CN103699052A - 利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测控技术领域，具体涉及一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，目的是提供一种能够完全消除齿隙影响的利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置。它包括速率回路、线性位置回路组件和非线性位置回路组件；其中，线性位置回路组件与速率回路组成线性位置回路；非线性位置回路组件与线性位置回路连接，组成非线性位置回路。本发明采用由数字测速机、角度编码器、光栅尺及开关组成的三回路控制系统，对存在回程间隙的滚珠丝杠进行回程间隙补偿定位，在间隙0.05mm，螺距5mm条件下，定位精度达到0.001mm，定位稳定，重复性好。
Description
技术领域
本发明属于测控技术领域，具体涉及一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置。
背景技术
在长度测量技术领域，经常用到直线位移传动形式，其中丝杠螺母副是常用的传动机构，其用途是将丝杠螺母副的旋转运动转换为螺母或丝杠的直线运动。理想的丝杠螺母副是无间隙配合，其旋转运动转换为直线运动时不存在回程间隙。而实际上，无间隙的配合无法发生相对运动，因此实际应用的丝杠螺母副均为间隙配合，其旋转运动转换为直线运动时必然存在回程间隙。丝杠螺母副在用于精密定位时通常需要使用测角码盘作为定位反馈元件，当丝杠存在回程间隙时精密定位装置会由于间隙的存在而产生振荡，使装置定位不准。
目前常用对结构进行优化设计的方法消除非线性环节带来的影响。在进行结构设计时预留丝杠预紧装置，丝杠安装时，对丝杠施加预紧力，使其与螺母之间产生过赢，达到消除间隙的目的，但过赢量掌握不好会加剧丝杠的磨损。另外也可以设计特殊的螺母结构，装调时使螺母和丝杠之间产生过赢，同样这种结构也存在过赢量过大产生磨损加剧的情况。
消间隙结构设计能有效消除齿隙误差，但对于已产生的间隙需要重新调整结构，而且调整结构的调整余量是有限的。目前，尚未有能够完全消除齿隙误差的精密定位装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置。
本发明是这样实现的：
一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，包括速率回路、线性位置回路组件和非线性位置回路组件；其中，速率回路采集电机的转速，与接收到的速率指令信号作差，然后对速率误差信号进行速度校正、数模转换和放大后发给电机；线性位置回路组件与速率回路组成线性位置回路，线性位置回路组件采集电机转子的角位置，与接收到的角位置指令信号作差，然后对角位置误差信号进行位置校正，得到速率指令信号供速率回路使用；非线性位置回路组件与线性位置回路连接，组成非线性位置回路，非线性位置回路组件将接收光栅尺的线性位移信号与角度编码器角度信号进行合成，得到实际线位置信号，与接收到的线位置指令信号作差，然后进行指令合成，得到角位置指令信号，供线性位置回路使用。
如上所述的速率回路包括数字测速机、速率校正器、数字模拟转换器、功率放大器和第一加法器；数字测速机与电机的转子连接，采集电机转子的转速，将电机转子的转速发送给第一加法器；第一加法器将接收到的电机转速与接收到的速率指令信号作差，得到速率误差信号，然后将速率误差信号发送给速率校正器。速率校正器还与数字模拟转换器连接，速率校正器对接收到的速率误差信号进行稳速校正，然后将校正后的信号发送给数字模拟转换器；数字模拟转换器还与功率放大器连接，它将接收到的信号进行数模转换，得到模拟信号，然后将其发送给功率放大器；功率放大器还与电机连接，它将接收到的信号进行放大，然后将其发送给电机。
如上所述的线性位置回路组件包括角度编码器、角度细分装置、位置校正器和第二加法器；角度编码器与电机和角度细分装置连接，角度编码器采集电机的角位置信息，并将角位置信息发送给角度细分装置；角度细分装置还与第二加法器连接，角度细分装置将角度编码器发送的角位置信息进行细分，然后将其发送给第二加法器；第二加法器将接收到的角位置信息与接收到的角位置指令信号作差，得到角位置误差信号，然后将角位置误差信号发送给位置校正器；位置校正器还与速率回路的加法器连接，它将接收到的角位置误差信号进行位置校正，得到速率指令信号，并将其发送给第一加法器。
如上所述的非线性位置回路组件包括栅尺、光栅细分装置、开关和第三加法器；光栅尺与滚珠丝杠连接，光栅尺采集的滚珠丝杠的线位置信号，然后将其发送给光栅细分装置；光栅细分装置还通过开关与第三加法器连接，它将接收到的线位置信号进行细分，然后将其发送给第三加法器；第三加法器还与第二加法器连接连接，第三加法器接收外部的线位置指令，将其与接收到的来自光栅细分装置的线位置信号作差，得到线位置误差信号，然后将其发送给第二加法器。
如上所述的数字模拟转换器采用PCI6208GL、功率放大器和电机采用80CB050交流伺服控制器及电机。
如上所述的角度编码器采用2500线码盘、角度细分装置采用最高100倍的细分电路。
如上所述的光栅尺采用RES40、光栅细分装置采用1024倍细分卡。
本发明的有益效果是：
本发明采用由数字测速机、角度编码器、光栅尺及开关组成的三回路控制系统，对存在回程间隙的滚珠丝杠进行回程间隙补偿定位，在间隙0.05mm，螺距5mm条件下，定位精度达到0.001mm，定位稳定，重复性好。
附图说明
图1是本发明的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置进行介绍：
如图1所示，一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，包括速率回路、线性位置回路组件、非线性位置回路组件。
速率回路采集电机的转速，与接收到的速率指令信号作差，得到速率误差信号，然后对速率误差信号进行速度校正、数模转换和放大后发给电机。线性位置回路组件与速率回路组成线性位置回路，它采集电机转子的角位置，与接收到的角位置指令信号作差，得到角位置误差信号，然后对得到角位置误差信号，进行位置校正，得到速率指令信号供速率回路使用。非线性位置回路组件与线性位置回路连接，组成非线性位置回路，它接收光栅尺的线性位移信号与角度编码器角度信号进行合成，得到实际位置信号，与接收到的线位置指令信号作差，然后进行指令合成，对实际线位置做非线性校正，得到线位置误差信号，然后进行指令合成，对实际线位置信号做非线性校正；得到角位置指令信号，供线性位置回路使用。
所述的速率回路包括数字测速机、速率校正器、数字模拟转换器、功率放大器和第一加法器。数字测速机与电机的转子连接，采集电机转子的转速，将电机转子的转速发送给第一加法器。第一加法器将接收到的电机转速与接收到的速率指令信号作差，得到速率误差信号，然后将速率误差信号发送给速率校正器。速率校正器还与数字模拟转换器连接，速率校正器对接收到的速率误差信号进行稳速校正，稳速校正采用数字PID算法实现；然后将校正后的信号发送给数字模拟转换器。数字模拟转换器还与功率放大器连接，它将接收到的信号进行数模转换，得到模拟信号，然后将其发送给功率放大器。功率放大器还与电机连接，它将接收到的信号进行放大，然后将其发送给电机。数字模拟转换器采用PCI6208GL、功率放大器和电机采用80CB050交流伺服控制器及电机。
线性位置回路组件包括角度编码器、角度细分装置、位置校正器和第二加法器。角度编码器与电机和角度细分装置连接，它采集电机的角位置信息，并将其发送给角度细分装置。角度细分装置还与第二加法器连接，它将角度编码器发送的角位置信息进行细分，然后将其发送给第二加法器。第二加法器将接收到的角位置信息与接收到的角位置指令信号作差，得到角位置误差信号，然后将其发送给位置校正器。位置校正器还与速率回路的加法器连接，它将接收到的角位置误差信号进行位置校正，得到速率指令信号，位置校正采用数字PID算法实现；并将其发送给第一加法器。角度编码器采用2500线码盘、角度细分装置采用最高100倍的细分电路。
非线性位置回路组件包括光栅尺、光栅细分装置、开关和第三加法器。光栅尺与滚珠丝杠连接，它采集的滚珠丝杠的线位置信号，然后将其发送给光栅细分装置。光栅细分装置还通过开关与第三加法器连接，它将接收到的线位置信号进行细分，然后将其发送给第三加法器。第三加法器还与第二加法器连接，它接收外部的线位置指令，将其与接收到的来自光栅细分装置的线位置信号作差，得到线位置误差信号，然后将其作为角位置指令信号发送给第二加法器。光栅尺采用RES40、光栅细分装置采用1024倍细分卡。
电机的转子与滚珠丝杠同轴连接，带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠依靠配合滑块将丝杠的旋转运动变为滑块的直线运动，实现运动的直线传递。
数字测速机、速率校正器、位置校正器、加法器和开关均可根据其实现的功能采用现有技术实现。
工作时，首先，将精密定位装置工作模式设定于线性定位模式，非线性位置回路组件的开关处于断开状态。线性位置回路组件和速率回路组成的线性位置回路处于工作状态。外部的位移指令通过第三加法器送至第二加法器，与来自角度细分装置的角位置信息作差，然后将其发送给位置校正器，经位置校正后发送给速率回路，通过速率回路对电机进行控制。电机转子转动并带动滚珠丝杠转动，实现线性位置定位。线性位置完成定位后，由于滚珠丝杠的间隙误差，实际并没有完成精密定位，此时闭合非线性位置回路组件的开关，非线性位置回路组件与线性位置回路连接，组成非线性位置回路。光栅尺采集的滚珠丝杠的直线位置信号，然后将其发送给光栅细分装置。光栅细分装置与第三加法器连接，它将接收到的线位置信号进行细分，然后将其发送给第三加法器。第三加法器接收外部的线位置指令，将其与接收到的来自光栅细分装置的线位置信号作差，然后将其作为角位置指令信号发送给线性位置回路，进而实现对电机的控制，从而消除滚珠丝杠齿隙误差的影响，实现精密定位。
本发明采用由数字测速机、角度编码器、光栅尺及开关组成的三回路控制系统，对存在回程间隙的滚珠丝杠进行回程间隙补偿定位，在间隙0.05mm，螺距5mm条件下，定位精度达到0.001mm，定位稳定，重复性好。
Claims (7)
1.一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，包括速率回路、线性位置回路组件和非线性位置回路组件；其中，速率回路采集电机的转速，与接收到的速率指令信号作差，然后对速率误差信号进行速度校正、数模转换和放大后发给电机；线性位置回路组件与速率回路组成线性位置回路，线性位置回路组件采集电机转子的角位置，与接收到的角位置指令信号作差，然后对角位置误差信号进行位置校正，得到速率指令信号供速率回路使用；非线性位置回路组件与线性位置回路连接，组成非线性位置回路，非线性位置回路组件将接收光栅尺的线性位移信号与角度编码器角度信号进行合成，得到实际线位置信号，与接收到的线位置指令信号作差，然后进行指令合成，得到角位置指令信号，供线性位置回路使用。
2.根据权利要求1所述的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，其特征在于：所述的速率回路包括数字测速机、速率校正器、数字模拟转换器、功率放大器和第一加法器；数字测速机与电机的转子连接，采集电机转子的转速，将电机转子的转速发送给第一加法器；第一加法器将接收到的电机转速与接收到的速率指令信号作差，得到速率误差信号，然后将速率误差信号发送给速率校正器。速率校正器还与数字模拟转换器连接，速率校正器对接收到的速率误差信号进行稳速校正，然后将校正后的信号发送给数字模拟转换器；数字模拟转换器还与功率放大器连接，它将接收到的信号进行数模转换，得到模拟信号，然后将其发送给功率放大器；功率放大器还与电机连接，它将接收到的信号进行放大，然后将其发送给电机。
3.根据权利要求1所述的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，其特征在于：所述的线性位置回路组件包括角度编码器、角度细分装置、位置校正器和第二加法器；角度编码器与电机和角度细分装置连接，角度编码器采集电机的角位置信息，并将角位置信息发送给角度细分装置；角度细分装置还与第二加法器连接，角度细分装置将角度编码器发送的角位置信息进行细分，然后将其发送给第二加法器；第二加法器将接收到的角位置信息与接收到的角位置指令信号作差，得到角位置误差信号，然后将角位置误差信号发送给位置校正器；位置校正器还与速率回路的加法器连接，它将接收到的角位置误差信号进行位置校正，得到速率指令信号，并将其发送给第一加法器。
4.根据权利要求1所述的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，其特征在于：所述的非线性位置回路组件包括栅尺、光栅细分装置、开关和第三加法器；光栅尺与滚珠丝杠连接，光栅尺采集的滚珠丝杠的线位置信号，然后将其发送给光栅细分装置；光栅细分装置还通过开关与第三加法器连接，它将接收到的线位置信号进行细分，然后将其发送给第三加法器；第三加法器还与第二加法器连接，第三加法器接收外部的线位置指令，将其与接收到的来自光栅细分装置的线位置信号作差，得到线位置误差信号，然后将其发送给第二加法器。
5.根据权利要求2所述的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，其特征在于：所述的数字模拟转换器采用PCI6208GL、功率放大器和电机采用80CB050交流伺服控制器及电机。
6.根据权利要求3所述的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，其特征在于：所述的角度编码器采用2500线码盘、角度细分装置采用最高100倍的细分电路。
7.根据权利要求4所述的一种利用误差修正闭环回路消除齿隙误差的精密定位装置，其特征在于：所述的光栅尺采用RES40、光栅细分装置采用1024倍细分卡。
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