CN1066526A - 闭环定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明用于温盘驱动器伺服磁道录写装置的闭 环定位装置。该装置的精密平导轨滑台，依次由驱动 系统推动，在40mm行程内垂直方向的直线度为1.5 (角)秒(0.29μm)，在水平方向的直线度为1(角)秒 (0.19μm)，在驱动系统中，用丝杆、螺母副恒力消除 机构与波纹管联轴器用分辨率0.1μm的光栅传感器 作为位置检测。在完成相同功能的条件下，本发明具 有结构简单、性能可靠、稳定性好、成本低等特点。

Description

本发明涉及用于温盘驱动器伺服磁道录写的闭环定位装置。它属于信息存贮技术。

为了适应大、中容量、小型温盘驱动器的制造，国外在70年代后期开始出现伺服磁道录写设备。闭环高精密定位装置是其中的重要组成部分之一。美国Pioneer  Research公司，HELIOS及THREE  PHOENIX等公司的高精密定位机构，多数采用激光传感器作为位置检测元件，运动件采用静压气浮导轨。因此价格昂贵，日本也有人研制，例如，M.SASAKI，Y.MIURA，T.UENO《Servo  Track  Writer  for  Magnetic  Disk  Drive》，International  Sympesium  on  Design  and  Synthesis，July  11-13，1984  TOKYO  801。它采用激光传感器检测位置，直接利用温盘驱动器的音圈电机及导轨，但不具有通用性。张继山著《伺服磁道录写设备精密机械设计与调试》“计算机技术”1988年第5期，它不适用于5.25英寸及3.5英寸的温盘。

本发明的目的是针对现有技术不能解决的问题，在满足相同功能的条件下，研制出结构简单、可靠，性能好，价格低的闭环高精密定位装置。

本发明的结构设计与传动方案如图1、图2所示。步进电机（1）（步距角为0.9°）通过波纹管联轴器（2）驱动丝杆（3）旋转，相应带动螺母（4）、球形铰链（5）推动粗定位驱动滑台（6）及精定位驱动机构底座（7）一起由滚珠导轨导向作直线运动，位移量为2μm/步，通过楔块（9）推动顶杆（8）带动平导轨滑台（12）移动，至此完成相定位。紧接启动步进电机（17），通过波纹管联轴器（18）驱动丝杆（19）旋转，并带动螺母（20），精定位驱动滑台（8）及固定其上的楔块（9）直线移动，其位移量可调节，例如0.05μm/步。楔块（9）推动顶杆（8）使平导轨精定位滑台（9）作微量移动，分辨率为0.1μm的光栅立即检测，产生目标值与实际值的差值信号再次启动步进电机（17）移动楔块（9）推动顶杆（8）使平导轨精定位滑台（12）作微量调整，以达到精定位目的。

平导轨滑台（12）移动采用带弹性予加载的平面滚动轴承导轨结构（图3、4）。它具有导向精度高、摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，运转轻便、灵活、无爬行，发热小，定位精度高。

精密平导轨滑台（12）与定位驱动装置通过顶杆（11）相连，驱动装置与平导轨安装的误差不影响平导轨运动精度。

平导轨滑台（12）的定位用粗、精分开定位。粗定位指快速运动到目的位置附近，经微调，使精定位到达目的位置上，缩短定位时间，提高了效率。

精定位驱动装置用斜角可调的楔块机构，满足不同分辨率的要求，一般分辨率在0.01-0.1μm范围。

用波纹管联轴器，解决丝杆与步进电机轴不同心所引起的问题。

为了消除丝杆与螺母付的空间，用弹簧恒力消隙机构（如图5）。

本闭环定位装置的工作简况参见图1和图2（图1是图2的俯视简图）。当所需直线运动的目标确定定后，本装置按粗定位和精定位依次执行，然后由光栅检测此时的实际位置，转由闭环控制，直至达到目标位置。其具体传动过程如下。按所需移动的距离，算出粗、精定位驱动步进电机应走的步数，先启动粗定位步进电机（1），通过波纹管弹性联轴器（2）驱动丝杆（3）旋转，相应带动螺母（4），球形铰链（5）、粗定位驱动滑台（6）、精定位驱动机构底座（7）一起移动，通过楔块（9）推动顶杆（11），带动平导轨滑台（12）移动，紧接启动精定位步进电机（17），通过波纹管联轴器（18）驱动丝杆（19）旋转，相应带动螺母（20），精定位驱动滑台（8）及固定其上的楔块（9）移动，楔块（9）通过其斜面推动顶杆（11）带动平导轨滑台（12）作微量移动。然后由分辨率为0.1μm的光栅位置传感器检测此时的实际位置，求出目标值与实际值二者之差，并发出差值信号再次启动精定位步进电机（17），使楔块（9）移动，导致平导轨滑台（12）作微量调整，直至达到目标位置，经美国裴普公司生产的HP5528A双频激光干涉系统检测，本装置的定位精度为±0.15μm。

精密平导轨结构简图如图3、图4所示（图4为图3的俯视简图）。它只作唯一直线运动的性能是由两部分结构所保证的。一部分是由下方的四块位于同一水平面的承导件（21）（它们与平导轨的基座（15）固定在一起）、上方的四块位于同一水平面的运动件（22）（它们与精定位导轨滑台（12）固定在一起并正好与承导件（21）相对应）及放置在承导件（21）和运动件（22）之间的若干钢球（23）所组成。这样就结束了整个平导轨（它由平导轨滑台（12）和平导轨基座（15）等所组成）的三个运动自由度。在运动件（22）的上方安装了四个带弹簧加载的滚动轴承（24），向下施力以确保（21）、（22）、（23）三者紧密接触，以构成力封闭。另一部分是由两块基侧面垂直于水平面的运动件（25）（它们与精定位导轨滑台（12）固定在一起）及固定于基座（15）上的二个特制的滚动轴承（26）所组成，在轴承（26）相对的另一边还有两个靠弹簧加载的滚动轴承（27）以构成力封闭，它又约束了整个平导轨的二个自由度。至此，这两部分共约束了五个自由度只剩下唯一的沿直线运动的自由度。本导轨具有制造简单、导向精度高，摩擦系数小、且动、静摩擦系数很接近，因而运动轻便、灵活、无爬行，定位精度高。经检测其直线度可达：

①在40mm行程内垂直方向的直线度为1.5″（0.29μm）

②在40mm行程内水平方向的直线度为1″（0.19μm）

精定位驱动机构如图2所示。当粗、精步进电机走完规定的步数后光栅位置传感器便检测出此时平导轨滑台（12）的实际位置并发出差值信号以再次启动精定位步进电机（17），通过固联在（17）上的波纹管联轴器（18）驱动丝杆（19）旋转，相应带动螺母（20），精定位驱动滑台（8）及固定其上的楔块（9）移动，楔块（9）的斜角大小依精定位分辨率大小的需要而设计。例如本机构中丝杆（18）螺距为1mm，步进电机（16）的步距角为0.9°，楔块（9）的斜度为1∶50，因此步进电机每走一步就推动平导轨滑台（12）移动0.05μm。这种结构简单、可靠，响应时间快，稳定性好。

自制的新型波纹管弹性联轴器如图5所示。波纹管（28）采用先进焊接技术与联接套（29、30）焊成一体，联接套（29、30）分别与步进电机轴和丝杆轴联接，从而简化了制造工艺又解决了电机轴与丝杆轴必须严格同心的难题。

为消除丝杆（3）与螺母（4）之间存在的轴向游隙，本装置采用了弹簧恒力消隙机构（图6）粗定位驱动滑台（6）上固定二个小尺寸的滚动轴承（31），摆杆（32）绕固定在基座上的轴（33）摆动，摆杆（32）由拉簧（34）施加拉力，此力通过摆杆（32）、滚动轴承（31）使得粗定位驱动滑台（6）始终有一向右的力作用，亦即螺母（4）始终紧贴在丝杆（3）的固定侧面上。此结构的特点为，拉簧（34）施加在滑台（6）上的力的大小不随粗定位驱动滑台（6）移动的行程大小变化而改变。因此它使螺母（4）与丝杆（3）之间的接触力保持不变，摩擦力恒定，减少了磨损，即使磨损后因有拉力存在也保证了螺母（4）与丝杆（3）之间的紧密接触，消除了空回。

本装置如除去反馈系统不用，配上测量头，还可作为长度测量仪器使用，其测量值由光栅数显箱显示。

本发明的优点是：

1.精密平导轨采用了形状简单的平面型式，制造简单，易于达到高精度，滚动体经精选，保证了尺寸一致性，因而导轨具有高的导向精度，极小的摩擦，确保在毫微米级移动中无爬行现象，而无需采用体积大，价格贵的静压气浮导轨。

2.精定位导轨与驱动装置仅靠一顶杆相联系，避开了许多传动元件带来的误差和振动影响，保证了精定位导轨的精度和运动稳定性。

3.驱动装置粗、精分开，既保证了快速移动又保证了精微的位移调整。

4.采用楔块调节精定位时的分辨率，既简单又可靠。

5.采用自制的波纹管联轴器，既便于安装，降低加工的精度要求，又便于装配、隔离电机振动。

6.采用弹簧恒力消隙机构，既消除了丝杆、螺母付的空回，又减轻了丝杆-螺母的磨损。

图1、图2是传动方案和结构示意图。图1中1是步进电机，2是波纹管联轴器，3是粗定位驱动丝杆，4是粗定位驱动螺母，5是球形铰链，6是粗定位驱动滑台，7是精定位驱动机构底座，8是精定位驱动滑台，9是精定位楔块，10是滚动轴承，11是顶杆，12是精密平导轨滑台，13是标尺光栅，14是指示光栅，15是精定位导轨基座，16是粗定位驱动底座，17是精定位步进电机，18是是波纹管联轴器，19是精定位驱动丝杆，20是精定位驱动螺母。

图2是图1的俯视图。

图3、图4是精密平导轨结构示意图。图3中21是承导件，22是运动件，23是钢球，24是弹力加载滚动轴承，25是运动件，26是特制滚动轴承，27是弹力加载滚动轴承。

图4是图3的俯视图。

图5是波纹管联轴器。图中28是波纹管，29，30是联接套。

图6是恒力消隙系统。图中31是滚动轴承，32是摆杆，33是轴，34是拉簧。

Claims (7)

1、一种用于温盘驱动器伺服磁道录写的闭环定位装置，其特征在于平导轨滑台(12)上装标尺光栅(13)，标尺光栅与不动的指示光栅(14)组成光栅位置检测传感器，步进电机(1、16)，波纹管弹性联轴器(2、17)，丝杆(3、19)三者相联，螺母(4、20)，球形铰链(5)，滑台(6、8)，驱动机构底座(7、16)，平导轨底座(15)，楔块(9)，顶杆(11)。

2、根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于4块位于同一水平面的承导件（21）与基座（15）固定在一起，承导件（21）与运动件（22）间有28个钢球（23），运动件（22）上方有4个带弹簧加载的滚动轴承（24），2块运动件（25）与滑台（12）固定在一起，基座（15）上有2个园弧滚动轴承（26），2个靠弹簧加载的滚动轴承（27）组成平导轨。

3、根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于由光栅位置传感器，滑台（12），步进电机（16），波纹管联轴器（17），丝杆（18），螺母（19），滑台（8），楔块（9）组成闭环系统。

4、根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于波纹管（28）与联接套（29、30）连成一体，联接套（26、27）与步进电机轴及丝杆轴相连。

5、根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于滑台（6）上固定2个滚动轴承（31），摆杆（32），轴（33），拉簧（34）使螺母（4）与丝杆（3）保持单面接触。

6、根据权利要求2所述的定位装置，其特征在于28个钢球之间的球径尺寸误差是0.2μm。

7、根据权利要求3所述的定位装置，其特征在于根据分辨率0.1至0.01μm调整楔块（9）的斜度。

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