CN107796343B - 一种高精度定位装置及高精度定位辅助方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度定位装置，其具备工作台、阻挡装置、弹性阻尼器、驱动装置、终端位置检测装置、控制器。其中：工作台在驱动力的作用下作线性位移或角度位移，用于外负载的高精度定位；终端位置检测装置用于反馈工作台的位置；驱动装置具备电机；控制器控制驱动装置运行，使得工作台到达目标位置；阻挡装置直接或间接连接至工作台。在工作台趋近目标位置时，驱动装置作用于工作台的力为第一方向力，弹性阻尼器通过阻挡装置而作用于工作台的力为第二方向力，两力互为驱动力、阻力关系。所述第一方向力与第二方向力的同时存在，有利于减小反向间隙以及惯性力所导致的定位误差，提高工作台的定位精度。本发明还公开了该装置的高精度定位辅助方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度定位装置及高精度定位辅助方法，属于高精度定位领域，特别是大负载精密定位领域。
背景技术
精密定位装置包括线性位移定位装置以及回转分度装置。线性位移定位装置常见于直线位移平台、数控龙门铣床等，其常见的驱动方式为电机+减速器+丝杠。回转分度装置常见于分度盘、分度头、回转工作台等，其常见的驱动方式为电机+减速器+蜗轮蜗杆。众所周知的是，由于各传动零部件之间不可避免的存在各种间隙，这些间隙的存在往往会降低精密定位装置的定位精度。为了提高定位装置的定位精度，常见的技术手段包括闭环控制以及传动件消隙技术。利用终端检测实时反馈工作台的当前位置，闭环控制能够对工作台的位移进行实时补偿，这有利于消除各种制造及安装误差，但应对反向间隙仍显得力不从心(比如反向间隙引起的系统震荡)。常见的传动件消隙技术包括滚珠丝杠预紧技术、轴承预紧技术、直驱技术等。直驱技术往往应用于高速小负载场合，不能解决低速大负载的精密定位问题；而预紧技术只能减小丝杠、轴承本身的误差，往往不能减小其他环节的误差，而且预紧技术会加剧自身的磨损。总之，如何解决大负载的精密定位问题，寻找高精度定位的方法仍然是当下急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高精度定位装置及辅助定位方法，它利用弹性阻尼器对工作台施加一个额外的外力，该外力有利于减小传动间隙以及惯性力所导致的定位误差，提高工作台的定位精度。
本发明提供的一种高精度定位装置具备工作台、阻挡装置、弹性阻尼器、驱动装置、控制器。所述工作台在驱动力的作用下作线性位移或角度位移，该工作台是外负载的承载单元，并用于外负载的高精度定位；所述驱动装置具备伺服电机或步进电机；
所述阻挡装置直接或间接连接至工作台，并随着工作台的运动而运动。在工作台趋近目标位置时，所述驱动装置作用于工作台的力为第一方向力，所述弹性阻尼器通过所述阻挡装置而作用于工作台的力为第二方向力，两力互为驱动力、阻力关系。所述第一方向力与第二方向力的同时存在，有利于减小反向间隙以及惯性力所导致的定位误差，提高工作台的定位精度。
作为优选，所述高精度定位装置还具备终端位置检测装置，所述终端位置检测装置用于实时反馈工作台的位置；控制器根据目标位置以及终端位置检测装置反馈的工作台当前位置，控制驱动装置运行，使得工作台到达目标位置。
作为优选，所述弹性阻尼器位于所述阻挡装置的其中一侧，或者对称布置在阻挡装置的两侧。更进一步的是：所述弹性阻尼器具备挡套、压缩弹簧、导杆、压套、压板；所述挡套与导杆相固联，压板与导杆相固联；所述压缩弹簧、压套位于挡套与压板之间，并可沿导杆运动；当所述阻挡装置推动压套压缩压缩弹簧时，弹性阻尼器赋予工作台以所述第二方向力。需要指出的是：在弹性阻尼器装配完毕后，所述压缩弹簧处于自由状态，即其没有预压缩；又或者，在弹性阻尼器装配完毕后，所述压缩弹簧处于压缩状态，即其具备预压缩。
作为优选，所述高精度定位装置还具备弹性力调整装置，所述弹性力调整装置与弹性阻尼器相联接，并用于调整弹性阻尼器与工作台的相对位置。
更进一步的是：
所述弹性力调整装置包括动力机、机座、丝杠、导轨、螺母、左压板、右压板、底座；所述动力机为电机或电机与减速器的组合体，并固定在机座上；所述底座与高精度定位装置的机架相固联；所述机座、导轨与底座相固联；若干个弹性阻尼器布置在阻挡装置的两侧，并分别与左压板与右压板相联接；所述左压板与右压板相互联接，并可沿导轨滑动；所述螺母与左压板或右压板相联接；所述动力机、丝杠、螺母、左压板、右压板形成典型的运动单元，该运动单元可以将动力机的旋转运动转化成左压板、右压板直线运动；当工作台在离目标位置较远处运行时，所述运动单元与驱动装置做联动，即左压板、右压板相对阻挡装置的距离保持不变或近似不变；此时弹性阻尼器的压缩量保持不变或近似不变，弹性阻尼器赋予工作台的力相对较小；当工作台接近目标位置时，所述运动单元与驱动装置做非同步运行，从而使得左压板、右压板相对阻挡装置的距离发生改变，导致弹性阻尼器的压缩量增加，此时，弹性阻尼器赋予工作台以较大的力。
一种高精度定位辅助方法
对于普通定位装置来说，工作台在趋近目标位置时往往处于减速状态，此时，可以认为工作台所受的摩擦力以及外负载力为阻力，这种阻力使得工作台能够尽快减速，这对于定位装置的定位精度来说是极其有益的。若该阻力不够大，而外负载及工作台的惯性较大、定位精度较高时，由于传动间隙的存在，容易引起系统震荡或者降低系统定位精度。有鉴于此，本发明所述的高精度定位辅助方法是在高精度定位装置上增加阻挡装置以及弹性阻尼器，这有利于消除或减轻反向间隙及惯性力导致的误差，其内在的机理在于：当工作台在接近目标位置时，所述弹性阻尼器通过阻挡装置赋予工作台一个额外的弹性力，该弹性力与驱动力互为阻力、驱动力关系，这使得工作台快速到位，消除或减轻反向间隙带来的定位误差；另外，在工作台趋近目标位置时，驱动装置刚性的限制了工作台的一个运行方位(由于反向间隙的存在，驱动装置无法限制工作台的另一运行方位)，而弹性阻尼器以及阻挡装置弹性的限制了工作台另一个运行方位，促使工作台快速准确的定位。
通过上述设计方案，本发明带来的有益效果为：对于工作台来说，不管是弹性阻尼器通过阻挡装置赋予工作台的弹性力，还是驱动装置作用于工作台的刚性力，两力都为终端力，且互为阻力、驱动力关系，这有利于工作台尽快减速到位，从而提高工作台的定位；对于驱动装置来说，它只需限制工作台其中一个运动方向，即反向间隙显得无关紧要，这就降低了制造安装精度，从而降低设备的总成本。
附图说明
图1是本发明高精度定位装置的第一种结构示意图。
图2是本发明高精度定位装置的第二种结构示意图。
图3是本发明高精度定位装置的第三种结构示意图。
图4是本发明高精度定位装置的第四种结构示意图。
图5是本发明高精度定位装置的第五种结构示意图。
图6是单向式弹性阻尼器的结构示意图。
图7是双向式弹性阻尼器的结构示意图。
图8是跟随式可调弹性阻尼器的结构示意图。
图9是本发明一种高精度定位辅助方法所涉及的第一种消隙原理示意图。
图10是本发明一种高精度定位辅助方法所涉及的第二种消隙原理示意图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
高精度定位装置的结构
本发明一种高精度定位装置的第一种结构示意图如图1所示，其应用于小角度回转分度场合；本发明一种高精度定位装置的第二种结构示意图如图2所示，弹性阻尼器(3)可在外力的作用下沿工作台(1)的径向运动(外力可以是电磁力、液压力等)，所述径向运动使得弹性阻尼器(3)与工作台(1)产生离合作用，这使得第二种结构可以应用大角度回转分度场合；本发明一种高精度定位装置的第三种结构示意图如图3所示，其应用于短距离线性位移定位场合；本发明一种高精度定位装置的第四种结构示意图如图4所示，弹性阻尼器(3)可在外力的作用下沿工作台(1)的垂直方向运动(外力可以是电磁力、液压力等)，所述垂直方向运动使得弹性阻尼器(3)与工作台(1)产生离合作用，这使得第四种结构可以应用于长距离线性位移定位场合；本发明一种高精度定位装置的第五种结构示意图如图5所示，其应用于长距离线性位移定位场合。
本发明所述的上述五种结构形式，不管是哪种结构，所述高精度定位装置具备工作台(1)、阻挡装置(2)、弹性阻尼器(3)、驱动装置(4)、控制器(6)；所述工作台(1)在驱动力的作用下作线性位移或角度位移；所述阻挡装置(2)直接或间接连接至所述工作台(1)；在工作台(1)趋近目标位置时，所述驱动装置(4)作用于工作台(1)的力为第一方向力，所述弹性阻尼器(3)通过所述阻挡装置(2)而作用于工作台(1)的力为第二方向力，两力互为驱动力、阻力关系；所述第一方向力与第二方向力的同时存在，用于减小反向间隙以及惯性力所导致的定位误差。
作为优选，所述高精度定位装置还具备终端位置检测装置(5)，所述终端位置检测装置(5)用于实时反馈工作台(1)的位置；控制器(6)根据目标位置以及终端位置检测装置(5)反馈的工作台(1)当前位置，控制驱动装置(4)运行，使得工作台(1)到达目标位置。
作为优选，如图6以及图7所示，所述弹性阻尼器(3)位于所述阻挡装置(2)的其中一侧，或者对称布置在阻挡装置(2)的两侧。更进一步的是：所述弹性阻尼器(3)具备挡套(31)、压缩弹簧(32)、导杆(33)、压套(34)、压板(35)；所述导杆(33)与挡套(31)相固联，压板(35)与导杆(33)相固联；所述压缩弹簧(32)以及压套(34)位于挡套(31)与压板(35)之间，并可沿导杆(33)运动；当所述阻挡装置(2)推动压套(34)压缩压缩弹簧(32)时，弹性阻尼器(3)赋予工作台(1)以所述第二方向力。需要指出的是：在弹性阻尼器(3)装配完毕后，所述压缩弹簧(32)处于自由状态，即其没有预压缩；又或者，在弹性阻尼器(3)装配完毕后，所述压缩弹簧(32)处于压缩状态，即其具备预压缩。
作为优选，如图1、图5所示，所述高精度定位装置还具备弹性力调整装置(7)，所述弹性力调整装置(7)与弹性阻尼器(3)相联接，并用于调整弹性阻尼器(3)与工作台(1)的相对位置。更进一步的是：如图8所示，所述弹性力调整装置(7)包括动力机(51)、机座(52)、丝杠(53)、导轨(54)、螺母(55)、左压板(56)、右压板(57)、底座(58)；所述动力机(51)为电机或电机与减速器的组合体，并固定在机座(52)上；所述底座(58)与高精度定位装置的机架相固联；所述机座(52)、导轨(54)与底座(58)相固联；若干个弹性阻尼器(3)布置在阻挡装置(2)的两侧，并分别与左压板(56)与右压板(57)相联接；所述左压板(56)与右压板(57)相互联接，并可沿导轨(54)滑动；所述螺母(55)与左压板(56)或右压板(57)相联接；所述动力机(51)、丝杠(53)、螺母(55)、左压板(56)、右压板(57)形成典型的运动单元(A)，该运动单元(A)可以将动力机(51)的旋转运动转化成左压板(56)、右压板(57)直线运动；当工作台(1)在离目标位置较远处运行时，所述运动单元(A)与驱动装置(4)做联动，即左压板(56)、右压板(57)相对阻挡装置(2)的距离保持不变或近似不变；此时弹性阻尼器(3)的压缩量保持不变或近似不变，弹性阻尼器(3)赋予工作台(1)的力相对较小；当工作台(1)接近目标位置时，所述运动单元(A)与驱动装置(4)做非同步运行，从而使得左压板(56)、右压板(57)相对阻挡装置(2)的距离发生改变，导致弹性阻尼器(3)的压缩量增加，此时，弹性阻尼器(3)赋予工作台(1)以较大的力。
高精度定位辅助方法
本发明一种高精度定位辅助方法的核心在于消除所述驱动装置(4)的反向间隙，根据应用场合的不同，消隙原理可以归结为以下两种：一、一种高精度定位辅助方法所涉及的第一种消隙原理示意图如图9所示，其主要反映线性位移定位装置的消隙原理或消隙方法；二、一种高精度定位辅助方法所涉及的第二种消隙原理示意图如图10所示，其主要反映回转分度装置的消隙原理或消隙方法。
不管是第一种消隙原理，还是第二种消隙原理，其都可以描述为：控制器(6)根据目标位置以及终端位置检测装置(5)反馈的工作台(1)当前位置，控制驱动装置(4)运行，使得工作台(1)向目标位置运行，当工作台(1)接近目标位置时，所述驱动装置(4)给予工作台(1)一个刚性力F1，所述弹性阻尼器(3)通过阻挡装置(2)给予工作台(1)一个弹性力F2，所述刚性力F1与弹性力F2互为驱动力、阻力关系，用于工作台(1)快速到位，消除或减轻惯性力导致的工作台到位前冲问题，提高工作台(1)的定位精度；工作台(1)到位后，驱动装置(4)刚性的限制了工作台的一个运行方位，而弹性阻尼器(3)以及阻挡装置(2)弹性的限制了工作台(1)另一个运行方位，这就使得工作台(1)到位后的锁定效果更好，有效避免震荡。
在消隙原理上，与传统精密定位装置相比，本发明的不同之处在于：传统精密定位装置利用消除驱动装置(4)本身的传动间隙来消隙，而本发明是利用驱动装置(4)与弹性阻尼器(3)相互作用来共同实现消隙。
综上，本发明带来的有益效果包括以下几点：一是有效降低高精度定位装置对传动系统反向间隙的苛刻要求，即可以有效降低本发明所述驱动装置的公差等级及制造安装精度，从而降低设备总体成本；二是在工作台到位时，通过增加阻尼，消除或减轻惯性力导致的工作台到位前冲问题，提高了高精度定位装置的定位精度；三是通过两套机构来限制工作台两个运行方位的运动，提高了高精度定位装置的到位锁定效果。
本发明不局限于上述实施例，比如弹性阻尼器所提供的弹性力完全可以用电磁力、液压力以及气压力来代替；再比如弹性阻尼器、阻挡装置的具体结构以及与工作台的接合形式有很多，不能一一例举，凡采用本发明已指出的设计方式或者设计思路，均应认为在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高精度定位装置，其特征在于：所述高精度定位装置具备工作台(1)、阻挡装置(2)、弹性阻尼器(3)、驱动装置(4)、控制器(6)以及弹性力调整装置(7)，所述弹性力调整装置(7)与弹性阻尼器(3)相联接，并用于调整弹性阻尼器(3)与工作台(1)的相对位置；
所述工作台(1)在驱动力的作用下作线性位移或角度位移；所述阻挡装置(2)直接或间接连接至所述工作台(1)；在工作台(1)趋近目标位置时，所述驱动装置(4)作用于工作台(1)的力为第一方向力，所述弹性阻尼器(3)通过所述阻挡装置(2)而作用于工作台(1)的力为第二方向力，两力互为驱动力、阻力关系；所述第一方向力与第二方向力的同时存在，用于减小反向间隙以及惯性力所导致的定位误差；
所述弹性阻尼器(3)具备挡套(31)、压缩弹簧(32)、导杆(33)、压套(34)、压板(35)；所述导杆(33)与挡套(31)相固联，压板(35)与导杆(33)相固联；所述压缩弹簧(32)和压套(34)都位于挡套(31)与压板(35)之间，并可沿导杆(33)运动；当所述阻挡装置(2)推动压套(34)压缩压缩弹簧(32)时，所述弹性阻尼器(3)赋予工作台(1)以所述第二方向力；
所述弹性力调整装置(7)包括动力机(51)、机座(52)、丝杠(53)、导轨(54)、螺母(55)、左压板(56)、右压板(57)、底座(58)；动力机(51)为电机或电机与减速器的组合体，并固定在机座(52)上；底座(58)与高精度定位装置的机架相固联；机座(52)、导轨(54)与底座(58)相固联；若干个弹性阻尼器(3)布置在阻挡装置(2)的两侧，并分别与左压板(56)与右压板(57)相联接；所述左压板(56)与右压板(57)相互联接，并可沿导轨(54)滑动，螺母(55)与左压板(56)或右压板(57)相联接；动力机(51)、丝杠(53)、螺母(55)、左压板(56)、右压板(57)形成典型的运动单元(A)，该运动单元(A)可以将动力机(51)的旋转运动转化成左压板(56)、右压板(57)直线运动；当工作台(1)在离目标位置较远处运行时，所述运动单元(A)与驱动装置(4)做联动，即左压板(56)、右压板(57)相对阻挡装置(2)的距离保持不变或近似不变；此时弹性阻尼器(3)的压缩量保持不变或近似不变，弹性阻尼器(3)赋予工作台(1)的力相对较小；当工作台(1)接近目标位置时，所述运动单元(A)与驱动装置(4)做非同步运行，从而使得左压板(56)、右压板(57)相对阻挡装置(2)的距离发生改变，导致弹性阻尼器(3)的压缩量增加，此时，弹性阻尼器(3)赋予工作台(1)以较大的力。
2.根据权利要求1所述的一种高精度定位装置，其特征在于：所述高精度定位装置还具备终端位置检测装置(5)，所述终端位置检测装置(5)用于实时反馈工作台(1)的位置；控制器(6)根据目标位置以及终端位置检测装置(5)反馈的工作台(1)当前位置，控制驱动装置(4)运行，使得工作台(1)到达目标位置。
3.根据权利要求1所述的一种高精度定位装置，其特征在于：在弹性阻尼器(3)装配完毕后，所述压缩弹簧(32)处于自由状态，即其没有预压缩。
4.根据权利要求1所述的一种高精度定位装置，其特征在于：在弹性阻尼器(3)装配完毕后，所述压缩弹簧(32)处于压缩状态，即其具备预压缩。
5.一种高精度定位辅助方法，采用权利要求1至4任一项所述的高精度定位装置，实现定位，其特征在于：控制器(6)根据目标位置以及终端位置检测装置(5)反馈的工作台(1)当前位置，控制驱动装置(4)运行，使得工作台(1)向目标位置运行，当工作台(1)接近目标位置时，所述驱动装置(4)给予工作台(1)一个刚性力F1，所述弹性阻尼器(3)通过阻挡装置(2)给予工作台(1)一个弹性力F2，所述刚性力F1与弹性力F2互为驱动力、阻力关系，用于工作台(1)快速到位，消除或减轻惯性力导致的工作台到位前冲问题；工作台(1)到位后，驱动装置(4)刚性的限制了工作台的一个运行方位，而弹性阻尼器(3)以及阻挡装置(2)弹性的限制了工作台(1)另一个运行方位，用于工作台(1)到位锁定。
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