CN109857163B - 一种平面直线位移监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平面直线位移监测控制系统，包括基准支撑面、设置于所述基准支撑面上的直线驱动机构、设置于所述直线驱动机构的输出端上并用于在其动力驱动下进行直线位移的工件、设置于所述基准支撑面的表面上并用于检测所述工件相对于所述基准支撑面的位置变化信息的位移测量单元，以及与所述位移测量单元及所述直线驱动机构信号连接、用于计算所述工件的当前姿态修正量的计算单元，与所述直线驱动机构的控制端信号连接、用于根据所述计算单元的计算结果控制所述直线驱动机构改变驱动状态的控制单元。本发明能够方便地实现对工件的位移驱动状态检测，并进行精确地控制。

Description

一种平面直线位移监测控制系统

技术领域

本发明涉及检测控制系统技术领域，特别涉及一种平面直线位移监测控制系统。

背景技术

近年来，随着我国工业水平的不断提高，在国防工业、航天宇航技术、生物工程、微电子工程、纳米科学与技术等多种领域对超精密技术的需求日益迫切，精度的提高，意味着产品性能和质量大幅度地提高。具体的，微型机电系统的制造与检测、大规模集成电路的生产、超精密加工及其精密测量等等，都离不开超精密定位技术，超精密定位技术已成为精密工程领域的关键技术之一。

随着压电驱动技术的发展，在一定程度上缓解了高精度测量难题，但是压电材料驱动行程小，其最大行程只有几十微米，然而超精密技术的发展，要求进给系统能够实现大行程范围内的超精密微位移。同时，为了实现大行程的位移输出，需要借助不同工作原理的驱动位移装置，比如油缸或气缸等驱动部件，此类驱动位移装置的工作行程很大，可满足生产制造过程中的工件大行程位移需求，但此类驱动位移装置的位移量控制比较粗糙，无法精确控制工件的位移量，容易出现位移偏差，无法适用于高精密工程的生产制造。为实现大行程位移输出，需要借助不同工作原理的驱动位移装置，比如组合式驱动输出机构等，得益于压电陶瓷驱动装置的高精度输出基础，可以获得高精度的大行程位移装置，但是传统铰链结构的间隙和摩擦严重影响了机构精度，目前传统的组合式驱动位移装置普遍结构复杂，不可避免地增加了多个间隙和摩擦环节，提高了系统成本和控制难度，导致驱动机构的稳定性很差，难以对工件的位移驱动状态进行实时检测和较为精确地控制。

因此，如何方便地实现对工件的位移驱动状态检测，并进行精确地控制，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面直线位移监测控制系统，能够方便地实现对工件的位移驱动状态检测，并进行精确地控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种平面直线位移监测控制系统，包括基准支撑面、设置于所述基准支撑面上的直线驱动机构、设置于所述直线驱动机构的输出端上并用于在其动力驱动下进行直线位移的工件、设置于所述基准支撑面的表面上并用于检测所述工件相对于所述基准支撑面的位置变化信息的位移测量单元，以及与所述位移测量单元及所述直线驱动机构信号连接、用于计算所述工件的当前姿态修正量的计算单元，与所述直线驱动机构的控制端信号连接、用于根据所述计算单元的计算结果控制所述直线驱动机构改变驱动状态的控制单元。

优选地，所述基准支撑面的表面上设置有底部支撑板，且所述直线驱动机构设置于所述底部支撑板的表面上。

优选地，所述直线驱动机构包括若干根立设于所述底部支撑板表面上的驱动组件，且各根所述驱动组件沿所述底部支撑板的周向均匀分布。

优选地，所述驱动组件在所述底部支撑板的表面上分布有3～6根。

优选地，各所述驱动组件均包括立设于所述底部支撑板表面上的粗级驱动器和连接在所述粗级驱动器的输出端上的精密驱动器。

优选地，所述粗级驱动器具体为驱动缸、丝杠或音圈电机，所述精密驱动器具体为压电陶瓷驱动器。

优选地，所述精密驱动器的输出端的表面上设置有用于与所述工件的底面球接的球铰。

优选地，各所述粗级驱动器的输出端均连接在运动支架上，且各所述精密驱动器均立设于所述运动支架的表面上。

优选地，所述基准支撑面的表面上还立设有沿周向分布的侧壁支架，所述侧壁支架的表面上开设有直线导轨，且所述运动支架可滑动地设置于所述直线导轨内。

优选地，所述位移测量单元包括铺设于所述基准支撑面表面上的若干个激光发射接收器，以及铺设于所述工件底面上的若干个反射镜。

本发明所提供的平面直线位移监测控制系统，主要包括基准支撑面、直线驱动机构、工件、位移测量单元、计算单元和控制单元。其中，基准支撑面为本控制系统的主体结构，主要用于安装和承载其余零部件。直线驱动机构设置于所述基准支撑面的表面上，在直线驱动机构的输出端上设置有工件，主要用于通过动力驱动工件进行直线位移。位移测量单元设置在基准支撑面的表面上，主要用于在工件的驱动过程中，实时检测工件相对于基准支撑面的位置变化信息。计算单元同时与位移测量单元和直线驱动机构信号连接，是一个具有内置计算程序的数据处理单元，主要用于根据测量单元所检测到的工件位置信息(即工件的空间位置方程)，结合系统驱动目标设定，解算出工件的当前姿态修正量。控制单元与直线驱动机构的控制端信号连接，主要用于根据计算单元的计算结果控制直线驱动机构的驱动状态，使得工件的当前姿态能够根据反馈数据得到预期修正。如此，本发明所提供的平面直线位移监测控制系统，通过直线驱动机构驱动工件在作业过程中进行直线位移，并在位移过程中辅以位移测量单元进行实时位置信息测量，再通过计算单元以反馈的方式解算工件的当前姿态修正量，最后利用控制单元对直线驱动机构的驱动状态修正实现对工件的位移状态精确控制，检测与控制过程简单易行，控制精度较高，工件的位移量精度得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

其中，图1中：

基准支撑面—1，直线驱动机构—2，驱动组件—201，粗级驱动器—211，精密驱动器—212，球铰—213，运动支架—202，侧壁支架—203，直线导轨—204，工件—3，位移测量单元—4，激光发射接收器—401，反射镜—402，计算单元—5，控制单元—6，底部支撑板—7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，平面直线位移监测控制系统主要包括基准支撑面1、直线驱动机构2、工件3、位移测量单元4、计算单元5和控制单元6。

其中，基准支撑面1为本控制系统的主体结构，主要用于安装和承载其余零部件。直线驱动机构2设置于所述基准支撑面1的表面上，在直线驱动机构2的输出端上设置有工件3，主要用于通过动力驱动工件3进行直线位移。

位移测量单元4设置在基准支撑面1的表面上，主要用于在工件3的驱动过程中，实时检测工件3相对于基准支撑面1的位置变化信息。

计算单元5同时与位移测量单元4和直线驱动机构2信号连接，是一个具有内置计算程序的数据处理单元，主要用于根据测量单元所检测到的工件3位置信息(即工件3的空间位置方程)，结合系统驱动目标设定，解算出工件3的当前姿态修正量。

控制单元6与直线驱动机构2的控制端信号连接，主要用于根据计算单元5的计算结果控制直线驱动机构2的驱动状态，使得工件3的当前姿态能够根据反馈数据得到预期修正。

如此，本实施例所提供的平面直线位移监测控制系统，通过直线驱动机构2驱动工件3在作业过程中进行直线位移，并在位移过程中辅以位移测量单元4进行实时位置信息测量，再通过计算单元5以反馈的方式解算工件3的当前姿态修正量，最后利用控制单元6对直线驱动机构2的驱动状态修正实现对工件3的位移状态精确控制，检测与控制过程简单易行，控制精度较高，工件3的位移量精度得到提高。

本实施例中，为方便直线驱动机构2的安装，在基准支撑面1的表面上设置了底部支撑板7，同时将直线驱动机构2设置在底部支撑板7的表面上。具体的，该直线驱动机构2主要包括若干根驱动组件201。各根驱动组件201分别立设在底部支撑板7的表面上，并且可沿着底部支撑板7的周向方向均匀分布——底部支撑板7一般为圆形板，当然也可以为其余形状。如此，多根驱动组件201同时驱动工件3进行直线位移，能够使工件3的位移运动更加均匀、稳定。

一般的，在底部支撑板7的表面上可同时分布有3～6根驱动组件201。当然，根据需要还可以灵活调整驱动组件201的数量和分布形式。

在关于各根驱动组件201的一种优选实施方式中，具体的，各根驱动组件201均为两级式组合结构，包括粗级驱动器211和精密驱动器212。其中，粗级驱动器211立设在底部支撑板7的表面上，为一级驱动机构，主要用于驱动工件3进行大行程位移，比如若干毫米等。而精密驱动器212连接在各个粗级驱动器211的输出端上，为二级驱动机构，主要用于驱动工件3进行小行程位移，比如若干微米等。粗级驱动器211与精密驱动器212联用，即可实现工件3的高精度位移。此处优选地，粗级驱动器211具体可为驱动缸、丝杠、音圈电机或电缸等，而精密驱动器212可选用压电陶瓷驱动器等。

进一步的，为方便实现对工件3的姿态调整和修正，本实施例在精密驱动器212的输出端表面上设置有若干个球铰213，通过各个球铰213与工件3的底面相连，并形成球面副，使得工件3可在各个紧密驱动器的驱动下实现球面运动，方便地实现空间姿态变化。

另外，为提高直线驱动机构2对工件3的位移驱动运动稳定性和均匀性，本实施例在基准支撑面1的表面上立设了侧壁支架203，通过在侧壁支架203上设置了运动支架202。具体的，该侧壁支架203可沿着基准支撑面1的周向方向呈环形分布，同时在侧壁支架203上开设有沿垂向分布的直线导轨204，运动支架202的侧壁安装在直线导轨204内，可沿着直线导轨204的长度方向进行滑动。同时，运动支架202整体呈“H”型，其两侧壁安装在直线导轨204内，而其中间横板则用于与各个粗级驱动器211的输出端相连。当各个粗级驱动器211的输出端伸出或缩回时，则同步带动运动支架202的中间横板同步升降。同时，各个精密驱动器212均立设在运动支架202的中间横板的表面上，随着运动支架202的升降而同步运动。如此，粗级驱动器211的驱动运动即通过运动支架202传递到精密驱动器212上，同时由于直线导轨204的作用，限制了运动支架202在直线过程中的横向振动，保证运动平稳性和均匀性。

在关于位移测量单元4的一种优选实施方式中，该位移测量单元4主要包括若干个成对配合使用的激光发射接收器401和反射镜402。其中，各个激光发射接收器401均铺设在基准支撑面1的表面上，而各个反射镜402均铺设在工件3的底面上，分别与各自对应的激光发射接收器401相对，激光发射接收器401可发射或接收通过反射镜402反射后的激光，从而通过激光的发送与接收时间测量工件3底面相对于基准支撑面1的位置变化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种平面直线位移监测控制系统，其特征在于，包括基准支撑面(1)、设置于所述基准支撑面(1)上的直线驱动机构(2)、设置于所述直线驱动机构(2)的输出端上并用于在其动力驱动下进行直线位移的工件(3)、设置于所述基准支撑面(1)的表面上并用于检测所述工件(3)相对于所述基准支撑面(1)的位置变化信息的位移测量单元(4)，以及与所述位移测量单元(4)及所述直线驱动机构(2)信号连接、用于计算所述工件(3)的当前姿态修正量的计算单元(5)，与所述直线驱动机构(2)的控制端信号连接、用于根据所述计算单元(5)的计算结果控制所述直线驱动机构(2)改变驱动状态的控制单元(6)；

所述基准支撑面(1)的表面上设置有底部支撑板(7)，且所述直线驱动机构(2)设置于所述底部支撑板(7)的表面上；

所述直线驱动机构(2)包括若干根立设于所述底部支撑板(7)表面上的驱动组件(201)，且各根所述驱动组件(201)沿所述底部支撑板(7)的周向均匀分布；

各所述驱动组件(201)均包括立设于所述底部支撑板(7)表面上的粗级驱动器(211)和连接在所述粗级驱动器(211)的输出端上的精密驱动器(212)；

所述精密驱动器(212)的输出端的表面上设置有用于与所述工件(3)的底面球接的球铰(213)，以使所述工件(3)在各个所述精密驱动器(212)的驱动下通过球面运动实现姿态调整；

所述驱动组件(201)在所述底部支撑板(7)的表面上分布有3～6根；

所述粗级驱动器(211)具体为驱动缸、丝杠或音圈电机，所述精密驱动器(212)具体为压电陶瓷驱动器；

各所述粗级驱动器(211)的输出端均连接在运动支架(202)上，且各所述精密驱动器(212)均立设于所述运动支架(202)的表面上；

所述基准支撑面(1)的表面上还立设有沿周向分布的侧壁支架(203)，所述侧壁支架(203)的表面上开设有直线导轨(204)，且所述运动支架(202)可滑动地设置于所述直线导轨(204)内；所述运动支架(202)整体呈H型，所述运动支架(202)的两侧壁安装在所述直线导轨(204)内，所述运动支架(202)的中间横板用于与各个所述粗级驱动器(211)的输出端相连；各个所述精密驱动器(212)均立设在所述运动支架(202)的中间横板的表面上，随着所述运动支架(202)的升降而同步运动；

所述位移测量单元(4)包括铺设于所述基准支撑面(1)表面上的若干个激光发射器接收装置(401)，以及铺设于所述工件(3)底面上的若干个反射镜(402)。

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