CN103213119A

CN103213119A - 一种并联机构运动平台和变加速度运动控制方法

Info

Publication number: CN103213119A
Application number: CN2013101614434A
Authority: CN
Inventors: 陈新; 李克天; 彭卫东; 陈新度; 杨海东
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种并联机构运动平台和变加速度运动控制方法，该装置由滑块、连杆、动平台和直线导轨等组成。动平台由三副连杆铰接支撑，三副连杆的另一端分别同两个滑块铰接。其中两副连杆、两个滑块和动平台形成对称结构，另一副连杆与其中一副连杆平行，使两平行连杆、滑块和动平台形成平行四边形结构，确保动平台在运动过程中始终与直线导轨平行。两滑块、连杆和动平台形成平面并联机构。通过分别控制两滑块作变加速移动，可以使动平台实现运动轨迹曲线、速度曲线和加速度曲线都连续、光滑，中间没有停滞、突变现象，因此运动平台在运行过程中冲击、振动小；在启动和停止时，运动平台加速度为零。

Description

一种并联机构运动平台和变加速度运动控制方法

技术领域

本发明涉及一种并联机构运动平台和变加速度运动控制方法。

背景技术

电子封装的对象一般都尺寸微小、质量轻、定位精度要求高，对装配运动平台、机械手或焊头的运动性能要求苛刻。运动过程中的振动要小，特别是启动和停止阶段的速度和加速度曲线必须连续或光滑，否则影响定位精度和工作效率。变加速度可应用于并联机构运动平台装置中，通过变加速度控制，可以使运动平台和焊头的运行曲线、速度曲线和加速度曲线都连续、光滑，中间没有停滞、突变现象，因此运动平台在运行过程中冲击、振动小；在启动和停止时，运动平台加速度为零，因此运动平台能柔和起停，运动平台上的执行器具能以“零接触力”接触工件或元器件，这对提高装配质量和效率非常有利。该机构可应用于电子封装设备的高速高精度执行机构中，例如:IC芯片粘片机、焊线机和SMT的焊头等。

发明内容

针对执行机构在运动的起点和终点需要平稳、柔和运动，而在其他路径上需要尽可能的高速运行。本发明的目的是提供一种并联机构运动平台和变加速度运动控制方法。

本发明提供一种并联机构运动平台和变加速度控制方法，该并联机构运动平台包括机架、直线导轨、左滑块、右滑块、第一连杆、第二连杆、第三连杆和动平台；所述直线导轨安装在所述机架上，所述左滑块和右滑块沿所述直线导轨运动；动平台与所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的一端铰接，所述第一连杆、第二连杆的另一端与所述左滑块铰接，所述第三连杆的另一端与所述右滑块铰接；所述三个连杆、两个滑块和动平台形成平面并联机构；按照不同的加速度曲线对所述左滑块和右滑块进行变加速度控制。

进一步地，采用两个伺服电机分别通过不同的S型速度控制曲线控制所述左、右滑块的运动，使得所述左、右滑块的加速度为变加速度。

进一步地，所述变加速度为T形曲线。

一种基于上述变加速度控制方法的并联机构运动平台，所述三副连杆的长度相等，其中第一连杆与第二连杆平行；所述第一连杆、第二连杆、所述左滑块、所述动平台形成平行四边形结构，确保所述动平台在运动过程中始终与直线导轨平行。

进一步地，在所述直线导轨的两端分别安装两个光电开关。

进一步地，所述机架和所述三个连杆都采用铝合金制作。

进一步地，所述机架安装在的铸钢底座上。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

1）通过驱动电机的变加速度控制，可以使运动平台和焊头的运行曲线、速度曲线和加速度曲线都连续、光滑，中间没有停滞、突变现象，运动平台在运行过程中冲击、振动小；在启动和停止时，运动平台的加速度为零，因此运动平台能柔和起停，运动平台上的焊头能以“零接触力”接触工件或元器件。

2）并联机构连接动平台结构稳定，刚度大；与串联机构相比，在相同自重与体积下具有较高的承载能力，同时具有机构的运动精度高、运动速度快、加速度大的特点。

3）滑块在直线导轨上只作平动，控制较为容易。

4）长度相等的两个连杆、动平台和左滑块组成的平行四边行机构，保证动平台在运动过程中始终与直线导轨保持平行。

5）光栅尺测量滑块的位置，通过全闭环反馈控制伺服电机转动的角度，来带动左右滑块的移动，从而实现动平台的高精度位移和定位。

6）机构整体重量比较轻，尺寸小，特别是并联机构和动平台的重量轻，容易安装在其他的机器上或和其他机器联合使用。

附图说明

图1是本发明装置的示意图。

图2是本发明装置的左右滑块加速度示意图。

图3是本发明装置的动平台X、Y方向及合成的速度曲线示意图。

图4是本发明装置的动平台X、Y方向及总加速度曲线示意图。

其中: 1动平台，2焊头，3、4长度相等的第一和第二连杆，5左伺服电机，6右伺服电机，7左滑块，8运动轨迹曲线，9 第三连杆，10右滑块，11 光栅尺，12直线导轨，13、14滚珠丝杠，15机架，16光电开关，17轴承座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地详细说明：

如图1所示，本发明包括机架15，承载着全部结构，两条直线导轨12安装在机架水平方向。机架的两端安装有轴承座17，滚珠丝杠13、14的两端轴承安装在轴承座里，滚珠丝杠和导轨平行，左滑块７、右滑块10分别安装在直线导轨12上，由滚珠丝杠驱动左右滑块沿直线导轨移动；由于右滑块10运行的距离比左滑块7运行的距离长，将与左滑块7相连的滚珠丝杠的螺距选择小一些，与右滑块相联的滚珠丝杠的螺距大一些，便于均衡左右电机的转速；直线导轨12的上侧面装有光栅尺11，用于确定滑块的位置，将光栅尺检测到的滑块位置的数字量传输到计算机，和预定的数字量进行比较，从而调整给驱动电机的指令，提高动平台和焊头的位置精度；三副连杆长度相等，其中第一连杆3、第二连杆4的两端分别与动平台1和左滑块７铰接，形成一个平行四边形机构，使动平台和焊头只能平动而不能转动。第三连杆9的一端与右滑块10铰接，另一端与动平台1铰接，第一连杆3、第二连杆4和第三连杆9组成了一个并联机构，该并联机构结构稳定，刚度大。与串联机构相比，在相同自重与体积下具有较高的承载能力；驱动电机5、6安装在机架上，减轻了运动系统的重量和惯性，可以优化整个机构的运动学、动力学性能。

长度相等的第一连杆3、第二连杆4、第三连杆9和相连的左右滑块、动平台等组成并联机构，结构稳定，刚度大，有较高的承载能力。在立式机架的直线导轨两端分别安装两个光电开关16，控制左右滑块的终端位置，一旦滑块越程，光电开关产生脉冲，计算机控制整个机构停止运行，发出报警，等待处理。

为了减轻机构的重量，连杆件和立式机架的材料都采用铝合金；为了减小机构的振动，立式机架安装在的铸钢底座上。

本机构采用两套直线导轨导向，两个伺服电机分别驱动各自的滚珠丝杠，光栅尺检测位置精度。本机构的两个伺服电机分别采用不同的S型速度控制曲线来进行控制，其加速度为T形，为变加速度，动平台及其上的焊头的加速度、速度为两个驱动电机的加速度、速度的矢量和，因此在起点和终点，机构的速度、加速度为零，即运动平台和安装的焊头能柔和起停，以“零接触力”接触拾取的元器件，在运行过程中平台的加速度也连续，即机构的运行路径上的一阶、二阶导数存在，三阶导数连续，所以动平台的运动平稳，冲击、振动小，这对提高封装质量和效率非常有利。

所描述的运动控制包括如下步骤：

1) 本发明装置的左右滑块加速度控制（图2）

采用T型加速度控制曲线时，右滑块在整个运行区间的加速度曲线：

经过第一个时间间隔(即经过时间

Figure 2013101614434100002DEST_PATH_IMAGE001

、

Figure 2013101614434100002DEST_PATH_IMAGE002

和

)，右滑块运行的距离和速度分别为：

经过第二个时间间隔(即经过时间

、

和)，右滑块运行的距离和速度分别为：

同理可求

、

（

）：

最后一个时间间隔(即经过时间

、

)，右滑块运行的距离和速度分别为：

则右滑块所运行的距离和所用的时间分别为：

其中：

则动平台的优化方程为：

其约束条件为：

(1) 初始加速度和加加（减减）速时间分别为：

(2) 焊头机构开始拾片和焊片时的速度都接近于零，即有：

2) 本发明装置的动平台X、Y方向及合成的速度曲线控制（图3和图4）

由于左右滑块的加速度都是连续的线段，因此合成的焊头的运行曲线也是由直线和曲线所组成的。本机构的运行曲线分为九段，其中拾片段和焊片段的轨迹为直线，其它部分为曲线，具体表达式为：

拾片：

焊片：

中间第

段（）的形式：

式中 ——焊头在此段起点的时间；

——焊头在此段终点的时间；

——常数，在不同的曲线段

不同(

)。

例如其中一段：

由于左右驱动电机在起点和终点的速度、加速度为零，并且在运行过程中加速度连续，因此焊头在起点和终点的速度、加速度为零，在运行过程中加速度也连续，即焊头运行路径的一阶、二阶导数存在，三阶导数有限，所以焊头运动平稳，冲击和振动较小。