轴15连通。

所述长距离气浮直线导轨还包括用以判断气浮随动装置偏离气浮轴中间位置是否达到设定值的位置传感器光栅尺3，所述位置传感器光栅尺3安装在所述贮气套1中间位置，所述光栅尺读数头4装在所述安装座7中间位置。

所述空气喷嘴9安装在所述安装座7上,所述光电编码器装在所述气浮滑轮上，在运动前清零。所述光电编码器读数头18装在所述气浮滑轮16正面或后面。

气浮套与贮气套间通过O型圈对贮气套密封。

本实施例中，当运动件13沿与气浮轴10轴向平行的方向短距离移动时，随即拖动贮气套1与气浮套2构成的气浮随动装置在气浮轴10上轴向移动。当位移传感器光栅尺3检测到贮气套1与安装座7的相对位移大于设定值后，主动控制电机19，通过丝杠20控制滑块5按贮气套1相同运动方向移动，从而保证运动件始终位于气浮轴10的中间位置。对于长距离移动的场合，通过主动驱动机构带动滑块移动，由于气浮套与气浮轴之间无摩擦运动的特性，滑块的移动过程并不对气浮套和贮气套及运动件的空间位置及运动造成影响。

参照附图2，3，具体控制算法如下：

当运动件13沿与气浮轴10轴向平行的方向移动时，由于气浮随动装置的质量较大，尤其在运动件加速或减速运动时（启动或停止时）不能忽略其惯性力的影响。如果气浮随动装置不能一致跟随，则吊挂绳不再垂直于贮气套，设倾斜角度为α，详见附图4。当光栅尺检测到的安装座与贮气套的相对位移为零时，装在气浮滑轮上的光电编码器可以灵敏地测出α的大小，并把该角度值传给带PID控制的嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据惯性力计算公式（详见公式3），计算出需要补偿的惯性力方向和大小，选择开启安装座左端还是右端的喷嘴，并且通过PID算法直接计算出喷嘴开启的大小，具体通过控制连接到喷嘴的比例阀来实现，最终由其中的一个（或一组）空气喷嘴对贮气套产生与惯性力大小相等、方向相反的力，使由两个气浮套与贮气套构成的气浮随动装置与运动件一致跟随。控制系统原理详见附图5。这样就达到了通过吊挂绳与贮气套的倾斜角度采样值控制比例阀输出压力的大小，实现提供精确的补偿力。该控制算法正确实现的前提是保证由光栅尺检测到的安装座与贮气套的相对位移为零，当然如果不为零，则需要主动控制电机驱动连接到安装座的滑台，使之移动到相对位置为零处。安装座与贮气套的相对位移的变化对该控制算法有一定扰动，需要考虑该扰动的影响。

Claims (2)

1.一种无惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴、气浮套和长距离直线导轨气浮滑轮，所述气浮套套装在所述气浮轴上，所述气浮套有两个，所述气浮套均与贮气套密封连接，所述贮气套与气浮轴之间为贮气腔，所述气浮轴的轴心开有进气通道，所述进气通道的一端连接主供气管，所述进气通道的另一端与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管与各个气浮套的进气口连通；所述贮气套与连接杆固定连接，所述连接杆与气浮滑轮固定连接，所述气浮滑轮的轴心开有进气孔，所述进气孔与所述连接气管连通，所述气浮滑轮上套装吊挂绳，运动件吊装在所述吊挂绳上；其特征在于：所述气浮随动装置还包括用于检测吊挂绳与贮气套之间是否出现倾斜的光电编码器和用于抵消惯性力影响的空气喷嘴，所述光电编码器的光电编码盘装在所述气浮滑轮上，所述光电编码器的读数头装在连接架上，所述光电编码器的读数头正对光电编码盘；所述空气喷嘴分别安装在安装座的两侧，且所述空气喷嘴的空气出口朝向贮气套的侧边。

2.如权利要求1所述的一种无惯性力影响的气浮随动装置，其特征在于：所述气浮轴的两端分别套装安装座，所述安装座与滑台固定连接，所述滑台连接到长距离直线导轨上，光栅尺装在贮气套中间位置，光栅尺读数头装在安装座中间位置，所述光栅尺读数头正对光栅尺。