CN104898764B - 一种数字式可调阻尼手柄装置零点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式可调阻尼手柄装置及其零点定位方法，该装置包括支架(10)、刻度罩(2)、旋转轴(5)、手柄杆(1)、左轴套(10)、右轴套(4)、蝶形弹簧(6)、摩擦环(3)、旋转编码器(9)及操作平台(12)；通过蝶形弹簧产生可调阻尼力，手柄可在工作区间内的任意位置定位，操作力度可快速调节；手柄装置将角度输入信号通过旋转编码器转换为数字信号，对编码器的原始数据进行零点设定及角度转换处理，获取有效控制参数，从而对控制对象进行控制。本发明能将角度控制参数转换为数字控制参数，通过数据处理，提高控制精度高，装置结构简单可靠，阻尼调节方便，使用寿命长。

Description

一种数字式可调阻尼手柄装置零点定位方法

技术领域

本发明涉及工业现场设备操作控制领域，具体涉及一种数字式可调阻尼手柄装置及其零点定位方法。

背景技术

在工业现场生产过程中，用户通过操作手柄，控制设备运行的情况越来越多，用户对操作舒适度要求也越来越高，要求操作时手松开后手柄依然固定不松动，操作力度可根据不同设备和不同用户进行随意调节，并且要求装置简单可靠，控制精度高。

以目前国内西南铝业集团三万吨大型锻造液压机的操作手柄装置为例，该手柄操控装置采用弹簧挤压钢球进入定位孔来定位，只能进行有级定位且操作力度不能调节，钢球与定位面长时间点接触摩擦，钢球与平面磨损严重，装置寿命短，维护成本高；同时物理控制信号通过齿轮放大后转换为旋转编码器的旋转角度，齿轮传动存在传递误差和旋转编码器安装误差使其零点偏离分配器齿轮轴原点，导致控制精度低，可靠性差。因此，有必要开发一种简单可靠，控制精度高的手柄操控装置。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种数字式可调阻尼手柄装置及其零点定位方法，该装置结构简单，安装维护方便，控制精度高。

一种数字式可调阻尼手柄零点定位方法，当手柄中的旋转编码器自身零点O₀固定后，依据所需的手柄工作区域角度θ_g按照以下步骤设定控制零点位置：

步骤1：将手柄转动到第一操作极限位时，读取旋转编码器输出的角度值θ_4r，判断旋转编码器自身零点与工作零点之间的位置关系；

工况A：若则旋转编码器的自身零点O₀处于工作角度区间的工作零点O的左侧；

工况B：若则旋转编码器的自身零点O₀处于工作角度区间的工作零点O的右侧；

工况C：若则旋转编码器的自身零点O₀处于工作角度区间外；

其中，θ_o4和θ_o3分别为工作零点O到第一操作极限位置4和第二操作极限位置3的角度：

θ_o3＝θ_g1+θ_1y，θ_o4＝θ_g2+θ_2y；

θ_2y和θ_1y分别为手柄从工作区域角度的两端极限位置到第一操作极限位置4和第二操作极 限位置3之间的角度：

θ_1y＝θ_2y＝(θ_s－θ_g)/2

θ_s为手柄的可转动区域角度，θ_g1和θ_g2分别是依据控制要求设定的工作零点两边的操控极限角度；

【依据待设定的工作零点保证工作角度区域θ_g在可转动角度区域θ_s内，且两端余量角度θ_1y、θ_2y相等的原则；】

步骤2：依据步骤1确定的旋转编码器自身零点与需设定的工作零点之间的位置关系，按照以下公式确定工作零点与旋转编码器自身零点之间的偏离角度θ₀：

工况A：θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2－180°；

工况B：θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2+180°；

工况C：θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2；

其中，θ_4r和θ_3r分别为手柄转动到第一操作极限位置4和第二操作极限位置3时的旋转编码器输出的角度；

步骤3：依据获得的工况和偏离角度θ₀，定位手柄的工作零点。

按照上述的方法完成零点定位后，旋转编码器输出的原始数据按照以下公式转换后得到的实际控制角度θ₁和θ₂：

其中，为旋转编码器在θ₁、θ₂的原始读数值。

假设手柄从O顺时针旋转到P点，O到P绝对角度45°，此时旋转编码器输入PLC的是原始角度θ_1r(假设是126°)，在PLC中通过角度转换(即上述公式)，将θ_1r(126°)变成控制值45°，PLC再利用45°去控制设备工作。θ₁应理解为输入PLC的绝对角度，该角度由旋转编码器在某位置的原始角度转换求得。PLC能采集的信号只有旋转编码器的原始数据，即使旋转角度θ₁是已知的，是输入的绝对值，但是PLC不能直接获取该值，它只能获取旋转编码器某位置的原始值，需要将原始角度转换成控制值。

利用转换得到的控制角度θ₁、θ₂乘以系数K，将手柄控制角度成任意比例放大缩小，使得控制角度范围扩大到(-∞,+∞)。

一种数字式可调阻尼手柄装置，基于上述的一种数字式可调阻尼手柄零点定位方法，构 建数字式可调阻尼手柄装置，该装置包括支架11、刻度罩2、旋转轴5、手柄杆1、左轴套10、右轴套4、蝶形弹簧6、摩擦环3、旋转编码器9及操作平台12；

刻度罩用于限定操作角度，同时在刻度罩上安装标签可提示操作人员将手柄推到某个位置代表什么操作指令；

所述支架固定在操作平台下端面，刻度罩固定在操作平台上，手柄杆穿过操作平台，下端与旋转轴连接，手柄杆1的旋转中心与旋转轴5的轴心重合；

在所述支架下端设置有左轴套和右轴套，旋转轴通过左轴套和右轴套设置在支架上，左轴套和右轴套与转轴之间均装配有用于产生摩擦阻尼的摩擦环；

所述左轴套和右轴套中的一个轴套通过配套的螺栓与螺母固定在支架上，且与螺栓之间设置有弹簧；

所述旋转轴与旋转编码器的转轴相连。

所述弹簧为蝶形弹簧。

采用蝶形弹簧，可以更好的调节摩擦环与旋转轴之间的阻尼力。

所述蝶形弹簧包括叠合组合弹簧或复合组合弹簧；

所述叠合组合弹簧是指多片蝶形弹簧采用同向或反向叠在一起；

所述复合组合弹簧是指多片蝶形弹簧采用同向和反向混合叠在一起。

所述左轴套与右轴套之间的旋转轴上设有定位台阶，所述摩擦环设置在所述定位台阶上。

设置定位台阶是为了更好的固定摩擦环。

所述旋转编码器采用通孔或盲孔与旋转轴同轴连接；

所述旋转轴插入旋转编码器的盲孔或通孔，通过紧定螺钉锁紧。

原有手柄结构导致采用轴式编码器，需要采用中间连接机构如联轴器或齿轮副，将旋转轴角度传递给编码器，存在传递误差且结构复杂，旋转轴直接插入通孔或盲孔中，用紧定螺钉锁紧，结构简单，无传递误差。

所述旋转编码器为单圈绝对式旋转编码器。

单圈编码器精度高，而且工作范围不会超过360°；

增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，停机需断电记忆，开机需找零点或参考位；绝对编码器每一个位置绝对唯一、无需掉电记忆、开机无需找零点或参考位，编抗干扰特性、数据的可靠性高。

通过蝶形弹簧产生可调阻尼力，手柄杆可在工作区间内的任意位置定位，操作力度可快速调节；手柄装置将角度输入信号通过旋转编码器转换为数字信号，在程序中对旋转编码器的原始数据进行零点设定及角度转换处理，获取有效控制参数，从而对控制对象进行控制。

操作人员推动手柄杆1旋转，手柄杆1旋转中心与旋转轴5轴心重合，旋转轴5在左轴套4与右轴套9的支撑下旋转，5个自由度被约束，仅能绕轴心旋转，保护编码器8不被旋转轴5损坏；

采用盲孔型编码器与旋转轴同轴锁紧，手柄杆旋转角度通过旋转轴传递给旋转编码器，相比于原有通过齿轮传递角度的方法，该方式结构简单，稳定可靠，无传递误差，控制精度高；

通过螺栓与螺母挤压蝶形弹簧6，产生的轴向压力通过右轴套4将旋转轴5压紧，摩擦环3产生摩擦阻力，保证手柄杆1及旋转轴5在任意位置固定，无自由运动情况；

摩擦环3由耐磨材料制成，提供摩擦阻力的同时保护其他零件不被磨损，更换方便；摩擦力通过螺栓与螺母快速调节，操作简单，适应性强；

蝶形弹簧6为标准件，更换方便，维护成本低。

有益效果

本发明提供的一种数字式可调阻尼手柄装置及其零点定位方法，相对于现有技术，具有以下有益的技术和经济效果：

1)手柄装置将物理的角度控制信号转换为编码器的数字控制信号，提高系统控制精度和抗干扰能力。

2)本装置手柄杆在可调阻尼力作用下，可在工作区任意位置保持，解决了原有手柄只能定点定位的缺点，调节螺栓可方便调整操作阻尼力，灵活性高；

3)角度转换处理，解决了因安装误差导致的旋转编码器零点与控制零点偏移的问题，同时解决了旋转编码器范围超过工作范围的问题，降低了安装精度要求；

4)零位定位处理，可方便根据控制要求设定工作角度零点，灵活方便；

5)经过处理后的控制角度，可乘以系数进行任意缩放，控制范围广；

6)本装置结构简单，零部件少，安装加工方便，实用性强，解决了齿轮传动导致的传递误差，提高了控制精度；

7)摩擦环提供摩擦力的同时，保护其他零部件不被损坏，摩擦环更换方便，装置维护成本低，使用寿命长；

附图说明

图1是本发明手柄操控装置结构意图；

图2是可调阻尼结构示意图；

图3是旋转编码器自身零点与工作零点之间的位置关系示意图，其中，图(a)为工况A，图(b)为工况B，图(c)为工况C；

图4是工作零点定位示意图；

标号说明：1—手柄杆、2—刻度罩、3—摩擦环、4—右轴套、5—旋转轴、6—蝶形弹簧组、7—螺栓、8—螺母、9—旋转编码器、10—左轴套、11—支架、12—操作平台。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

对于特种重型机械巨型模锻水压机，通过操作手柄输入控制角度，控制对应分配器上的齿轮轴旋转到相应角度。通过手柄装置与齿轮轴装置上的编码器角度对比形成闭环控制，使齿轮轴角度与手柄角度一致。

如图1和图2描述了一种数字式可调阻尼操控手柄装置的结构，该装置包括支架11、刻度罩2、旋转轴5、手柄杆1、左轴套10、右轴套4、蝶形弹簧6、摩擦环3、旋转编码器9及操作平台12；

刻度罩用于限定操作角度，同时在刻度罩上安装标签可提示操作人员将手柄推到某个位置代表什么操作指令；

所述支架固定在操作平台下端面，刻度罩固定在操作平台上，手柄杆穿过操作平台，下端与旋转轴连接，手柄杆1的旋转中心与旋转轴5的轴心重合；

在所述支架下端设置有左轴套和右轴套，旋转轴通过左轴套和右轴套设置在支架上，左轴套和右轴套与转轴之间均装配有用于产生摩擦阻尼的摩擦环；

所述左轴套和右轴套中的一个轴套通过配套的螺栓7与螺母8固定在支架上，且与螺栓之间设置有弹簧；

所述旋转轴与旋转编码器的转轴相连。

所述弹簧为蝶形弹簧。

所述左轴套与右轴套之间的旋转轴上设有定位台阶，所述摩擦环设置在所述定位台阶上。

所述旋转编码器采用通孔或盲孔与旋转轴同轴连接；

所述旋转轴插入旋转编码器的盲孔或通孔，通过紧定螺钉锁紧。

所述旋转编码器为单圈绝对式旋转编码器。

螺栓挤压蝶形弹簧产生轴向力，在旋转轴、摩擦环、左轴套、右轴套接触面间产生摩擦力，使手柄杆1能在工作区间内的任意位置定位，旋转螺栓可调节操作时的力度大小。操作 手通过推动手柄，输入控制角度，编码器将控制角度转换为控制参数，控制水压机工作。

手柄装置的零点定位设计：

可转动角θ_s＝120°，某一产品要求水压机手柄的工作角度θ_g＝90°，工作范围为-30°～60°，即θ_g1＝30°，θ_g2＝60°；

由公式θ_1y＝θ_2y＝(θ_s－θ_g)/2计算出两端余量θ_1y＝θ_2y＝15°，因此可以计算出工作零点O到第二极限位置3、第一极限位置4的角度范围θ_o3＝θ_g1+θ_1y＝45°，θ_o4＝θ_g2+θ_2y＝75°；将手柄推到设计角度θ_s最右端即4点位置，读出原始数据θ₄，如果则属于图3中图(a)的情况，如果则属于图3中图(b)的情况，如果则属于图3中图(c)的情况。

将编码器推到两端极限位置，读出原始读数，假设θ_4r＝88°、θ_3r＝328°,则属于图3中图(a)的情况，如图4，由公式θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2－180°得θ₀＝13°。零点设定完成后，编码器原始读数经过角度转换公式，假设手柄从设定零点O顺时针转动60°，则编码器测量出的原始角度为θ_2r＝73°，转换后θ₂＝θ_2r－θ₀＝60°；手柄从设定零点O逆时针旋转20°，编码器测量出的原始角度为θ_1r＝353°，转换后θ₁＝θ₀－θ_1r+360°＝20°，在程序中进行正负转换，得到控制角度-20°。

利用转换得到的控制角度θ₁、θ₂乘以系数K，将手柄控制角度成任意比例放大缩小，使得控制角度范围扩大到(-∞,+∞)。

例如工作角度θ_g＝90°，工作范围为-30°～60°，即θ_g1＝30°，θ_g2＝60°，当K＝5时，手柄旋转同样角度，控制角度扩大5倍，这样控制角度不受手柄可旋转角度及单圈编码器的约束，使用范围广。

可见，采用本发明的角度转换和零点设定可方便的通过手柄控制模锻水压机运行，控制精度高，装置结构简单可靠，阻尼调节方便，使用寿命长。

Claims (3)

1.一种数字式可调阻尼手柄零点定位方法，其特征在于，当手柄中的旋转编码器自身零点O₀固定后，依据所需的手柄工作区域角度θ_g按照以下步骤设定控制零点位置：

步骤1：将手柄转动到第一操作极限位时，读取旋转编码器输出的角度值θ_4r，判断旋转编码器自身零点与工作零点之间的位置关系；

工况A：若则旋转编码器的自身零点O₀处于工作角度区间的工作零点O的左侧；

工况B：若则旋转编码器的自身零点O₀处于工作角度区间的工作零点O的右侧；

工况C：若则旋转编码器的自身零点O₀处于工作角度区间外；

其中，θ_o4和θ_o3分别为工作零点O到第一操作极限位置4和第二操作极限位置3的角度：

θ_o3＝θ_g1+θ_1y，θ_o4＝θ_g2+θ_2y；

θ_2y和θ_1y分别为手柄从工作区域角度的两端极限位置到第一操作极限位置4和第二操作极限位置3之间的角度：

θ_1y＝θ_2y＝(θ_s－θ_g)/2

θ_s为手柄的可转动区域角度，θ_g1和θ_g2分别是依据控制要求设定的工作零点两边的操控极限角度；

步骤2：依据步骤1确定的旋转编码器自身零点与需设定的工作零点之间的位置关系，按照以下公式确定工作零点与旋转编码器自身零点之间的偏离角度θ₀：

工况A：θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2－180°；

工况B：θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2+180°；

工况C：θ₀＝θ_g1+(θ_4r+θ_3r－θ_g)/2；

其中，θ_4r和θ_3r分别为手柄转动到第一操作极限位置4和第二操作极限位置3时的旋转编码器输出的角度；

步骤3：依据获得的工况和偏离角度θ₀，定位手柄的工作零点。

2.根据权利要求1所述的一种数字式可调阻尼手柄零点定位方法，其特征在于，按照权利要求1所述的方法完成零点定位后，旋转编码器输出的原始数据按照以下公式转换后得到的实际控制角度θ₁和θ₂：

其中，为旋转编码器在θ₁、θ₂的原始读数值。

3.根据权利要求2所述的一种数字式可调阻尼手柄零点定位方法，其特征在于，利用转换得到的控制角度θ₁、θ₂乘以系数K，将手柄控制角度成任意比例放大缩小，使得控制角度范围扩大到(-∞,+∞)。