CN103838259B - 伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统及其调节方法，属于超精密仪器设备平台技术领域。为了解决目前的动态调平系统对支撑高度很难实现快速高精度的调节的问题。所述电动调平系统包括基座、调平平台、气囊、M组电动支撑高度调节装置、电子水平仪和控制器。调平平台中心通过气囊支撑在基座上，在气囊的周围分布M组电动支撑高度调节装置，调平平台的基准面安装伺服式电子水平仪，控制器根据电子水平测得数据，控制M组电动支撑高度调节装置调节自身的支撑高度，从而实现对调平平台水平度的动态高精度调节。它用于调平平台。

Description

伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统及其调节方法，属于超精密仪器设备平台技术领域。

背景技术

调平平台被广泛应用于支撑安装高精度的测量仪器、制造设备、实验系统等。

传统的调平平台对载荷基准平面的水平度进行静态或准静态调节。当调平平台的载荷的质心分布动态变化或者其支撑基座受到干扰产生动态位移时，调平平台的水平度也呈现动态变化。静态或准静态的调平平台很难适应这种水平度需要动态调节的工况。

动态调平系统采用多点支撑（三个到六个），每个支撑点采用液压或电动驱动机构对该支撑点的支撑高度进行调节。调平平台及负载的重量完全由这些支撑点承担。当调平平台的载荷重量很大时，每个支撑点需要提供支撑力很大。此时，每个支撑点的驱动调节机构机械设计笨重、驱动功率高，很难实现快速精密控制，对支撑高度很难实现快速高精度的调节。因而，调平平台的水平度也很难实现快速高精度调节。

随着技术的发展，不断涌现的大型、高精度的加工制造设备、测量实验仪器、仿真实验系统对重载高精度快速动态调平系统提出了迫切需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的动态调平系统对支撑高度很难实现快速高精度的调节的问题，本发明提供一种伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统及其调节方法。

本发明的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统，

所述电动调平系统包括基座、调平平台、气囊、M组电动支撑高度调节装置、电子水平仪和控制器；M的取值为大于2的整数；

电子水平仪设置在调平平台的上表面；

调平平台的下表面与气囊的顶部接触，气囊的底部固定在基座上，所述气囊的位置对应基座和调平平台的中心；

M组电动支撑高度调节装置设置在调平平台与基座之间，M组电动支撑高度调节装置等间距分布在气囊的外侧，M为正整数；

所述电动支撑高度调节装置包括伺服电机、伺服电机驱动器和伺服高度调节装置；

所述伺服电机、伺服电机驱动器和伺服高度调节装置的底端设置在基座上，伺服电机驱动器的驱动信号输出端与伺服电机的驱动信号输入端连接，伺服电机的动力输出端与伺服高度调节装置的动力输入端连接，伺服高度调节装置的顶端固定在调平平台的下表面；

电子水平仪的倾斜角信号输出端与控制器的倾斜角信号输入端连接，控制器的M个高度调节控制信号输出端分别与M组电动支撑高度调节装置的伺服电机驱动器的高度调节控制信号输入端连接。

所述M的取值为3、4或6。

它还包括多个紧固件，所述多个紧固件均用于气囊的顶部和底部分别与基座和调平平台的连接。

所述伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的调节方法，所述调节方法通过在控制器内嵌入软件实现，所述软件的工作过程包括如下步骤：

接收电子水平仪测得的两个方向的水平倾斜角α和β的步骤，水平倾斜角α为调平平台的Y轴与水平面的夹角，水平倾斜角β为调平平台的X轴与水平面的夹角，调平平台的M个支撑点的几何中心指向其中相邻两个支撑点的连线中点为X轴，垂直于调平平台上表面向上为Z轴，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系；

根据接收到的水平倾斜角α和β，再结合M组电动支撑高度调节装置设置的位置，计算M组电动支撑高度调节装置的高度调节量的步骤；

根据获得的M组电动支撑高度调节装置的高度调节量，分别控制相应的M组电动支撑高度调节装置的伺服电机进行动力输出，进而实现伺服高度调节装置的高度调节量的步骤。

所述M的取值为3，且3组电动支撑高度调节装置以气囊4为中心呈正三角形设置时：

所述根据接收到的水平倾斜角α和β，再结合M组电动支撑高度调节装置设置的位置，计算M组电动支撑高度调节装置的高度调节量的步骤为：

3组电动支撑高度调节装置与调平平台的接触点分别为支撑点①、支撑点②和支撑点③，a为每两组电动支撑高度调节装置之间的距离，

支撑点②和支撑点③对水平倾斜角α进行补偿：

支撑点②在α方向的高度调节量为：

支撑点③在α方向的高度调节量为：

支撑点①、支撑点②和支撑点③对水平倾斜角β进行补偿：

支撑点①在β方向的高度调节量为

支撑点②和支撑点②在β方向的高度调节量均为

根据上述，则得出：

支撑点①的高度调节量为

支撑点②的高度调节量为 ${\mathrm{\δ}}_2={\mathrm{\δ}}_2^{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\δ}}_2^{\mathrm{\β}}=a(\frac{\mathrm{\α}}{2}-\frac{\sqrt{3}\mathrm{\β}}{6}),$

支撑点③的高度调节量为 ${\mathrm{\δ}}_3={{\mathrm{\δ}}_3^{\mathrm{\α}}+\mathrm{\δ}}_3^{\mathrm{\β}}=-a(\frac{\mathrm{\α}}{2}+\frac{\sqrt{3}\mathrm{\β}}{6}).$

本发明的有益效果在于，

1)调平平台6采用气囊4支撑卸载降低了支撑高度调节机构的承载能力要求，因此采用电动支撑高度调节机构可以通过选配低负载快速高精度的驱动传动机构实现对支撑高度的快速高精度动态调节；

(2)气囊4的刚度具有非线性特点，相对于弹簧等其他弹性支撑结构具有大承载低刚度的特点，在电动支撑高度调节机构对支撑点支撑高度调节时，调平平台6的高度变化不会造成气囊4输出的支撑力的显著下降，即电动支撑高度调节机构在支撑高度调节过程中负载基本恒定；

(3)采用伺服式电子水平仪12直接测量调平平台6的水平度并反馈给控制器形成闭环控制，实现了调平平台6水平度的快速动态高精度调节，在负载7工作过程中质心动态变化或基座1的安装环境具有动态位移（例如没有独立地基、安装在楼层上、野外环境、安装在移动车辆或设备上等）时，可以实现调平平台的水平度的实时补偿。

本发明的调平系统对支撑高度的调节精度可以达到3″。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的原理示意图；

图2为具体实施方式一所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统电气原理示意图；

图3为具体实施方式六所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统，所述电动调平系统包括基座1、调平平台6、气囊4、M组电动支撑高度调节装置、电子水平仪12和控制器；M的取值为大于2的整数；

电子水平仪12设置在调平平台6的上表面；

调平平台6的下表面与气囊4的顶部接触，气囊4的底部固定在基座1上，所述气囊4的位置对应基座1和调平平台6的中心；

M组电动支撑高度调节装置设置在调平平台6与基座1之间，M组电动支撑高度调节装置等间距分布在气囊4的外侧，M为正整数；

所述电动支撑高度调节装置包括伺服电机2、伺服电机驱动器13和伺服高度调节装置；

所述伺服电机2、伺服电机驱动器13和伺服高度调节装置的底端设置在基座1上，伺服电机驱动器13的驱动信号输出端与伺服电机2的驱动信号输入端连接，伺服电机2的动力输出端与伺服高度调节装置的动力输入端连接，伺服高度调节装置的顶端固定在调平平台6的下表面；

电子水平仪12的倾斜角信号输出端与控制器的倾斜角信号输入端连接，控制器的M个高度调节控制信号输出端分别与M组电动支撑高度调节装置的伺服电机驱动器13的高度调节控制信号输入端连接。

本实施方式中，所述气囊4实现对所述调平平台6和其上负载7的主要支撑，实现对负载的卸载。

所述电动支撑高度调节装置实现对所述调平平台6及其上负载7的辅助支撑和所述调平平台6上表面的水平度调节。

所述气囊4对所述调平平台6及其上负载7卸载后，所述电动支撑高度调节装置的负载大幅度降低，所述伺服电机2选配小功率精密型。

所述控制器可以采用工业计算机、可编程逻辑控制器或者单片机实现，所述电子水平仪12和所述伺服电机2配套的伺服电机驱动器13与控制器连接。

所述调平平台6的水平度采用闭环控制，所述电子水平仪12测量所述调平平台6的水平度并反馈给所述控制器，所述控制器计算每一组所述电动支撑高度调节机构的支撑高度调节量，所述控制器驱动控制所述伺服电机2实现对应支撑点的支撑高度调节量。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的进一步限定，所述伺服高度调节装置包括减速器3、滚珠丝杠10、丝母11、套筒9和球铰8；

所述减速器3固定在基座1上，伺服电机2的动力输出端与减速器3的动力输入端连接，减速器3的扭矩输出端与滚珠丝杠10的扭矩输入端连接，滚珠丝杠10通过丝母11与套筒9的一端连接，套筒9的的另一端与球铰8连接，球铰8固定在调平平台6的下表面。

本实施方式采用气囊4作为主支撑，承担调平平台6及负载7的绝大部分重量（90%或更高），电动支撑高度调节装置承担调平平台6及负载7的余下重量；由于每组电动支撑高度调节机构的负载重量大为降低（小于没有气囊卸载时支撑高度调节机构负载的10%），伺服电机2可以选用低功率型，减速器3可以选用小减速比精密型，滚珠丝杠10和丝母11可以小负载选用精密型，因而高度调节的响应速度和调节精度得到明显的提升；采用伺服式电子水平仪12测量调平平台6工作平面的水平状态，并反馈给控制器，控制器计算得到每个电动支撑高度调节装置的高度调节量输出指令发送给伺服电机驱动器13，伺服电机驱动器13驱动伺服电机2完成指定的高度调节量指令。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的进一步限定，所述M的取值为3、4或6。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的进一步限定，它还包括多个紧固件5，所述多个紧固件5均用于气囊4的顶部和底部分别与基座1和调平平台6的连接。

具体实施方式五：本实施方式是具体实施方式一或二所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的调节方法，所述调节方法通过在控制器内嵌入软件实现，所述软件的工作过程包括如下步骤：

接收电子水平仪12测得的两个方向的水平倾斜角α和β的步骤，水平倾斜角α为调平平台6的Y轴与水平面的夹角，水平倾斜角β为调平平台6的X轴与水平面的夹角，调平平台6的M个支撑点的几何中心指向其中相邻两个支撑点的连线中点为X轴，垂直于调平平台6上表面向上为Z轴，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系；

根据接收到的水平倾斜角α和β，再结合M组电动支撑高度调节装置设置的位置，计算M组电动支撑高度调节装置的高度调节量的步骤；

根据获得的M组电动支撑高度调节装置的高度调节量，分别控制相应的M组电动支撑高度调节装置的伺服电机2进行动力输出，进而实现伺服高度调节装置的高度调节量的步骤。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的调节方法进一步限定，所述M的取值为3，且3组电动支撑高度调节装置以气囊4为中心呈正三角形设置时：

所述根据接收到的水平倾斜角α和β，再结合M组电动支撑高度调节装置设置的位置，计算M组电动支撑高度调节装置的高度调节量的步骤为：

3组电动支撑高度调节装置与调平平台6的接触点分别为支撑点①、支撑点②和支撑点③，a为每两组电动支撑高度调节装置之间的距离，

支撑点②和支撑点③对水平倾斜角α进行补偿：

支撑点②在α方向的高度调节量为：

支撑点③在α方向的高度调节量为：

支撑点①、支撑点②和支撑点③对水平倾斜角β进行补偿：

支撑点①在β方向的高度调节量为

支撑点②和支撑点②在β方向的高度调节量均为

根据上述，则得出：

支撑点①的高度调节量为

支撑点②的高度调节量为 ${\mathrm{\δ}}_2={\mathrm{\δ}}_2^{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\δ}}_2^{\mathrm{\β}}=a(\frac{\mathrm{\α}}{2}-\frac{\sqrt{3}\mathrm{\β}}{6}),$

支撑点③的高度调节量为 ${\mathrm{\δ}}_3={{\mathrm{\δ}}_3^{\mathrm{\α}}+\mathrm{\δ}}_3^{\mathrm{\β}}=-a(\frac{\mathrm{\α}}{2}+\frac{\sqrt{3}\mathrm{\β}}{6}).$

如图3所示，h为2组电动支撑高度调节装置的平行距离。

本实施方式中，所述负载7为卫星模拟器；所述调平平台6上表面为气浮平面，与卫星模拟器的气足配合实现对卫星模拟器的非接触无摩擦支撑；气囊4周围正三角形布局三组电动支撑高度调节装置，支撑点顺时针依次编号为①、②、③，每两组电动高度调节装置的支撑中心距离为a；所述减速器3为蜗轮蜗杆减速器，减速比为n；所述滚珠丝杠10导程为m；所述电子水平仪12采用串行接口；

电子水平仪12测量调平平台6的水平度并通过串行总线发送给控制器，控制器计算支撑点①、②、③的支撑高度调节量，并通过控制伺服电机驱动器13驱动支撑点①、②、③产生竖直位移。

Claims (3)

1.伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的调节方法，所述电动调平系统包括基座(1)、调平平台(6)、气囊(4)、M组电动支撑高度调节装置、电子水平仪(12)和控制器；

电子水平仪(12)设置在调平平台(6)的上表面；调平平台(6)的下表面与气囊(4)的顶部接触，气囊(4)的底部固定在基座(1)上，所述气囊(4)的位置对应基座(1)和调平平台(6)的中心；M组电动支撑高度调节装置设置在调平平台(6)与基座(1)之间，M组电动支撑高度调节装置等间距分布在气囊(4)的外侧；

所述电动支撑高度调节装置包括伺服电机(2)、伺服电机驱动器(13)和伺服高度调节装置；所述伺服电机(2)、伺服电机驱动器(13)和伺服高度调节装置的底端设置在基座(1)上，伺服电机驱动器(13)的驱动信号输出端与伺服电机(2)的驱动信号输入端连接，伺服电机(2)的动力输出端与伺服高度调节装置的动力输入端连接，伺服高度调节装置的顶端固定在调平平台(6)的下表面；

电子水平仪(12)的倾斜角信号输出端与控制器的倾斜角信号输入端连接，控制器的M个高度调节控制信号输出端分别与M组电动支撑高度调节装置的伺服电机驱动器(13)的高度调节控制信号输入端连接；

所述调节方法通过在控制器内嵌入软件实现，所述软件的工作过程包括如下步骤：

接收电子水平仪(12)测得的两个方向的水平倾斜角α和β的步骤，水平倾斜角α为调平平台(6)的Y轴与水平面的夹角，水平倾斜角β为调平平台(6)的X轴与水平面的夹角，调平平台(6)的M个支撑点的几何中心指向其中相邻两个支撑点的连线中点为X轴，垂直于调平平台(6)上表面向上为Z轴，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系；

根据接收到的水平倾斜角α和β，再结合M组电动支撑高度调节装置设置的位置，计算M组电动支撑高度调节装置的高度调节量的步骤；

根据获得的M组电动支撑高度调节装置的高度调节量，分别控制相应的M组电动支撑高度调节装置的伺服电机(2)进行动力输出，进而实现伺服高度调节装置的高度调节量的步骤；

其特征在于，

所述M的取值为3，且3组电动支撑高度调节装置以气囊(4)为中心呈正三角形设置时，

所述根据接收到的水平倾斜角α和β，再结合M组电动支撑高度调节装置设置的位置，计算M组电动支撑高度调节装置的高度调节量的步骤为：

3组电动支撑高度调节装置与调平平台(6)的接触点分别为支撑点①、支撑点②和支撑点③，α为每两组电动支撑高度调节装置之间的距离，

支撑点②和支撑点③对水平倾斜角α进行补偿：

支撑点②在α方向的高度调节量为：

支撑点③在α方向的高度调节量为：

支撑点①、支撑点②和支撑点③对水平倾斜角β进行补偿：

支撑点①在β方向的高度调节量为

支撑点②和支撑点③在β方向的高度调节量均为

根据上述，则得出：

支撑点①的高度调节量为

支撑点②的高度调节量为

支撑点③的高度调节量为

2.根据权利要求1所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的调节方法，其特征在于，所述伺服高度调节装置包括减速器(3)、滚珠丝杠(10)、丝母(11)、套筒(9)和球铰(8)；所述减速器(3)固定在基座(1)上，伺服电机(2)的动力输出端与减速器(3)的动力输入端连接，减速器(3)的扭矩输出端与滚珠丝杠(10)的扭矩输入端连接，滚珠丝杠(10)通过丝母(11)与套筒(9)的一端连接，套筒(9)的的另一端与球铰(8)连接，球铰(8)固定在调平平台(6)的下表面。

3.根据权利要求1所述的伺服式重载荷超精密气囊支撑电动调平系统的调节方法，其特征在于，它还包括多个紧固件(5)，所述多个紧固件(5)均用于气囊(4)的顶部和底部分别与基座(1)和调平平台(6)的连接。