CN104932553B - 基于钢丝绳传动的位置控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于钢丝绳传动的位置控制系统，包括纵向导轨、横向导轨、钢丝绳组和驱动装置；纵向导轨与横向导轨滑动连接；钢丝绳组与被控移动平台和驱动装置连接，用于基于驱动装置输出的驱动力带动被控移动平台沿纵向导轨移动。根据本申请的方案，可精确控制被控移动平台的纵向和横向位置。

Description

基于钢丝绳传动的位置控制系统

技术领域

本申请涉及一种多电机同步控制系统，特别是一种基于钢丝绳传动的位置控制系统。

背景技术

现有技术中，常用的传动方式有正时皮带传动，链条传动、拉杆传动和钢丝绳传动。

与其它传动方式相比，钢丝绳传动具有轻质、高效、占用空间小的优点，因此利用钢丝绳传动来实现物体的精确位置控制具有重要的意义。

现有的钢丝绳传动主要用于矿井提升和飞机操纵系统。

在应用于矿井提升时，钢丝绳只受单向的拉力，且矿井提升对定位精度要求不高。

而在应用于飞机操纵系统时，钢丝绳传动利用两根钢丝绳，在往复式操纵过程中，两根钢丝绳分别受力，飞机操纵系统使用的钢丝绳传动同样对定位精度要求不高。这是由于钢丝绳在传动的过程中有较大的弹性，如果使用在往复运动精确位置控制系统中，会带来很大的回程误差，因此传统的钢丝绳传动很少用在往复运动精确位置控制的场合。

发明内容

在下文中给出关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本申请的一个主要目的在于提供一种新的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其可精确控制物体纵向和横向的位置。

根据本申请的一方面，一种基于钢丝绳传动的位置控制系统，包括纵向导轨、横向导轨、钢丝绳组和驱动装置；纵向导轨与横向导轨滑动连接；钢丝绳组与被控移动平台和驱动装置连接，用于基于驱动装置输出的驱动力带动被控移动平台沿纵向导轨移动。

本申请的基于钢丝绳传动的位置控制系统，通过多个电机的协同控制，使物体能够同时实现横向和纵向的精确位置控制。

在本申请的一些实施例中，可通过控制钢丝绳上的预紧力来控制钢丝绳的刚度，使得在位置控制的过程中能够保证位置控制精度。电机的部分功率用来控制钢丝绳的预紧力，另一部分功率用来控制物体移动的位移。

本申请的基于钢丝绳传动的位置控制系统，通过将驱动部件从横梁和纵梁上分离出来，可以极大的减轻纵梁的总体质量，降低系统的驱动功率。

附图说明

参照下面结合附图对本申请实施例的说明，会更加容易地理解本申请的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本申请的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本申请的一个实施例的基于钢丝绳传动的位置控制系统的示意性结构图；

图2为利用本申请实施例的基于钢丝绳传动的位置控制系统来控制被控移动平台移动到指定位置的一种应用场景的示意性流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本申请的实施例。在本申请的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本申请无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

如图1所示，为本申请的一个实施例的基于钢丝绳传动的位置控制系统的示意性结构图。

在本实施例中，基于钢丝绳传动的位置控制系统包括纵向导轨10、横向导轨20、钢丝绳组30和驱动装置41-44。

其中，纵向导轨10与横向导轨20滑动连接。例如，在一些实现方式中，纵向导轨10可以通过固定在其上的滑块(图中未示出)与横向导轨20滑动连接。

钢丝绳组30与被控移动平台100和驱动装置41-44连接，用于基于驱动装置41-44输出的驱动力带动被控移动平台100沿纵向导轨10移动。

在一些实现方式中，钢丝绳组30还可以用于基于驱动装置41-44输出的驱动力带动纵向导轨10沿横向导轨20移动。

在这些实现方式中，被控移动平台100可以在钢丝绳组30的拉力作用下，沿着纵向导轨10上下移动。此外，被控移动平台100还可以与纵向导轨10作为一个整体，在钢丝绳组30的拉力作用下，沿着横向导轨20水平移动。

在一些实现方式中，驱动装置41-44可以包括第一纵向驱动单元41、42和第二纵向驱动单元43、44。

第一纵向驱动单元41、42可用于通过钢丝绳组30向被控移动平台100提供竖直向上的拉力。因此，在第一纵向驱动单元41、42的带动下，钢丝绳组30对被控移动平台100施加竖直向上的拉力，从而可使被控移动平台100沿着竖直方向向上运动。

第二纵向驱动单元43、44可用于通过钢丝绳组30向被控移动平台100提供竖直向下的拉力。因此，在第二纵向驱动单元43、44的带动下，钢丝绳组30对被控移动平台100施加竖直向下的拉力，从而可使被控移动平台100沿着竖直方向向下运动。

在一些可选方式中，驱动装置41-44还可以包括第一水平驱动单元41、43和第二水平驱动单元42、44。

第一水平驱动单元41、43可用于通过钢丝绳组30向纵向导轨10提供水平向左的拉力。因此，在第一水平驱动单元41、43的带动下，钢丝绳组30对纵向导轨10施加向左的拉力，使得纵向导轨10与被控移动平台100一起，沿着横向导轨20水平向左移动。

第二水平驱动单元42、44可用于通过钢丝绳组30向纵向导轨10提供水平向右的拉力。因此，在第二水平驱动单元42、44的带动下，钢丝绳组30对纵向导轨10施加向右的拉力，使得纵向导轨10与被控移动平台100一起，沿着横向导轨20水平向右移动。

在一些实现方式中，第一纵向驱动单元41、42可包括第一驱动组件41和第二驱动组件42。

其中，第一驱动组件41可包括第一滑轮411、第一驱动轮412和第一驱动电机413，第一驱动电机413包括第一输出轴414。

类似地，第二驱动组件42可包括第二滑轮421、第二驱动轮422和第二驱动电机423，第二驱动电机423包括第二输出轴424。

钢丝绳组30可包括平行的第一钢丝绳31和第二钢丝绳32。

第一钢丝绳31的上端经第一滑轮411与第一驱动轮412固连，第二钢丝绳32的上端经第二滑轮421与第二驱动轮422固连。

第一输出轴414与第一驱动轮412的轴心固连，用于带动第一驱动轮412旋转，第二输出轴424与第二驱动轮422的轴心固连，用于带动第二驱动轮422旋转。

类似地，第二纵向驱动单元43、44可包括第三驱动组件43和第四驱动组件44。

第三驱动组件43可包括第三滑轮431、第三驱动轮432和第三驱动电机433，第三驱动电机433包括第三输出轴434。

第四驱动组件44可包括第四滑轮441、第四驱动轮442和第四驱动电机443，第四驱动电机443可包括第四输出轴444。

第一钢丝绳31的下端可经第三滑轮431与第三驱动轮432固连，第二钢丝绳32的下端可经第四滑轮441与第四驱动轮442固连。

第三输出轴434与第三驱动轮432的轴心固连，用于带动第三驱动轮432旋转。第四输出轴444与第四驱动轮442的轴心固连，用于带动第四驱动轮442旋转。

这样一来，每条钢丝绳的上、下两端均连接至一驱动轮，并通过驱动电机带动其输出轴旋转，进而带动同轴的驱动轮旋转，从而向对应的每条钢丝绳产生拉力。

在一些实现方式中，第一水平驱动单元和第二水平驱动单元可以与第一垂直驱动单元和第二垂直驱动单元共用驱动组件。

例如，在一些可选方案中，第一水平驱动单元包括第一驱动组件41和第三驱动组件43。第二水平驱动单元可包括第二驱动组件42和第四驱动组件44。

也即是说，在这些实现方式中，可通过向每条钢丝绳31或32的上下两端同时施加向左的拉力或者向右的拉力，使得被控移动平台100连同纵向导轨10一起，沿着横向导轨20向左或者向右移动。

作为一种可选方案，纵向导轨10可包括第一位置测量装置(图中未示出)，用于测量被控移动平台100的纵向位置。

此外，作为一种可选方案，横向导轨20可包括第二位置测量装置(图中未示出)，用于测量纵向导轨10的横向位置。

在一些实现方式中，第一位置测量装置和第二位置测量装置例如可以包括磁栅尺。

在一些可选方案中，本实施例的系统还可以包括控制器(图中未示出)。控制器可用于基于第一位置测量装置测量得到的纵向位置与目标纵向位置之差调节驱动装置施加到钢丝绳组30上的拉力。此外，控制器还可用于基于第二位置测量装置测量得到的横向位置与目标横向位置之差调节驱动装置施加到钢丝绳组30上的拉力。

例如，在一些实现方式中，控制器可以基于第一位置测量装置测量得到的纵向位置与目标纵向位置之差，生成控制驱动电机413-443输出力矩的控制信号，进而通过调节施加至钢丝绳组30上的拉力，来使被控移动平台100移动到指定的纵向位置。

类似地，在一些实现方式中，控制器还可以基于第二位置测量装置测量得到的横向位置与目标横向位置之差，生成控制驱动电机413-443输出力矩的控制信号，进而通过调节施加至钢丝绳组30上的拉力，来使被控移动平台100随纵向导轨20一起，移动到指定的横向位置。

参见图2所示，为利用本申请实施例的基于钢丝绳传动的位置控制系统来使被控移动平台移动到指定位置的一种应用场景的示意性流程图。

首先，在步骤201中，对基于钢丝绳传动的位置控制系统进行初始化。初始化主要分为两个组成部分：首先，驱动电机可通过网络集线器与控制计算机相连，控制计算机要接收到驱动电机初始化结束且处于正常工作状态，才能开始运行。其次，完成对所有运动状态采集信号(例如，被控移动平台100的运动状态、位置信息等)的读取，为了保证系统能正常工作，应完成如上所述的两个部分的初始化。在一些应用场景中，假如某一个驱动电机或采集信号无法初始化，控制计算机均显示初始化失败。

接着，在步骤202中，对各驱动电机413-443进行同步。通过同步，可以使各驱动电机同时经驱动轮向钢丝绳输出控制力。

接着，在步骤203中，对钢丝绳组30进行预紧力控制。在这里，预紧力控制是指，使得钢丝绳组30中的各钢丝绳31、32处于紧绷状态。

预紧力控制是通过安装在各驱动电机输出轴上的力矩传感器来测量由钢丝绳31或32作用到驱动轮上的实际预紧力，该预紧力与预紧力指令进行比较得出预紧力误差值，该误差值通过控制器(例如，比例微分积分控制器)解算出各个驱动电机的控制电流，从而实现对钢丝绳预紧力的控制。在本步骤的预紧力控制中，还保持被控移动平台100的相对位置不变。

接着，控制器(例如，比例微分积分控制器)根据被控移动平台100的目标位置(例如，可以包括目标纵向位置和目标横向位置)和当前位置的偏差，各驱动电机413-443的输出力矩，使其产生对钢丝绳的拉力，并带动被控移动平台100朝着目标位置移动。当被控移动平台100的实际位置与目标位置重合时，可认为位置控制达到设定目标，此时，可结束对被控移动平台的位置控制。

在本申请的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。同时，在上面对本申请具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本申请及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本申请的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本申请的公开内容将容易理解，根据本申请可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，包括纵向导轨、横向导轨、钢丝绳组和驱动装置；

所述纵向导轨与所述横向导轨滑动连接；

所述钢丝绳组与被控移动平台和所述驱动装置连接，并基于所述驱动装置输出的驱动力带动所述被控移动平台沿所述纵向导轨移动；

所述驱动装置包括第一纵向驱动单元和第二纵向驱动单元；

所述第一纵向驱动单元通过所述钢丝绳组向所述被控移动平台提供竖直向上的拉力；

所述第二纵向驱动单元通过所述钢丝绳组向所述被控移动平台提供竖直向下的拉力。

2.根据权利要求1所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，所述系统还包括滑块：

所述纵向导轨通过所述滑块与所述横向导轨滑动连接；

所述钢丝绳组还基于所述驱动装置输出的驱动力带动所述纵向导轨沿所述横向导轨移动。

3.根据权利要求2所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，所述驱动装置包括第一水平驱动单元和第二水平驱动单元；

所述第一水平驱动单元通过所述钢丝绳组向所述纵向导轨提供水平向左的拉力；

所述第二水平驱动单元通过所述钢丝绳组向所述纵向导轨提供水平向右的拉力。

4.根据权利要求3所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于：

所述第一纵向驱动单元包括第一驱动组件和第二驱动组件；

所述第一驱动组件包括第一滑轮、第一驱动轮和第一驱动电机，所述第一驱动电机包括第一输出轴；

所述第二驱动组件包括第二滑轮、第二驱动轮和第二驱动电机，所述第二驱动电机包括第二输出轴；

所述钢丝绳组包括平行的第一钢丝绳和第二钢丝绳；

所述第一钢丝绳的上端经所述第一滑轮与所述第一驱动轮固连，所述第二钢丝绳的上端经所述第二滑轮与所述第二驱动轮固连；

所述第一输出轴与所述第一驱动轮的轴心固连，并带动所述第一驱动轮旋转，所述第二输出轴与所述第二驱动轮的轴心固连，并带动所述第二驱动轮旋转；

所述第二纵向驱动单元包括第三驱动组件和第四驱动组件；

所述第三驱动组件包括第三滑轮、第三驱动轮和第三驱动电机，所述第三驱动电机包括第三输出轴；

所述第四驱动组件包括第四滑轮、第四驱动轮和第四驱动电机，所述第四驱动电机包括第四输出轴；

所述第一钢丝绳的下端经所述第三滑轮与所述第三驱动轮固连，所述第二钢丝绳的下端经所述第四滑轮与所述第四驱动轮固连；

所述第三输出轴与所述第三驱动轮的轴心固连，并带动所述第三驱动轮旋转，所述第四输出轴与所述第四驱动轮的轴心固连，并带动所述第四驱动轮旋转。

5.根据权利要求4所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于：

所述第一水平驱动单元包括所述第一驱动组件和所述第三驱动组件；

所述第二水平驱动单元包括所述第二驱动组件和所述第四驱动组件。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，所述纵向导轨包括第一位置测量装置，用于测量所述被控移动平台的纵向位置。

7.根据权利要求6所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，所述横向导轨包括第二位置测量装置，用于测量所述纵向导轨的横向位置。

8.根据权利要求7所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，所述第一位置测量装置和所述第二位置测量装置包括磁栅尺。

9.根据权利要求7所述的基于钢丝绳传动的位置控制系统，其特征在于，还包括控制器；

所述控制器用于基于所述第一位置测量装置测量得到的纵向位置与目标纵向位置之差调节所述驱动装置施加到所述钢丝绳组上的拉力；

所述控制器还用于基于所述第二位置测量装置测量得到的横向位置与目标横向位置之差调节所述驱动装置施加到所述钢丝绳组上的拉力。