CN104019749B - 一种用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置及测量方法，属于全物理仿真测量领域。所述测量装置由气路部分、垂向运动部分、测量部分和测量补偿部分构成。本发明气路部分通过调整气压补偿垂向重力，垂向运动部分通过控制运动直线电机带动伺服机构垂向运动，测量部分通过直线光栅测得未补偿前的位移，测量补偿部分通过控制补偿直线电机带动电容传感器基板运动到未补偿前的位移附近，通过使用激光干涉仪标定后的直线光栅，使电容传感器补偿直线光栅的测量误差。从而提高了测量装置的分辨率。相比于现有技术，本发明具有结构简单、控制方便的优点。

Description

一种用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于全物理仿真测量领域，涉及一种环境受限的高精度伺服机构的测量装置及测量方法。

背景技术

在当今时代，各国纷纷抢占太空资源，航空航天技术不断发展，同时也带动了仿真领域的不断进步。全物理仿真是航天器投入使用前必须进行的一个关键环节。如何更好的模拟外太空的无摩擦微重力的复杂环境，并在此条件下，如何提高航天设备的精度都是全物理仿真领域必须要解决的重点问题。

201020135260.7公开了一种直线电机驱动的气悬浮运动平台，在花岗岩基座上设置有Y轴运动平台，采用承重气垫使平台气浮，并通过直线电机控制其水平面上运动，只采用直线光栅测量其位移，降低了控制精度，限制了使用范围。

发明内容

为了在某些不适合高精度传感器安装的环境下提高其测量精度，本发明提供了一种用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置及测量方法，采用直线光栅和电容传感器复合测量，通过直线光栅测量其运动控制位移粗略值，再通过控制电容传感器基板位置达到某一经过标定的直线光栅位移处，通过调整电容传感器的位移量提高运动控制的分辨率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置，包括气路部分、垂向运动部分、测量部分和测量补偿部分，其中：

所述的的垂向运动部分由基座、内套筒、外套筒、上平面、运动直线电机以及垂向运动控制器组成；内套筒的下端与基座无缝固联，外套筒的上端与上平面无缝固联，外套筒的下端套于内套筒上部的外面，内套筒与外套筒之间可以微小摩擦相互滑动，运动直线电机的定子固联在内套筒中，运动直线电机的动子一端与上平面固联，垂向运动控制器固定在定子上，通过垂向运动控制器控制运动直线电机垂向运动；

所述的气路部分位于垂向运动部分外部，由高压气瓶、开关阀、比例阀、气压控制器组成，高压气瓶安装在基座上面，高压气瓶与内套筒之间连接有开关阀，比例阀与内套筒相连，气压控制器与比例阀连接，高压气瓶为气源，通过开关阀为机构内部提供高压气体，比例阀为排气阀，通过气压控制器控制其排出腔内气体，各部件之间通过耐压管线连接；

所述的测量部分位于垂向运动部分内部，由直线光栅和测量读数头组成，直线光栅固联在外套筒的内侧壁上，测量读数头固定在运动直线电机定子的顶端；

所述的测量补偿部分位于垂向运动部分内部，由补偿直线电机、读数头、电容传感器、电容传感器基板和测量补偿控制器组成，补偿直线电机的定子固联在内套筒中，读数头固定在补偿直线电机定子的顶端，测量补偿控制器固定在补偿直线电机的定子上，电容传感器与电容传感器基板正面平行相对，电容传感器基板固定在补偿直线电机的动子顶端，通过测量补偿控制器控制补偿直线电机垂向运动补偿位移。

本发明中，内外套筒之间通过形成气膜以微小摩擦运动。

本发明中，在机构安装完成后，用高精度的激光干涉仪对直线光栅进行标定。

利用上述测量装置进行位移测量的方法，具体步骤如下：

一、在测量装置安装完成后，通过高精度的激光干涉仪对直线光栅进行标定，减小了直线光栅制造中产生的非线性因素；

二、打开开关阀，通过高压气瓶为内套筒腔部提供恒压气体，并通过气压控制器调节比例阀开度使外套筒部分得到重力补偿，同时气压在内外套筒之间形成气膜，保证其可以相对微小摩擦运动，减轻了直线电机的负重；

三、垂向运动部分通过控制运动直线电机带动伺服机构垂向运动，在控制运动直线电机达到目标位置的过程中，当达到直线光栅的测量精度以后，暂停运动直线电机，然后控制补偿直线电机带动电容传感器的基板运动到目标位置的上一个经过激光干涉仪标定的直线光栅位移处，然后以此为电容传感器的基板位置，控制运动直线电机运动，通过电容传感器测得的位移量对实际位置进行精调，达到测量精度后，标定后的基板位移值和电容传感器的位移值之和即是最终的实际位移。此位移值相对于只使用直线光栅测得的位移值有更高的分辨率。

本发明气路部分通过调整气压补偿垂向重力，垂向运动部分通过控制运动直线电机带动伺服机构垂向运动，测量部分通过直线光栅测得未补偿前的位移，测量补偿部分通过控制补偿直线电机带动电容传感器基板运动到未补偿前的位移附近，通过使用激光干涉仪标定后的直线光栅，使电容传感器补偿直线光栅的测量误差。从而提高了测量装置的分辨率。相比于现有技术，本发明具有结构简单、控制方便的优点。

附图说明

图1为本发明用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置包括气路部分，垂向运动部分，测量部分和测量补偿部分，其中：

垂向运动部分由基座9、内套筒4、外套筒3、上平面2、运动直线电机动子10、运动直线电机定子12以及垂向运动控制器11组成。内套筒4的下端与基座9无缝固联，外套筒3的上端与上平面2无缝固联，外套筒3的下端套于内套筒4上部的外面，内套筒4与外套筒3之间相互滑动，运动直线电机定子12固联在内套筒4中，运动直线电机动子10一端与上平面2固联，垂向运动控制器11固定在运动直线电机定子12上，通过垂向运动控制器11控制运动直线电机垂向运动；

所述的气路部分位于垂向运动部分外部，由高压气瓶1、开关阀5、比例阀7、气压控制器8组成，高压气瓶1安装在基座9上面，高压气瓶1与内套筒4之间连接有开关阀5，比例阀5与内套筒4相连，气压控制器8与比例阀5连接，高压气瓶1为气源，通过开关阀5为机构内部提供高压气体，比例阀7为排气阀，通过气压控制器8控制其排出腔内气体，各部件之间通过耐压管线连接。

测量部分由直线光栅6和测量读数头16组成。直线光栅6固联在外套筒3的内侧壁上，测量读数头16固定在运动直线电机定子12的顶端。

测量补偿部分由补偿直线电机定子15、补偿直线电机动子19、读数头17、电容传感器13、电容传感器基板14和测量补偿控制器18组成。补偿直线电机定子15固联在内套筒4中并与运动直线电机定子12平行设置，读数头17固定在补偿直线电机定子15的顶端，测量补偿控制器18固定在补偿直线电机定子15上，电容传感器13与电容传感器基板14正面平行相对，电容传感器基板14固定在补偿直线电机动子19顶端，通过测量补偿控制器18控制补偿直线电机垂向运动补偿位移。

在使用前，需要用高激光激光干涉仪对直线光栅进行标定，激光干涉仪和直线光栅相对平行放置，通过激光干涉仪依次对直线光栅每一个大刻度进行标定，两个相邻刻度之间不超过电容传感器的量程。通过标定，减小了直线光栅的测量误差。

通过气压控制器控制比例阀开度，补偿其垂向重力，然后控制运动直线电机上下运动达到直线光栅的测量精度附近，然后控制补偿直线电机带动电容传感器基板垂向运动，达到最接近运动直线电机的直线光栅测量位移经过标定的位移处，然后保证补偿直线电机不动，控制运动直线电机运动，其测量值采用直线光栅和电容传感器复合测量，如此便提高了其控制分辨率。

Claims (5)

1.一种用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置，其特征在于所述测量装置由气路部分、垂向运动部分、测量部分和测量补偿部分构成，其中：

所述的垂向运动部分由基座、内套筒、外套筒、上平面、运动直线电机以及垂向运动控制器组成；内套筒的下端与基座无缝固联，外套筒的上端与上平面无缝固联，外套筒的下端套于内套筒上部的外面，运动直线电机的定子固联在内套筒中，运动直线电机的动子一端与上平面固联，垂向运动控制器固定在定子上；

所述的气路部分位于垂向运动部分外部，由高压气瓶、开关阀、比例阀、气压控制器组成，高压气瓶安装在基座上面，高压气瓶与内套筒之间连接有开关阀，比例阀与内套筒相连，气压控制器与比例阀连接；

所述的测量部分位于垂向运动部分内部，由直线光栅和测量读数头组成，直线光栅固联在外套筒的内侧壁上，测量读数头固定在运动直线电机定子的顶端；

所述的测量补偿部分位于垂向运动部分内部，由补偿直线电机、读数头、电容传感器、电容传感器基板和测量补偿控制器组成，补偿直线电机的定子固联在内套筒中，读数头固定在补偿直线电机定子的顶端，测量补偿控制器固定在补偿直线电机的定子上，电容传感器与电容传感器基板正面平行相对，电容传感器基板固定在补偿直线电机的动子顶端。

2.根据权利要求1所述的用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置，其特征在于所述气路部分的各部件之间通过耐压管线连接。

3.一种利用权利要求1-2任一权利要求所述的用于高精度垂向伺服机构的游标式测量装置进行位移测量的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、在测量装置安装完成后，通过高精度的激光干涉仪对直线光栅进行标定，减小了直线光栅制造中产生的非线性因素；

二、打开开关阀，通过高压气瓶为内套筒腔部提供恒压气体，并通过气压控制器调节比例阀开度使外套筒部分得到重力补偿，同时气压在内外套筒之间形成气膜，保证其可以相对微小摩擦运动，减轻了直线电机的负重；

三、垂向运动部分通过控制运动直线电机带动伺服机构垂向运动，在控制运动直线电机达到目标位置的过程中，当达到直线光栅的测量精度以后，暂停运动直线电机，然后控制补偿直线电机带动电容传感器的基板运动到目标位置的上一个经过激光干涉仪标定的直线光栅位移处，然后以此为电容传感器的基板位置，控制运动直线电机运动，通过电容传感器测得的位移量对实际位置进行精调，达到测量精度后，标定后的基板位移值和电容传感器的位移值之和即是最终的实际位移。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述直线光栅的标定方法如下：将激光干涉仪和直线光栅相对平行放置，通过激光干涉仪依次对直线光栅每一个大刻度进行标定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于两个相邻刻度之间不超过电容传感器的量程。