CN109613824A - 一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台和控制方法，所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；所述工作台与所述滚珠丝杠连接；所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；所述驱动控制器根据不同的控制方式驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。充分将滚珠丝杠驱动与刚柔耦合运动平台的优点相结合，使平台的定位精度大幅度的提升。

Description

一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台及控制方法
技术领域
本发明涉及电机驱动技术，更具体的涉及一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台及控制方法。
背景技术
现有的滚珠丝杠驱动平台多为高刚性平台，由于摩擦死区的存在，导致其无法实现高精度。现有的刚柔耦合运动平台驱动方式均采用直线电机驱动，虽然解决了刚性平台摩擦死区的问题，但由于柔性铰链频率低，在直线电机高速运动时容易引起振动，影响了平台整体速度的提高。
发明内容
本发明所提出的一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台利用滚珠丝杠驱动无振动的优点，结合刚柔耦合运动平台的弹性变形补偿摩擦死区问题。由于滚珠丝杠间隙、负载变化带来的扰动问题，采用伺服电机与位移传感器分别作为速度和位置环双反馈方式提高系统的精度，并以伺服电机理论驱动位移与位置传感器实际位移为差值，采用自抗扰控制方法对扰动进行估计和补偿，提高系统的动态性能和负载、间隙变化扰动。充分将滚珠丝杠驱动与刚柔耦合运动平台的优点相结合，在利用传统机械导轨且不增加成本的前提下，使平台的定位精度大幅度的提升。具体技术方案如下。
一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台，所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；所述工作台与所述滚珠丝杠连接；所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；所述驱动控制器根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。
一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台，所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；所述工作台与所述滚珠丝杠连接；所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；所述驱动控制器根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，以所述伺服电机位置转化为直线位移为目标，所述工作台位置反馈为实际位置，以位置偏差和控制量为输入，进行扰动估计的扩张状态观测，并将估计的扰动修改控制信号，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。
进一步，所述柔性铰链为弹簧片，所述工作台与所述弹簧片通过中部压块连接在一起，所述弹簧片两头又通过另外两个端部压块与所述框架紧压在一起；所述中部压块能够更换为不同宽度的压块；所述端部压块能够改变压紧位置。
一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台的控制方法，所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；所述工作台与所述滚珠丝杠连接；所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；所述驱动控制器驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动；所述控制方法包括：半闭环控制方式、双反馈控制的全闭环控制方式和双反馈自抗扰控制方式；所述半闭环控制方式为根据规划的轨迹为控制目标，以所述伺服电机的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动；所述双反馈控制的全闭环控制方式为根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动；所述双反馈自抗扰控制方式为根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，以所述伺服电机位置转化为直线位移为目标，所述工作台位置反馈为实际位置，以位置偏差和控制量为输入，进行扰动估计的扩张状态观测，并将估计的扰动修改控制信号，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。
进一步，当精度要求为微米级时，采用所述半闭环控制方式；当精度要求为亚微米级时，采用所述双反馈控制的全闭环控制方式；当精度要求为纳米级时，采用所述双反馈自抗扰控制方式。
进一步，所述微米级为精度要求大于1μm；所述亚微米级为精度要求0.1～1μm；所述纳米级为精度要求小于0.1μm时。
与现有技术相比，有益效果是：
1、传统的滚珠丝杠运动平台均采用大刚度平台，由于导轨存在摩擦死区，平台在克服摩擦前产生弹性变形，因此无法实现高精度。本发明采用滚珠丝杠加刚柔耦合平台结构，利用柔性铰链的弹性变形补偿滚珠丝杠摩擦死区，并通过位移检测传感器全闭环反馈，从而使平台达到更高的定位精度。
2、刚柔耦合平台采用两组柔性铰链结构组成夹心结构。其中，通过两侧面的柔性铰链连接工作平台和框架，二者一体式加工，避免宏平台与微平台之间装配误差的产生。两端面的柔性铰链采用弹簧钢制作，保证了柔性铰链整体的疲劳寿命。
3、两端的弹簧式柔性铰链可以通过有效长度调节刚度，使平台可以满足不同工况下的使用要求。
4、平台上安装位移传感器，全闭环反馈，可以使平台实现更高的定位精度。
5、由位移传感器进行位置反馈，伺服电机进行速度反馈，双反馈保证平台有更高的定位精度。
6、将伺服电机编码器反馈除于每周脉冲数乘于滚珠丝杠导程，换算成直线运动信息作为理想目标，与位移传感器获得的位移求差得到位移偏差，采用自抗扰算法的扩张状态观测器进行扰动估计和补偿。
附图说明
图1是滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台整体示意图。
图2是滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台局部剖面示意图。
图3是刚柔耦合平台局部剖视图。
图4是刚柔耦合平台中复合柔性铰链局部放大图
图5是滚珠丝杠驱动刚柔耦合平台半闭环控制方式。
图6是滚珠丝杠驱动刚柔耦合平台双反馈控制方式。
图7是滚珠丝杠驱动刚柔耦合平台双反馈自抗扰控制方式。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例一
如图1、2所示，本发明的滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座2，直线导轨4、刚柔耦合平台7、伺服电机1、滚珠丝杠3、位移传感器和驱动控制器。框架701与工作台702通过复合柔性铰链703与704共同构成了刚柔耦合运动平台7。伺服电机1连接驱动滚珠丝杠3。滚珠丝杠3通过螺栓与刚柔耦合运动平台7中工作台702相连，刚柔耦合平台7中的框架701通过滑块与直线导轨4相连。框架701与滑块连接，通过滑块在直线导轨4上滑动。位移传感器包括位移传感器读数头6和位移传感器基体5。位移传感器读数头6通过螺栓安装在工作台702上。位移传感器基体5安装在底座2上。伺服电机1、滚珠丝杠3、直线导轨4通过螺栓固定在底座2上。通过伺服电机1驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动刚柔耦合平台7中的工作台运动，工作台702通过复合柔性铰链带动框架701在直线导轨4上运动。
如图4所示，通过更换弹片式柔性铰链704不同宽度的中部压块，或者调节两端压块的位置，改变柔性铰链704的有效长度，从而改变刚柔耦合平台的刚度，适应不同工况的需求。
图5为以伺服电机速度反馈为速度环、伺服电机位移反馈为位置环的半闭环控制方式。根据规划的轨迹为控制目标，以伺服电机的位置反馈构成位置环，伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动滚珠丝杠带动工作台移动。当位移很小，柔性铰链弹性变形产生的支反力不足于克服摩擦时，完全由弹性变形补偿摩擦死区，大大提高了精度。当行程较大时，柔性铰链的支反力大于摩擦力，带动框架运动实现大范围运动。在不增加控制成本情况下，通过机构设计提高了滚珠丝杠平台的精度。
此半闭环控制方式最为经济，比较适合用于当精度要求不高，为微米级(如大于1μm)时。
实施例二
实施例二与实施例一同样使用滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台，但控制方式不同，实施例二的控制方式为双反馈控制的全闭环控制方式。
图6为以伺服电机速度反馈为速度环、工作台位移反馈为位置环的全闭环控制方式。根据规划的轨迹为控制目标，以工作台的位置反馈构成位置环，伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动滚珠丝杠带动工作台移动。当位移很小，柔性铰链弹性变形产生的支反力不足于克服摩擦时，完全由弹性变形补偿摩擦死区，大大提高了精度。当行程较大时，柔性铰链的支反力大于摩擦力，带动框架运动实现大范围运动。全闭环控制进一步提高了滚珠丝杠驱动刚柔耦合平台的精度。
实施例二的双反馈控制的全闭环控制方式比较适合用于当精度要求比较高为亚微米级(如0.1～1μm)时。
实施例三
实施例三与实施例一同样使用滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台，但控制方式不同，实施例三的控制方式为双反馈自抗扰控制方式。
图7为以伺服电机位置转化为直线位移为目标，工作台位置反馈为实际位置，以位置偏差和控制量为输入，进行扰动估计的扩张状态观测，并将估计的扰动进行补偿的实现方式。
根据规划的轨迹为控制目标，工作台的位置反馈构成位置环，伺服电机的速度构成速度环。以伺服电机位置转化为直线位移为目标，工作台位置反馈为实际位置，以位置偏差和控制量为输入，进行扰动估计的扩张状态观测，并将估计的扰动并修改控制信号。产生控制信号给电流环，驱动滚珠丝杠带动工作台移动。当位移很小，柔性铰链弹性变形产生的支反力不足于克服摩擦时，完全由弹性变形补偿摩擦死区，大大提高了精度。当行程较大时，柔性铰链的支反力大于摩擦力，带动框架运动实现大范围运动。自抗扰算法的引入，不但改善了动态性能，而且能够适应负载的变化。
实施例三的双反馈自抗扰控制方式比较适合用于当精度要求很高，为纳米级(如小于0.1μm)，或者有工况变化时。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台，其特征在于，
所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；
所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；
所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；
所述工作台与所述滚珠丝杠连接；
所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；
所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；
所述驱动控制器根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。
2.一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台，其特征在于，
所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；
所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；
所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；
所述工作台与所述滚珠丝杠连接；
所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；
所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；
所述驱动控制器根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，以所述伺服电机位置转化为直线位移为目标，所述工作台位置反馈为实际位置，以位置偏差和控制量为输入，进行扰动估计的扩张状态观测，并将估计的扰动修改控制信号，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。
3.根据权利要求1或2所述的刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述柔性铰链为弹簧片，所述工作台与所述弹簧片通过中部压块连接在一起，所述弹簧片两头又通过另外两个端部压块与所述框架紧压在一起；
所述中部压块能够更换为不同宽度的压块；
所述端部压块能够改变压紧位置。
4.一种滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台的控制方法，其特征在于，
所述滚珠丝杠驱动的刚柔耦合运动平台包括：基座，固定在所述基座上的直线导轨、刚柔耦合平台、伺服电机、滚珠丝杠、导轨滑块、位移传感器和驱动控制器；
所述刚柔耦合平台包括：框架和工作台，所述框架和工作台通过柔性铰链连接；
所述伺服电机连接驱动所述滚珠丝杠；
所述工作台与所述滚珠丝杠连接；
所述框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；
所述位移传感器用于反馈所述工作台的位置；
所述驱动控制器驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动；
所述控制方法包括：半闭环控制方式、双反馈控制的全闭环控制方式和双反馈自抗扰控制方式；
所述半闭环控制方式为根据规划的轨迹为控制目标，以所述伺服电机的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动；
所述双反馈控制的全闭环控制方式为根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，伺服电机的速度构成速度环，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动；
所述双反馈自抗扰控制方式为根据规划的轨迹为控制目标，以所述工作台的位置反馈构成位置环，所述伺服电机的速度构成速度环，以所述伺服电机位置转化为直线位移为目标，所述工作台位置反馈为实际位置，以位置偏差和控制量为输入，进行扰动估计的扩张状态观测，并将估计的扰动修改控制信号，产生控制信号给电流环，驱动所述滚珠丝杠带动所述工作台移动。
5.根据权利要求4所述的刚柔耦合运动平台的控制方法，其特征在于，
当精度要求为微米级时，采用所述半闭环控制方式；
当精度要求为亚微米级时，采用所述双反馈控制的全闭环控制方式；
当精度要求为纳米级时，采用所述双反馈自抗扰控制方式。
6.根据权利要求5所述的刚柔耦合运动平台的控制方法，其特征在于，
所述微米级为精度要求大于1μm；
所述亚微米级为精度要求0.1～1μm；
所述纳米级为精度要求小于0.1μm时。
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