CN110928238A - 一种刚柔耦合旋转平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合旋转平台及其控制方法，所述刚柔耦合旋转平台包括：机座、刚性轴承、轴承套筒、核心旋转平台、旋转驱动器和复合式旋转柔性铰链环、两组编码器；轴承套筒固定在所述机座上；刚性轴承与核心旋转平台之间通过复合式旋转柔性铰链环运动副连接；刚性轴承通过轴承套筒与机座连接；旋转驱动器用于驱动核心旋转平台旋转；核心旋转平台旋转时，复合式旋转柔性铰链环发生弹性变形；两组编码器分别用于测量核心旋转平台的旋转角度和测量刚性轴承的旋转角度。本发明的旋转平台依靠自身的复合式柔性铰链环变形来补偿摩擦死区，降低旋转平台启动、停止和微旋转过程中摩擦力变化导致的“爬行”对旋转和定位精度的影响。

Description

一种刚柔耦合旋转平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及旋转平台的技术领域，更具体地，涉及一种刚柔耦合旋转平台及其控制方法。

背景技术

旋转平台在现代工业领域中被广泛使用。尤其在航天国防领域，激光跟踪、激光武器、卫星激光通讯等，需要高精度旋转平台作为瞄准装置。由于被探测物距离遥远，失之毫厘，谬之千里，对角位移的精度要求永无止境。受运动副摩擦的影响，旋转平台的精度受限。旋转平台中运动副之间表面粗糙度的不确定变化会导致摩擦阻力的幅值不确定变化。而在旋转平台的启动、停止和微旋转过程中，旋转平台的速度相对较低，上述摩擦阻力的幅值波动容易导致旋转平台出现“爬行”现象。在闭环控制系统作用下，驱动器将会通过增大驱动力的方式来克服摩擦阻力，补偿旋转平台定位误差。在上述补偿过程中，旋转平台将经历频繁的“静止→运动”状态切换。在“静止→运动”过程中，运动副之间的摩擦阻力会经历“静摩擦力→动摩擦力”的状态切换，而静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异会导致上述状态切换瞬间的加速度突变，造成旋转平台在最终定位位置附近的“抖动”，影响定位精度。

如何降低在启动、停止和微旋转过程中由于摩擦状态切换造成的定位误差影响是影响旋转平台执行精度的重要问题。针对上述问题，目前存在如下解决方案：

1.建立精确的摩擦力模型，用于旋转控制驱动力补偿。

2.采用无摩擦或低摩擦的运动副设计，例如采用气浮轴承、磁悬浮轴承或柔性铰链等结构设计。

由于运动副之间的接触面微观特性差异与制造误差等因素，很难建立高度精确的摩擦力模型，导致旋转控制系统中需要采用复杂的补偿控制方法。

气浮轴承或磁悬浮轴承等低摩擦运动副的实施成本较高，限制了其使用范围。柔性铰链作为一种无摩擦运动副，依靠弹性变形来实现连续高精度的旋转。弹性变形范围有限，变形过大导致了系统的非线性和疲劳寿命问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种刚柔耦合旋转平台及其控制方法，将旋转柔性铰链与有摩擦轴承运动副配合使用，通过对旋转副摩擦死区进行补偿来实现高精度的旋转。本发明采用的具体技术方案如下。

第一方面，本发明提供一种刚柔耦合旋转平台，所述刚柔耦合旋转平台包括：机座、刚性轴承、轴承套筒、核心旋转平台、旋转驱动器和复合式旋转柔性铰链环、编码器；所述轴承套筒固定在所述机座上；所述刚性轴承与所述核心旋转平台之间通过所述复合式旋转柔性铰链环运动副连接；所述刚性轴承通过所述轴承套筒与所述机座连接；所述旋转驱动器用于驱动所述核心旋转平台旋转；当所述旋转驱动器对所述核心旋转平台施加使其旋转的驱动力时，所述驱动力使所述复合式旋转柔性铰链环发生弹性变形；所述编码器包括：第一组编码器和第二组编码器；所述第一组编码器用于实时测量所述核心旋转平台在任意情况下的旋转角度；所述第二组编码器用于测量刚性轴承在任意情况下的旋转角度。

进一步，所述刚柔耦合旋转平台还包括：码盘固定件；所述第一组编码器包括：第一编码器码盘和第一编码器读头；所述第一编码器码盘固定在码盘固定件上，所述码盘固定件与所述核心旋转平台固定在一起；所述第一编码器读头与所述机座固定在一起。

进一步，所述刚柔耦合旋转平台还包括：码盘连接件；所述第二组编码器包括：第二环形编码盘和第二长方体形读头；所述第二环形编码盘通过所述码盘连接件与所述刚性轴承相连接，所述第二长方体形读头与所述轴承套筒相连接。

进一步，所述复合式旋转柔性铰链环包括：铝合金主体环和弹簧钢薄片；所述铝合金主体环包括第一圆环盘、第二圆环盘和若干块连接片，第一、第二圆环盘之间通过若干块连接片连接；所述铝合金主体环为一体式加工制造；至少一块连接片中布置有切割槽口，所述弹簧钢薄片被固定于在所述切割槽口中。

进一步，所述弹簧钢薄片通过螺栓及螺母的配合被固定在所述铝合金主体环中。

进一步，所述复合式旋转柔性铰链环为对称布置。

进一步，所述刚柔耦合旋转平台还包括：轴承外圈卡位件；所述轴承外圈卡位件固定在轴承套筒上；所述轴承外圈依靠所述轴承套筒与所述轴承外圈卡位件被夹紧固定；所述轴承内圈突出端面与所述复合式旋转柔性铰链环胶接为一体。

进一步，所述刚柔耦合旋转平台还包括：外圆套；所述旋转驱动器包括：电机转子和电机定子；其中，所述电机定子与所述外圆套固定在一起，所述外圆套与固定在所述机座上；所述电机转子与所述核心旋转平台连接，所述电机转子能够在电磁力作用下对所述核心旋转平台施加驱动力。

进一步，所述刚柔耦合旋转平台还包括：底盖；所述底盖通过螺栓连接与所述机座固定在一起，以覆盖所述第一组编码器。

第二方面，本发明提供一种用于前述的刚柔耦合旋转平台的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1.双编码盘反馈，一个读取柔性铰链变形前的位移，另一个读取柔性铰链变形后的位移；

S2.以柔性铰链变形后的位移反馈为主反馈，建立闭环控制系统；

S3.以柔性铰链变形前后的差值及其差分作为柔性铰链变形量和变形速度，分别乘于柔性铰链刚度和阻尼，获得柔性铰链弹性扰动力；

S4.其余扰动力由自抗扰控制算法得扩张状态观测器进行估计；

S5.将上述扰动力叠加，并变换为等效控制量，叠加到修改闭环控制系统控制量中，对电机进行控制。

与现有技术相比，有益效果是：

1、利用复合式柔性铰链环的弹性变形来克服摩擦死区，无须利用高度精确的摩擦力模型；

2、利用复合式柔性铰链环的弹性变形来对旋转进行补偿；

3、复合式柔性铰链环的结构设计简单，兼顾了装配误差和疲劳寿命，使用成本较低；

4、利用双编码器的旋转平台设计，将无法测量的摩擦力转化为可测的复合式柔性铰链环的弹性变形量，得到的数据反馈可实现更精准的控制补偿。

附图说明

图1是本发明的刚柔耦合旋转平台整体示意图。

图2是本发明的刚柔耦合旋转平台局部剖示意图。

图3是本发明的刚柔耦合旋转平台前剖视图。

图4是复合式旋转柔性铰链环整体示意图。

图5是复合式旋转柔性铰链环的局部放大示意图。

图6是第二组编码器的组合使用示意图。

图7是本发明的刚柔耦合旋转平台的控制方法流程图。

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。

如图1、图2和图3所示，本发明所提出的刚柔耦合高精度旋转平台包括：机座(3)、核心旋转平台(1)、外圆套(2)、旋转驱动器、复合式旋转柔性铰链环(5)、刚性轴承、轴承套筒(8)、轴承外圈卡位件(7)、两组编码器、码盘固定件(10)、码盘连接件(13)和底盖(12)。刚性轴承轴承优选选用两个，但本领域技术人员也可以根据实际情况调整数量，由于复合式旋转柔性铰链环(5)要与刚性轴承配合使用，所以也优选为两组。

其中，刚性轴承由轴承内圈(601)和轴承外圈(602)组成，旋转驱动器由电机转子(402)和电机定子(401)组成。两组编码器分别是第一组编码器和第二组编码器。第一组编码器由编码器环形码盘(902)和编码器环形读头(901)组成，第二组编码器由环形编码盘(702)和长方体形读头(701)组成。刚性轴承与核心旋转平台(1)之间通过复合式旋转柔性铰链环(5)运动副连接，刚性轴承通过轴承套筒(8)间与机座(3)连接。优选地，核心旋转平台(1)中可以设置一个小凹槽用于容纳复合式旋转柔性铰链环(5)的一小部分。特别地，轴承外圈卡位件(7)固定在轴承套筒(8)上，轴承套筒(8)上有凸台，轴承外圈(602)依靠轴承套筒(8)的凸台侧壁与轴承外圈卡位件(7)被夹紧固定，轴承内圈(601)突出端面与复合式旋转柔性铰链环(5)胶接为一体。优选的，轴承外圈卡位件(7)通过螺栓被固定在轴承套筒(8)上，可以通过调节该螺栓的松紧来调节轴承外圈(602)的固紧程度。

如图2、3中所示，电机转子(402)和电机定子(401)组成旋转驱动器。其中，电机定子(401)与外圆套(2)固定在一起，而外圆套(2)与机座(3)通过螺栓连接固定不动；电机转子(402)与核心旋转平台(1)连接，所述电机转子(402)可以在电磁力作用下对核心旋转平台(1)施加驱动力。

本发明的刚柔耦合旋转平台的关键技术在于其应用的复合式旋转柔性铰链环(5)，如图4所示，复合式旋转柔性铰链环包括(5)包括：铝合金主体环(501)、弹簧钢薄片(502)、螺栓(503)及螺母(504)。其中，铝合金主体环(501)为侧面镂空结构，其包括第一圆环盘和第二圆环盘，第一、第二圆环盘之间通过若干块连接片连接，该铝合金主体环(501)为一体式加工制造。为了提高刚度，其中至少一块连接片中布置有切割槽口，切割槽口中放置有弹簧钢薄片(502)，弹簧钢薄片(502)通过螺栓(503)及螺母(504)固定于连接片上，从而固定在铝合金主体环(501)中。切割槽口可以如图4所示布置两个，每个切割槽口之间相差了半个圆，但本领域技术人员也可以根据实际情况，设置其他的布置形式和数量。优选地，铝合金主体环(501)中的其中一个圆环盘设置有阶梯型的结构，方便其与轴承内圈(601)固定连接。

本发明的复合式旋转柔性铰链环(5)具有以下优点：

a.所述复合式旋转柔性铰链环为对称布置。

b.所述复合式旋转柔性铰链环的铝合金主体环(501)为一体式加工制造，使所述的复合式旋转柔性铰链环不存在装配误差。

c.所述复合式旋转柔性铰链环的铝合金主体环(501)还增加了弹簧钢薄片(502)来支撑刚度加强结构，使所述的复合式旋转柔性铰链环的疲劳寿命得以延长和保证。

可以理解的是，一体式加工制造的铝合金主体环是复合式旋转柔性铰链环的一个优选的示例，本领域技术人员也可以采用其他的柔性铰链来连接第一和第二圆环盘。

必须指出的是，本发明的复合式旋转柔性铰链环设置的目的是为了产生形变以缓冲传动，所以对于其理解不应该仅仅局限于本发明实施例所展示的方式，对于复合式旋转柔性铰链环，应理解为：当所述旋转驱动器对所述核心旋转平台施加使其旋转的驱动力时，所述驱动力可以使所述复合式旋转柔性铰链环发生弹性变形。

工作时，电机转子(402)在电磁力作用下对核心旋转平台(1)施加使其旋转的驱动力。所述驱动力可以使复合式旋转柔性铰链环(5)发生弹性变形，并进而使核心旋转平台(1)产生沿空心轴的旋转。所述复合式旋转柔性铰链环(5)的弹性变形反作用力可以用于克服所述核心旋转平台(1)所连接的运动副间的摩擦力，当复合式旋转柔性铰链环(5)的弹性变形发作用力大于所述核心旋转台(1)所连接的运动副之间的静摩擦力等阻力时，所述核心旋转平台(1)将由静止状态转为运动状态。

所述核心旋转平台(1)的旋转可以分为两种情况：a、当复合式旋转柔性铰链环(5)的弹性变形力小于所述运动副的静摩擦力等阻力时，所述核心旋转平台(1)的旋转量为所述复合式旋转柔性铰链环(5)运动副的弹性变形量；b、当复合式旋转柔性铰链环(5)的弹性变形力大于所述运动副的静摩擦力等阻力时，所述核心旋转平台(1)的旋转量为所述复合式旋转柔性铰链环(5)运动副的弹性变形量与所述轴承的旋转量的叠加。当所述核心旋转平台(1)所连接的运动副的运动状态在上述情况a与b之间切换时，所述核心旋转平台(1)所连接的运动副静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异导致阻力突变，产生对旋转平台的刚性冲击，并导致运动副的摩擦“爬行”。所述复合式旋转柔性铰链环(5)可以依靠自身的弹性变形主动适应上述由运动副摩擦状态切换导致的摩擦阻力突变，缓解摩擦阻力突变对所述核心旋转平台(1)的刚性冲击。在上述任意情况下，所述核心旋转平台(1)都可以依靠复合式旋转柔性铰链环(5)的弹性变形来实现连续旋转变化，规避摩擦“爬行”情况对旋转定位精度的影响。

第一编码器码盘(902)和第一编码器读头(901)组成第一组编码器。第一编码器码盘(902)固定在码盘固定件(10)上，而码盘固定件(10)通过螺栓连接与核心旋转平台(1)固定在一起，因此，第一编码器码盘(902)跟随着核心旋转平台(1)同步旋转；同时所述的第一编码器读头(901)通过螺栓连接与机座(3)固定在一起。因此，第一编码器可以实时测量核心旋转平台(1)在任意情况下的旋转角度。底盖(11)通过螺栓连接与机座(301)固定在一起，覆盖第一组编码器，以起到保护的作用。与此同时，如图5所示，所述的环形编码盘(702)和长方体形读头(701)组成第二组编码器。其中，第二环形编码盘(702)通过码盘连接件(13)与底端刚性轴承相连接，第二长方体形读头(701)与轴承套筒(8)相连接，因此，这组编码器可以测量刚性轴承在任意情况下的旋转角度。通过这两组编码器的测量数据，可以间接测出由于复合式柔性铰链环(5)的弹性变形量，将无法测量的摩擦力转化为可测的复合式柔性铰链环(5)的弹性变形量。所述两组编码器的旋转角度测量的旋转角度数据可以作为反馈环节与旋转驱动器等形成闭环控制系统，实现所述核心旋转平台(1)的高精度旋转定位。

总结可知，上述刚柔耦合旋转平台的实现方法主要包括下述步骤：

(1)旋转驱动器直接驱动核心旋转平台，在驱动力未能克服刚性平台静摩擦时，核心旋转平台通过复合式柔性铰链环的弹性变形产生微小旋转，实现精密微旋转。

(2)当驱动力加大时，克服了摩擦力，带动刚性轴承运动，而此时弹性变形增大到一定程度，进入限位状态，所有的驱动力传递到刚性轴承进行高速运动。

(3)当停止时，核心旋转平台先制动，通过复合式柔性铰链环带动刚性轴承制动，衰减振动能量。

综上所述，本发明所述的刚柔耦合运动平台的优点有：

1.采用无摩擦复合式柔性铰链环运动副来实现高精度连续变化旋转，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变导致的旋转“抖动”。

2.采用了刚柔耦合的旋转平台设计，所使用的复合式柔性铰链环可以依靠自身弹性变形主动适应运动副的摩擦力变化，避免了运动副摩擦状态切换导致的“爬行”对连续旋转定位的影响，有利于实现更高的定位精度。

3.利用双编码器的旋转平台设计，将无法测量的摩擦力转化为可测的复合式柔性铰链环的弹性变形量，得到的数据反馈可实现更精准的控制补偿。

4.运动平台采用了单驱动闭环控制系统，所采用的驱动器和编码器都连接在所述核心旋转平台上，控制系统设计简单，可靠性更高。

与此同时，针对上述刚柔耦合旋转平台，本发明还提出了相应的控制方法，该控制方法如图7所示，包括以下步骤：

S1.双编码盘反馈，一个读取柔性铰链变形前的位移，另一个读取柔性铰链变形后的位移；

S2.以柔性铰链变形后的位移反馈为主反馈，建立闭环控制系统；

S3.以柔性铰链变形前后的差值及其差分作为柔性铰链变形量和变形速度，分别乘于柔性铰链刚度和阻尼，获得柔性铰链弹性扰动力；

S4.其余扰动力由自抗扰控制算法得扩张状态观测器进行估计；

S5.将上述扰动力叠加，并变换为等效控制量，叠加到修改闭环控制系统控制量中，对电机进行控制。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (10)

1.一种刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述刚柔耦合旋转平台包括：机座、刚性轴承、轴承套筒、核心旋转平台、旋转驱动器和复合式旋转柔性铰链环、编码器；

所述轴承套筒固定在所述机座上；

所述刚性轴承与所述核心旋转平台之间通过所述复合式旋转柔性铰链环运动副连接；

所述刚性轴承通过所述轴承套筒与所述机座连接；

所述旋转驱动器用于驱动所述核心旋转平台旋转；

当所述旋转驱动器对所述核心旋转平台施加使其旋转的驱动力时，所述驱动力使所述复合式旋转柔性铰链环发生弹性变形；

所述编码器包括：第一组编码器和第二组编码器；

所述第一组编码器用于实时测量所述核心旋转平台在任意情况下的旋转角度；

所述第二组编码器用于测量刚性轴承在任意情况下的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述刚柔耦合旋转平台还包括：码盘固定件；

所述第一组编码器包括：第一编码器码盘和第一编码器读头；

所述第一编码器码盘固定在码盘固定件上，所述码盘固定件与所述核心旋转平台固定在一起；

所述第一编码器读头与所述机座固定在一起。

3.根据权利要求2所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述刚柔耦合旋转平台还包括：码盘连接件；

所述第二组编码器包括：第二环形编码盘和第二长方体形读头；

所述第二环形编码盘通过所述码盘连接件与所述刚性轴承相连接，所述第二长方体形读头与所述轴承套筒相连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述复合式旋转柔性铰链环包括：铝合金主体环和弹簧钢薄片；

所述铝合金主体环包括第一圆环盘、第二圆环盘和若干块连接片，第一、第二圆环盘之间通过若干块连接片连接；

所述铝合金主体环为一体式加工制造；

至少一块连接片中布置有切割槽口，所述弹簧钢薄片被固定于在所述切割槽口中。

5.根据权利要求4所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述弹簧钢薄片通过螺栓及螺母的配合被固定在所述铝合金主体环中。

6.根据权利要求4所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述复合式旋转柔性铰链环为对称布置。

7.根据权利要求4所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述刚柔耦合旋转平台还包括：轴承外圈卡位件；

所述轴承外圈卡位件固定在轴承套筒上；

所述轴承外圈依靠所述轴承套筒与所述轴承外圈卡位件被夹紧固定；

所述轴承内圈突出端面与所述复合式旋转柔性铰链环胶接为一体。

8.根据权利要求4所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述刚柔耦合旋转平台还包括：外圆套；

所述旋转驱动器包括：电机转子和电机定子；

其中，所述电机定子与所述外圆套固定在一起，所述外圆套与固定在所述机座上；

所述电机转子与所述核心旋转平台连接，所述电机转子能够在电磁力作用下对所述核心旋转平台施加驱动力。

9.根据权利要求4所述的刚柔耦合旋转平台，其特征在于，所述刚柔耦合旋转平台还包括：底盖；所述底盖通过螺栓连接与所述机座固定在一起，以覆盖所述第一组编码器。

10.一种用于权利要求1-9任一项所述的刚柔耦合旋转平台的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.双编码盘反馈，一个读取柔性铰链变形前的位移，另一个读取柔性铰链变形后的位移；

S2.以柔性铰链变形后的位移反馈为主反馈，建立闭环控制系统；

S3.以柔性铰链变形前后的差值及其差分作为柔性铰链变形量和变形速度，分别乘于柔性铰链刚度和阻尼，获得柔性铰链弹性扰动力；

S4.其余扰动力由自抗扰控制算法得扩张状态观测器进行估计；

S5.将上述扰动力叠加，并变换为等效控制量，叠加到修改闭环控制系统控制量中，对电机进行控制。

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