CN102889272A

CN102889272A - 一种压电-电液混合驱动臂及其控制方法

Info

Publication number: CN102889272A
Application number: CN2012103980233A
Authority: CN
Inventors: 许有熊; 朱松青; 韩亚丽; 陈茹雯; 刘娣; 郝飞
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: CN102889272B

Abstract

本发明公开了一种压电-电液混合驱动臂及其控制方法，属于驱动臂技术领域。本发明包括工业计算机、功率放大器、光栅传感器、压电驱动器、连接杆和输出杆，它还包括液压缸、三位四通电液伺服阀、液压泵和油箱；缸体内水平方向的活塞杆自由端固定有压电驱动器，该压电驱动器内设置有位移传感器，压电驱动器另一端与输出杆连接；光栅传感器的标尺光栅固定安装在液压缸的缸体上，光栅传感器的指示光栅经连接杆安装在输出杆上；光栅传感器、压电驱动器均与工业计算机连接，所述的工业计算机通过所述的功率放大器与所述的位移传感器连接。本发明的技术方案可以有效实现驱动臂的高精度定位要求且同时满足当代精密加工和精密测量的技术需求。

Description

一种压电-电液混合驱动臂及其控制方法

技术领域

本发明属于驱动臂技术领域，更具体地说，涉及一种采用压电-电液混合伺服驱动的大范围纳米级定位驱动臂。

背景技术

随着现代科学技术的不断发展，航空航天宇航技术、生物工程、微电子工程、纳米科学与技术等各个领域，对定位装置的行程和精度提出了更高的要求，例如，在国防工业中大量复杂自由曲面零部件的加工与测量，在工业自动化中半导体、平板显示器等加工都需要大范围高精度且快速响应实时连续可调的精密定位装置。目前的精密定位装置多采用旋转伺服电机驱动和精密滚珠丝杠传动的方案或部分采用直线电机直接驱动的方法，其定位精度一般局限在微米级。以压电陶瓷驱动器为代表的微定位平台，其定位精度能够达到纳米级，但行程微小，通常只能达到几十微米。如何解决大范围和高精度之间的矛盾，实现大范围运动系统的高精度定位已成为当今精密数控加工和精密测量等领域急需突破的重要关键技术之一。目前，一种常见的解决方法就是采用双驱动源（宏/微驱动）定位机构（孙立宁,董为,杜志江;中国机械工程第16卷第1期2005 年1 月上半月;宏/ 微双重驱动机器人系统的研究现状与关键技术）。

双驱动源定位机构是采用宏/微双驱动机构以实现大范围、纳米级的定位机构。宏机构一般采用电机结合滚珠丝杠或直线电机或液压气动；微机构一般采用压电驱动器驱动柔性铰链机构。如，专利申请号200510010286.2“宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统”、专利申请号200510010287.7“宏/微驱动的两自由度高加速度高精度的并联定位系统”均采用宏驱动的直线音圈电机结合微驱动的压电驱动器的平面定位平台；专利申请号200710307716.6“大运动范围宏微双重驱动定位平台”采用直线电机为宏驱动结合压电陶瓷微驱动器的定位平台；专利申请号200410013686.4“宏/微双重驱动的微小型机器人移动定位平台”采用电机结合压电驱动器的定位平台；专利申请号：200410013627.7“六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人”宏驱动采用压电马达驱动，微驱动采用压电陶瓷，能在厘米级的运动范围内得到纳米级的分辨率和运动精度。

电液伺服系统易于实现直线运动的速度位移及力控制，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大等优点，在航空、航天、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。在精密加工和测量的定位系统中，电液伺服系统能保证微米级的定位精度。而压电陶瓷驱动器具有响应速度快、工作频率宽、便于控制、体积小等优点，在精密机械、微定位等领域得到了广泛的应用。在微定位系统中，压电陶瓷驱动器能保证纳米级的定位精度。因此，如果可以有效结合电液伺服系统与压电陶瓷驱动器的优点，采用压电-电液混合驱动即可以实现并大范围、高精度定位。

发明内容

1.本发明要解决的问题

针对现有技术中驱动臂不可同时实现大范围和高精度定位的不足，本发明提供一种压电--电液混合驱动臂及其控制方法，它可以有效解决所述的技术问题，实现驱动臂的高精度定位要求且同时满足当代精密加工和精密测量的技术需求。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明的一种压电-电液混合驱动臂，它包括工业计算机、功率放大器、光栅传感器、压电驱动器、连接杆和输出杆，它还包括液压缸、三位四通电液伺服阀、液压泵和油箱。

所述的液压缸的缸体位置固定，缸体内水平方向的活塞杆自由端固定有压电驱动器，该压电驱动器内设置有位移传感器，由于压电驱动器具有迟滞、蠕变非线性特性，因此内置位移传感器，实现压电驱动器的伺服控制，保证其线性输出精度。所述的压电驱动器另一端与输出杆连接；所述的光栅传感器的标尺光栅固定安装在液压缸的缸体上，光栅传感器的指示光栅经连接杆安装在输出杆上；所述的光栅传感器、压电驱动器均与工业计算机的输入端连接；所述的工业计算机的输出端通过所述的功率放大器与所述的压电驱动器连接。由工业计算机输出的电压控制信号经功率放大器放大后，控制压电驱动器的输出位移，并经位移传感器实时检测后反馈给工业计算机。光栅传感器实时测量输出杆的位移，并反馈给工业计算机。工业计算机根据光栅传感器的反馈值控制液压缸和压电驱动器的输出位移，从而实现输出杆的大范围精密定位。

所述的液压缸的缸体内的左、右腔分别与所述的三位四通电液伺服阀管道连接，所述三位四通电液伺服阀的下端油路管道伸入油箱，该油路管道上设置有液压泵，所述的三位四通电液伺服阀的电气R端和L端均与工业计算机连接。工业计算机通过控制三位四通电液伺服阀的通电电压大小和方向，从而控制液压缸的输出位移。

本发明的一种所述的压电-电液混合驱动臂的控制方法，其步骤为：

（1）所述的工业计算机将输出杆的位移理论值与测量输出杆实际位移的光栅传感器的测量值进行比较，计算两者的差值T，工业计算机根据差值T控制三位四通电液伺服阀的通电电压大小和方向，从而控制液压缸活塞杆的输出位移，具体控制过程如下：

A）当差值T的绝对值≥宏定位与微定位的切换值，且输出杆的位移理论值＞光栅传感器的测量值，需要增加输出杆的位移，即液压缸活塞杆向右运动，工业计算机输出控制信号的使得三位四通电液伺服阀的L端通电，R端断电，三位四通电液伺服阀左移使得液压油路P与A相通、B与E相通，液压油经P－A流入液压缸的左腔，推动液压缸活塞杆向右运动，而液压缸的右腔液压油经B－E流入油箱；

B）当差值T的绝对值≥宏定位与微定位的切换值，且输出杆的位移理论值＜光栅传感器的测量值，同理，则需要减少输出杆的位移，即液压缸活塞杆向左运动，工业计算机输出控制信号的使得三位四通电液伺服阀的R端通电，L端断电，三位四通电液伺服阀右移使得液压油路P与B相通、A与E相通，液压油经P－B流入液压缸的右腔，推动液压缸活塞杆向左运动，而液压缸的左腔液压油经A－E流入油箱；

（2）当液压缸活塞杆的输出位移经步骤（1）的控制调整后，差值T的绝对值≤宏定位与微定位的切换值，此时，三位四通电液伺服阀的通电电压为零，保持在中位，锁定液压缸活塞杆的输出位移；同时，根据差值T，工业计算机开始控制压电驱动器的输出位移，当差值T的绝对值≤精度设定值时，说明压电驱动器已经运动到位，结束整个工作过程。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

（1）本发明的技术方案中采用电液伺服系统与压电驱动器相结合的定位方法，结合了电液伺服系统易于实现直线运动的速度位移及力控制，控制精度高、响应速度快、输出功率大等优点及压电驱动器的响应速度快、工作频率宽、便于控制、体积小的优点，提供了一种压电--电液混合伺服驱动臂，采用压电--电液混合定位，它可以实现驱动臂的大范围、高精度定位以满足当代精密加工和精密测量等领域的需求；

（2）本发明的控制方法中，采用工业计算机设置压电驱动器及液压缸的输出位移，并根据光栅传感器的反馈值控制液压缸和压电驱动器的输出位移，宏驱动采用液压驱动，微驱动采用压电驱动，有效提高了本发明的精度；

（3）本发明设计合理，工作可靠，具有较大的推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的控制原理图。

图中标号：1、工业计算机；2、功率放大器；3、输出杆；4、压电驱动器；5、连接杆；6、位移传感器；7、光栅传感器；8、液压缸；9、三位四通电液伺服阀；10、液压泵；11、油箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步描述，但本发明的具体实施方式不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。

实施例1

根据如图1所示的本发明的结构原理图，本实施例的压电－电液混合驱动臂可采用如下的具体产品部件型号：

（ⅰ）电液伺服部分：

液压泵10：ATOS的PVPC型轴向柱塞泵；

液压缸8：B137CK系列油缸P/10-32/22/500，行程500mm；

三位四通电液伺服阀9：力士乐四通伺服方向阀RC-29-564。

（ⅱ）压电驱动部分：

压电驱动器4：德国PI的压电陶瓷驱动器P-845.60，额定输出位移90um；内置SGS精密位移传感器，实现1.8nm闭环控制精度；

功率放大器2：德国PI的E-505.00功率放大模块。

（ⅲ）检测部分：

光栅传感器7：Micro E Systems的MⅡ4800，分辨率为1nm。

根据上述所选用的部件，按照图1所示的结构原理图，本发明的各部件的结构关系如下：液压缸8的缸体位置固定，缸体内水平方向的活塞杆自由端固定有压电驱动器4，该压电驱动器4内设置有精密位移传感器6，压电驱动器4另一端与输出杆3连接；光栅传感器7的标尺光栅固定安装在液压缸8的缸体上，光栅传感器7的指示光栅经连接杆5安装在输出杆3上；光栅传感器7、压电驱动器4均与工业计算机1的输入端连接；同时，工业计算机1的输出端通过所述的功率放大器2与压电驱动器4连接。

液压缸8的缸体内的左、右腔分别与三位四通电液伺服阀9管道连接，三位四通电液伺服阀9的下端油路管道伸入油箱11，该油路管道上设置有液压泵10，三位四通电液伺服阀9的电气R端和L端均与工业计算机1连接。

结合图2所示的本发明的控制原理图，以精度设定值为10nm、宏定位与微定位的切换值为50um、驱动臂的运动行程为200mm为例说明本发明的具体工作过程：

（1）工业计算机1将输出杆3的位移理论值与测量输出杆3实际位移的光栅传感器7的测量值进行比较，计算两者的差值T，工业计算机1根据差值T控制三位四通电液伺服阀9的通电电压大小和方向，从而控制液压缸8活塞杆的输出位移，具体控制过程如下：

A）当差值T的绝对值≥宏定位与微定位的切换值，且输出杆3的位移理论值＞光栅传感器7的测量值，需要增加输出杆3的位移增加，即液压缸8活塞杆向右运动，工业计算机1输出控制信号的使得三位四通电液伺服阀9的L端通电，R端断电，三位四通电液伺服阀9左移使得液压油路P与A相通、B与E相通，液压油经P－A流入液压缸8的左腔，推动液压缸8活塞杆向右运动，而液压缸8的右腔液压油经B－E流入油箱；

B）当差值T的绝对值≥宏定位与微定位的切换值，且输出杆3的位移理论值＜光栅传感器7的测量值，同理，则需要减少输出杆3的位移减少，即液压缸8活塞杆向左运动，工业计算机1输出控制信号的使得三位四通电液伺服阀9的R端通电，L端断电，三位四通电液伺服阀9右移使得液压油路P与B相通、A与E相通，液压油经P－B流入液压缸8的右腔，推动液压缸8活塞杆向左运动，而液压缸8的左腔液压油经A－E流入油箱11；

（2）当液压缸8活塞杆的输出位移经步骤（1）的控制调整后，差值T的绝对值≤宏定位与微定位的切换值50um，此时，三位四通电液伺服阀9的通电电压为零，保持在中位，锁定液压缸8活塞杆的输出位移；同时，根据差值T，工业计算机1开始控制压电驱动器4的输出位移，当差值的绝对值T≤精度设定值10nm时，说明压电驱动器4已经运动到位，结束整个工作过程。

Claims

1.一种压电-电液混合驱动臂，它包括工业计算机（1）、功率放大器（2）、光栅传感器（7）、压电驱动器（4）、连接杆（5）和输出杆（3），其特征在于，它还包括液压缸（8）、三位四通电液伺服阀（9）、液压泵（10）和油箱（11）；

所述的液压缸（8）的缸体位置固定，缸体内水平方向的活塞杆自由端固定有压电驱动器（4），该压电驱动器（4）内设置有位移传感器（6），所述的压电驱动器（4）另一端与输出杆（3）连接；所述的光栅传感器（7）的标尺光栅固定安装在液压缸（8）的缸体上，光栅传感器（7）的指示光栅经连接杆（5）安装在输出杆（3）上；所述的光栅传感器（7）、压电驱动器（4）均与工业计算机（1）的输入端连接，所述的工业计算机（1）的输出端通过所述的功率放大器（2）与所述的压电驱动器（4）连接；

所述的液压缸（8）的缸体内的左、右腔分别与所述的三位四通电液伺服阀（9）管道连接，所述三位四通电液伺服阀（9）的下端油路管道伸入油箱（11），该油路管道上设置有液压泵（10），所述的三位四通电液伺服阀（9）的电气R端和L端均与工业计算机（1）连接。

2. 一种权利要求1所述的压电-电液混合驱动臂的控制方法，其步骤为：

（1）所述的工业计算机（1）将输出杆（3）的位移理论值与测量输出杆（3）实际位移的光栅传感器（7）的测量值进行比较，计算两者的差值T，工业计算机（1）根据差值T控制三位四通电液伺服阀（9）的通电电压大小和方向，从而控制液压缸（8）活塞杆的输出位移，具体控制过程如下：

A）当差值T的绝对值≥宏定位与微定位的切换值，且输出杆（3）的位移理论值＞光栅传感器（7）的测量值，需要增加输出杆（3）的位移，即液压缸（8）活塞杆向右运动，工业计算机（1）输出控制信号的使得三位四通电液伺服阀（9）的L端通电，R端断电，三位四通电液伺服阀（9）左移使得液压油路P与A相通、B与E相通，液压油经P－A流入液压缸（8）的左腔，推动液压缸（8）活塞杆向右运动，而液压缸（8）的右腔液压油经B－E流入油箱（11）；

B）当差值T的绝对值≥宏定位与微定位的切换值，且输出杆（3）的位移理论值＜光栅传感器（7）的测量值，同理，则需要减少输出杆（3）的位移，即液压缸（8）活塞杆向左运动，工业计算机（1）输出控制信号的使得三位四通电液伺服阀（9）的R端通电，L端断电，三位四通电液伺服阀（9）右移使得液压油路P与B相通、A与E相通，液压油经P－B流入液压缸（8）的右腔，推动液压缸（8）活塞杆向左运动，而液压缸（8）的左腔液压油经A－E流入油箱（11）；

（2）当液压缸（8）活塞杆的输出位移经步骤（1）的控制调整后，差值T的绝对值≤宏定位与微定位的切换值，此时，三位四通电液伺服阀（9）的通电电压为零，保持在中位，锁定液压缸（8）活塞杆的输出位移；同时，根据差值T，工业计算机（1）开始控制压电驱动器（4）的输出位移，当差值T的绝对值≤精度设定值时，说明压电驱动器（4）已经运动到位，结束整个工作过程。