CN107222144A - 一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置与方法，包括直线电机驱动部分、应变检测部分及驱动控制部分；所述直线电机驱动部分包括两个结构完全相同的直线电机驱动装置，两个直线电机驱动装置平行固定在实验台上，均包括直线电机、直线导轨、滑块及基座，所述应变检测部分包括薄钢板、转轴及应变片，所述驱动控制部分，包括伺服驱动器、运动控制卡、工控计算机、应变控制器及A/D转换卡；本发明采用应变片可进行静态和动态测量、采样频率高、响应速度快的优势，实时监测两平台之间的同步情况。

Description

一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置与方法

技术领域

本发明涉及直线驱动跟踪控制领域，具体涉及一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置与方法。

背景技术

随着科技的发展，现代制造业的发展出现了新的动力，标志着更加复杂的生产任务和高精度的生产要求。人们对机械设备的质量和产品性能要求越来越高，在某些场合针对一台电机进行控制已经不能满足工作需求。在设备控制过程中，常需要对多个运动单元进行协调同步控制，以使其具有恒定的转速或线速度或位移，来满足其工作需求。在新的制造发展形势下，机械系统的同步控制方法不断发展，规模不断扩大，广泛应用于各个领域。大型设备如龙门吊由于车轮速度不一，即使在电动机受控相同的情况下，也极易产生啃轨现象，从而影响工程进度，带来极大的安全隐患。而在需求高精度运动控制的制造业包括微电子，航空航天，太阳能电池，平板制造和检测的过程中同步控制也有许多应用，如在台架位置台的配置中，两个电机安装在两个平行的线性导轨上以驱动移动台。而在需求高精度运动控制的制造业包括微电子，航空航天，太阳能电池，平板制造和检测的过程中同步控制也有许多应用，如在台架位置台的配置中，两个电机安装在两个平行的线性导轨上以驱动移动台。

现有的双直线驱动同步运动多采用滚珠丝杠直线导轨加伺服电机的组合，由于齿轮间隙等机械装置的因素使误差增大，不能满足更高要求的位移和速度同步。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置与方法。

本发明使用直线电机进行驱动，克服了伺服电机、减速器和滚珠丝杠等机械装置易磨损、因齿轮间隙、配合间隙导致误差、传动链短不易控制等缺陷，利用分辨率很高的光栅尺进行定位，同时辅以应变计对两直线电机运动平台进行同步跟踪，极大地减小了误差、提高了同步跟踪精度。

本发明采用如下技术方案：

一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置，包括直线电机驱动部分、应变检测部分及驱动控制部分；

所述直线电机驱动部分包括两个结构完全相同的直线电机驱动装置，两个直线电机驱动装置平行固定在实验台上，均包括直线电机、直线导轨、滑块及基座，所述直线电机和直线导轨固定在基座上，所述滑块通过直线电机动子安装在直线导轨上，所述直线电机驱动滑块在直线导轨上移动，两个基座平行固定在实验台上；

所述应变检测部分包括薄钢板、转轴及应变片，所述薄钢板的一端通过转轴与一个直线电机驱动装置的滑块固定，薄钢板的另一端通过安装架固定在另一个直线电机驱动装置的滑块上，所述应变片安装在薄钢板上；

所述驱动控制部分，包括伺服驱动器、运动控制卡、工控计算机、应变控制器及A/D转换卡；

应变片检测薄钢板的应变信号输入到应变控制器，然后再通过A/D转换卡输入到工控计算机中，得到两个滑块之间的相对位移信号；

所述直线电机自带光栅尺检测直线电机的速度和位置信息，通过伺服驱动器及运动控制卡输入到工控计算机中；

所述工控计算机得到两个直线电机的控制脉冲信号，通过运动控制卡及伺服驱动器输出到直线电机。

所述应变片具体设置在薄钢板的右侧，且位于宽度方向中线位置。

所述应变片的安装高度高于两个滑块上平面，且应变片的表面与两个滑块的运动方向相垂直。

所述薄钢板的尺寸为：3mm×100mm×200mm。

一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步利用直线电机自带的光栅尺检测两个直线电机的位置和速度信息，经过伺服驱动器及运动控制卡，输入到工控计算机进行处理，得到相应的滑块位置和速度反馈信号；

第二步应变片检测的薄钢板变形信号通过应变控制器及A/D转换卡输入到工控计算机中，得到相对位移反馈信号；

第三步工控计算机根据第一及第二步骤的反馈信号，经过相应处理生成控制两个直线电机的脉冲信号，经过运动控制卡及伺服控制器输出到两个直线电机，从而实现对直线电机的位置和速度进行双闭环控制，使两直线电机滑台按要求保持高精度的同步跟踪。

本发明的有益效果：

(1)本应变检测装置有应变计、薄钢板、转轴及微型导轨滑台共同组成，利用应变计响应快、精度高的特点，使得应变检测非常精确。配合直线电机的光栅尺进行位移和速度检测，可以对两直线电机的运动平台实现位移和速度同步的双闭环控制，从而实现对同步跟踪的精准控制。

(2)本应变检测装置在薄钢板左侧使用转轴加直线导轨构成一个移动副和转动副以固定薄钢板，在两滑块不同步的情况下薄钢板可以稍微偏转并带动转轴在微型直线导轨上移动以保证薄钢板在不同步情况下不会受到过强的拉压力或剪力而断裂，同时对同步精度的影响也不大。

(3)本应变检测装置由于采样频率高、响应速度快，能够实时反映两直线电机运动平台的同步状况，动态检测出两者间的位置差，从而主动调整速度，实现快速恢复同步。

附图说明

图1是本发明双直线电机驱动同步跟踪控制装置总体结构示意图，；

图2是本发明双直线电机驱动同步跟踪控制装置俯视图；

图3是本发明双直线电机驱动同步跟踪控制装置应变检测系统局部结构示意图；

图4是双直线电机驱动同步跟踪控制方法框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图3所示，一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置，包括直线电机驱动部分、应变检测部分及驱动控制部分；

所述直线电机驱动部分包括平行固定在实验台上的两个结构完全相同的直线电机驱动装置，每个直线电机驱动装置均包括直线电机、直线导轨、滑块及基座；

所述直线电机和直线导轨固定在基座上，所述滑块通过直线电机动子4安装在直线导轨上，所述直线电机驱动滑块在直线导轨上移动，两个基座平行固定在实验台16上；

第一直线电机3在第一直线导轨2的导向下，驱动固定在第一直线电子动子上的第一滑块6进行运动，所述第一直线导轨2和第一直线电机3固定在第一基座1上，第二直线电机14和第二直线导轨13固定在第二基座15上。

第二直线电机14在第二直线导轨13的导向下，驱动固定在第二直线电机动子12上的第二滑块10进行运动。

所述的直线电机运动平台选用郑州微纳科技的一维立式直线电机运动平

台，型号为WMUC1536075-06-D，平台行程1400mm，额定推力58N，重复定位精度±1μm。

所述应变检测部分包括薄钢板、转轴及应变片，所述薄钢板8的左侧与转轴7固定，转轴7固定在第一滑块6的微型直线导轨5上，为使轴承拥有较大的内径以负荷较大的轴向力和径向力，在微型直线导轨配套滑块上加装一块较大的钢板以固定与转轴配合的轴承座。

所述薄钢板的右侧通过安装架11固定在第二滑块10上，所述应变片固定在右侧宽度方向中间处，所述的薄钢板规格为3mm×100mm×200mm，其长度可根据实际需要选择。所述的转轴配套的轴承座，其轴承选用带止推滚针轴承，型号为NKXRZ35，转轴的尺寸应根据选定的轴承加工定制，螺孔的高度也需要考虑薄钢板的固定孔高度。加装的钢板规格为10mm×80mm×80mm。微型直线导轨选用米思米的SEBLV20-101,长度为101mm，滑台使用配套滑台，规格为34.6mm×39mm，安装高度为20mm。安装时两电机滑块应处于严格平行状态以确保薄钢板8在安装时不会处于相对受拉或受压的状态，且板面应与两滑块运动方向垂直。

所述驱动控制部分，包括伺服驱动器、运动控制卡、工控计算机、应变控制器及A/D转换卡；

在双直线电机驱动同步跟踪过程中，薄钢板将会因不同的同步情况产生不同的应变，以薄钢板8固定端第二滑块为基准，薄钢板受拉时产生正应变，第一滑块落后于第二滑块；受压时产生负应变，第一滑块领先于第二滑块，应变片9将检测到的相关信号输入应变控制器21中，应变控制器21将输出的信号经A/D转换卡22转换后生成数字信号输入工控计算机20，经过相应的处理后，最后得到两直线电机滑块之间的相对位移信号。其中，应变片和应变控制器均选用美国Omega公司的相关配件，应变片型号为SGT-1/350-SY11，具有传感器质量，阻值为350Ω，配套的应变控制器型号为DP25B-S。

工控计算机根据输入信号，经过相应的处理发出指令脉冲，分别经过第一伺服驱动器17及第二伺服驱动器18输出信号控制两个直线电机的驱动，采用CSPACE运动控制卡和Elmo数字伺服驱动器，型号为HAR-5/60。

所述两个直线电机自带光栅尺。

如图4所示，一种双直线电机驱动同步跟踪的控制方法，包括如下步骤：

第一步利用直线电机自带的光栅尺检测两个直线电机滑块的位置和速度信号；

第二步将步骤一检测的信号经过两个伺服驱动器和运动控制卡19后输出到工控计算机20进行处理，得到相应的滑块位置和速度反馈信号；

第三步将应变片、薄钢板、转轴及微型导轨滑台组成的应变检测系统测得的信号由A/D转换卡22转换成数字信号并输入到工控计算机20中进行处理，得到相应的相对位移反馈信号；

第四步将步骤二和步骤三得到的反馈信号通过工控计算机20中设定的算法进行处理后生成控制两电机的脉冲信号，该信号分别经过运动控制卡19和对应的伺服控制器处理后输出到两直线电机，从而实现对直线电机的位置和速度进行双闭环控制，使两直线电机滑台按要求保持高精度的同步跟踪。所述的光栅尺选用德国海德汉公司的LIC4103敞开式直线光栅尺，绝对式位移测量，背胶固定，长度为1240mm，固定高度为90mm。

采用本方案可以在设计友好的人机交互界面上可以实时显示相关测量信号及测量数据并进行相应的数据分析，对工作过程进行实时处理，修改参数、保存数据、调试分析等。

本发明利用应变片测量精度高、误差小、可进行静态和动态测量、采样频率高、响应速度快的优势，设计一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置与方法，可以动态测量薄钢板的应变值，使同步跟踪控制更加快速、准确，从而实现高精度的双直线电机驱动同步跟踪控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置，其特征在于，包括直线电机驱动部分、应变检测部分及驱动控制部分；

所述直线电机驱动部分包括两个结构完全相同的直线电机驱动装置，两个直线电机驱动装置平行固定在实验台上，均包括直线电机、直线导轨、滑块及基座，所述直线电机和直线导轨固定在基座上，所述滑块通过直线电机动子安装在直线导轨上，所述直线电机驱动滑块在直线导轨上移动，两个基座平行固定在实验台上；

所述应变检测部分包括薄钢板、转轴及应变片，所述薄钢板的一端通过转轴与一个直线电机驱动装置的滑块固定，薄钢板的另一端通过安装架固定在另一个直线电机驱动装置的滑块上，所述应变片安装在薄钢板上；

所述驱动控制部分，包括伺服驱动器、运动控制卡、工控计算机、应变控制器及A/D转换卡；

应变片检测薄钢板的应变信号输入到应变控制器，然后再通过A/D转换卡输入到工控计算机中，得到两个滑块之间的相对位移信号；

所述直线电机自带光栅尺检测直线电机的速度和位置信息，通过伺服驱动器及运动控制卡输入到工控计算机中；

所述工控计算机得到两个直线电机的控制脉冲信号，通过运动控制卡机伺服驱动器输出到直线电机。

2.根据权利要求1所述的一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置，其特征在于，所述应变片具体设置在薄钢板的右侧，且位于宽度方向中线位置。

3.根据权利要求1所述的一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置，其特征在于，所述应变片的安装高度高于两个滑块上平面，且应变片的表面与两个滑块的运动方向相垂直。

4.根据权利要求1所述的一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置，其特征在于，所述薄钢板的尺寸为：3mm×100mm×200mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双直线电机驱动同步跟踪控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步 利用直线电机自带的光栅尺检测两个直线电机的位置和速度信息，经过伺服驱动器及运动控制卡，输入到工控计算机进行处理，得到相应的滑块位置和速度反馈信号；

第二步 应变片检测的薄钢板变形信号通过应变控制器及A/D转换卡输入到工控计算机中，得到相对位移反馈信号；

第三步 工控计算机根据第一及第二步骤的反馈信号，经过相应处理生成控制两个直线电机的脉冲信号，经过运动控制卡及伺服控制器输出到两个直线电机，从而实现对直线电机的位置和速度进行双闭环控制，使两直线电机滑台按要求保持高精度的同步跟踪。