CN111324152B - 一种刚柔耦合高精度旋转平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的刚柔耦合高精度旋转平台及其控制方法，包括机座、刚性轴承、轴承套筒、核心旋转平台、旋转驱动器和编码器；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可旋转传动连接；刚性轴承通过轴承套筒与所述机座连接；核心旋转平台的上表面设有若干组柔性铰链；当旋转驱动器对核心旋转平台施加使其旋转的驱动力时，驱动力使柔性铰链环发生弹性变形。本发明采用柔性铰链且将柔性铰链设置于核心旋转平台的上表面上，无需拆卸下整个旋转平台即可对相应组的柔性铰链进行更换，不会破坏其它组的柔性铰链的装配关系,并且可以通过夹具改变柔性铰链有效变形长度来改柔性铰链刚度，实现刚度的调节。

Description

一种刚柔耦合高精度旋转平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种旋转平台，尤其是指一种刚柔耦合高精度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。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外摩擦运动副，依靠弹性变形来实现连续高精度的旋转。柔性铰链往往与有摩擦运动副配合使用，通过对旋转进行补偿来实现高精度的旋转。

专利号为CN 201911009965.6 公开了一种刚柔耦合旋转平台及其控制方法。所提出的刚柔耦合旋转平台依靠内部的复合式柔性铰链环的弹性变形对旋转进行补偿，同时借助两组编码器进行双反馈控制，从而降低在启动、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，相比传统旋转平台，有效地提高了旋转平台的定位精度，但是，该技术方案存在以下缺点：（1）复合式柔性铰链环结构较复杂，主体环至少要求五轴机床加工，加工成本高；（2）由于复合式柔性铰链环被设置在旋转平台的内部，当需要更换柔性铰链时，需要将整个旋转平台拆卸下来才能对复合式柔性铰链环进行更换，更换麻烦，耗时多；（3）当需要调节复合式柔性铰链环的不同刚度时，需要准备很多组不同厚度的柔性铰链片；（4）采用的零件多，众多零件的加工和装配精度要求高，导致加工成本高和装配难度大，极大地影响了生产的效率。

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，提供刚柔耦合高精度旋转平台及其控制方法。本旋转平台的柔性铰链采用外置组合式结构，巧妙地将柔性铰链与核心旋转台设计为一体，在装配时无需对柔性铰链再进行装配，减少了其装配零件的数量并降低了其装配难度系数。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种刚柔耦合高精度旋转平台，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可旋转传动连接；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；所述核心旋转平台的上表面开有凹槽，所述凹槽内设有若干组柔性铰链；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实时测量刚性轴承在任意情况下的旋转角度。

所述核心旋转平台通过一体式加工制造方式加工出柔性铰链。

所述第一组编码器包括固定安装于核心旋转平台上的第一编码器环形码盘，以及固定安装于机座上且与第一编码器环形码盘位置相对应的第一编码器环形读头。

所述第二组编码器包括固定安装于核心旋转平台的外圆周上的环形编码盘，以及固定安装于机座上且与环形编码盘位置相对应的读头。

柔性铰链为对称布置。

所述机座上设有套设于核心旋转平台外圈的外圆套，读头固定安装于外圆套上；所述旋转驱动器包括电机转子和电机定子；所述电机定子与所述外圆套固定在一起；所述电机转子与所述核心旋转平台连接，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。

所述刚性轴承的轴承内圈与核心旋转平台过盈配合连接，刚性轴承的轴承内圈与核心旋转平台过盈配合连接，刚性轴承的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。

所述机座上设有用于盖合所述第一组编码器的底盖。

第一编码器环形码盘通过码盘连接件固定连接于核心旋转平台的底端；读头通过码盘固定件固定安装于外圆套上。

一种刚柔耦合旋转平台的控制方法，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。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明采用柔性铰链且将柔性铰链设置于核心旋转平台的上表面上，即采用将柔性铰链外置的结构，解决了现有采用复合式柔性铰链环存在结构较复杂，主体环至少要求五轴机床加工，加工成本高的问题，并且本发明无需拆卸下整个旋转平台即可对相应组的柔性铰链进行更换，不会破坏其它组的柔性铰链的装配关系，并且可以通过夹具改变柔性铰链有效变形长度来改柔性铰链刚度，实现刚度的调节，解决了现有由于复合式柔性铰链环被设置在旋转平台的内部，当需要更换柔性铰链时，需要将整个旋转平台拆卸下来才能对复合式柔性铰链环进行更换，更换麻烦，耗时多的问题。

2、本发明的核心旋转平台还可以通过一体式加工制造方式加工出柔性铰链，即可以将柔性铰链与核心旋转台设计为一体组合结构，在装配时无需对柔性铰链再进行装配，减少了其装配零件的数量并降低了其装配难度系数，解决了现有当需要调节复合式柔性铰链环的不同刚度时，需要准备很多组不同厚度的柔性铰链片，以及现有采用的零件多，众多零件的加工和装配精度要求高，导致加工成本高和装配难度大，极大地影响了生产的效率的问题。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明刚柔耦合高精度旋转平台的结构示意图。

图2是本发明刚柔耦合高精度旋转平台沿中心轴线方向的剖视图。

图3是本发明刚柔耦合高精度旋转平台的核心旋转平台的环形编码盘的结构示意图。

图4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

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。

实施例

参照图1至图3，本实施例涉及刚柔耦合高精度旋转平台，包括机座1、刚性轴承2、轴承套筒3、核心旋转平台4、旋转驱动器5和编码器；所述轴承套筒3固定在所述机座1上；所述刚性轴承2与所述核心旋转平台4之间可旋转传动连接；所述刚性轴承2通过所述轴承套筒3与所述机座1连接；所述旋转驱动器5用于驱动所述核心旋转平台4旋转；所述核心旋转平台4的上表面开有凹槽41，所述凹槽41内设有若干组柔性铰链10；当所述旋转驱动器5对所述核心旋转平台4施加使其旋转的驱动力时，所述驱动力使柔性铰链10环发生弹性变形；柔性铰链10为对称布置。

本发明采用柔性铰链10且将柔性铰链10设置于核心旋转平台4的上表面上，即采用将柔性铰链10外置的结构，解决了现有采用复合式柔性铰链环存在结构较复杂，主体环至少要求五轴机床加工，加工成本高的问题，并且本发明无需拆卸下整个旋转平台即可对相应组的柔性铰链10进行更换，不会破坏其它组的柔性铰链10的装配关系，并且可以通过夹具改变柔性铰链有效变形长度来改柔性铰链刚度，实现刚度的调节，解决了现有由于复合式柔性铰链环被设置在旋转平台的内部，当需要更换柔性铰链10时，需要将整个旋转平台拆卸下来才能对复合式柔性铰链环进行更换，更换麻烦，耗时多的问题。

另外，本发明的核心旋转平台4还可以通过一体式加工制造方式加工出柔性铰链10，即可以将柔性铰链10与核心旋转台设计为一体组合结构，在装配时无需对柔性铰链10再进行装配，减少了其装配零件的数量并降低了其装配难度系数，解决了现有当需要调节复合式柔性铰链环的不同刚度时，需要准备很多组不同厚度的柔性铰链10片，以及现有采用的零件多，众多零件的加工和装配精度要求高，导致加工成本高和装配难度大，极大地影响了生产的效率的问题。

在工作时，旋转驱动器5可以在电磁力作用下对核心旋转平台4施加驱动力。驱动力可以使核心旋转平台4上表面上的柔性铰链10发生弹性变形，进而使核心旋转平台4产生沿空心轴的旋转。核心旋转平台4上的柔性铰链10的弹性变形反作用力可以用于克服所述核心旋转平台4所连接的运动副间的摩擦力，当核心旋转平台4上的柔性铰链10的弹性变形反作用力大于核心旋转台所连接的运动副之间的静摩擦力等阻力时，核心旋转平台4将由静止状态转为运动状态。

核心旋转平台4的旋转可以分为两种情况：a.当核心旋转平台4中柔性铰链10的弹性变形力小于运动副的静摩擦力等阻力时，核心旋转平台4的旋转量为柔性铰链10的弹性变形量；b. 当核心旋转平台4上的柔性铰链10的弹性变形力大于运动副的静摩擦力等阻力时，核心旋转平台4的旋转量为柔性铰链10的弹性变形量与轴承的旋转量的叠加。当所述核心旋转平台4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，核心旋转平台4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”。核心旋转平台4可以依靠自身的柔性铰链10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核心旋转平台4的刚性冲击。在上述任意情况下，核心旋转平台4都可以依靠自身的柔性铰链10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。

所述编码器包括第一组编码器61和第二组编码器62；所述第二组编码器62用于实时测量刚性轴承2在任意情况下的旋转角度；所述第一组编码器61用于实时测量所述核心旋转平台4在任意情况下的旋转角度。通过这两组编码器的测量数据，可以间接测出由于柔性铰链10片的弹性变形量，将无法测量的摩擦力转化为可测的柔性铰链10片的弹性变形量。两组编码器的旋转角测量的核心旋转平台4的旋转角度数据可以作为反馈环节与旋转驱动器5等形成闭环控制系统，实现核心旋转平台4的高精度旋转定位。

所述第一组编码器61包括固定安装于核心旋转平台4上的第一编码器环形码盘611，以及固定安装于机座1上且与第一编码器环形码盘611位置相对应的第一编码器环形读头612。

所述第二组编码器62包括固定安装于核心旋转平台4的外圆周上的环形编码盘621，以及固定安装于机座1上且与环形编码盘621位置相对应的读头622。

所述第一编码器环形码盘611通过码盘连接件613固定连接于核心旋转平台4的底端；所述读头622通过码盘固定件623固定安装于外圆套7上。

第一编码器环形码盘611和第一编码器环形读头612组成第一组编码器61。第一编码器环形码盘611固定在码盘连接件613上，而码盘连接件613通过螺栓连接与核心旋转平台4固定在一起，因此，第一编码器环形码盘611跟随着核心旋转平台4同步旋转；同时所述的第一编码器环形读头612通过螺栓连接与机座1固定在一起。因此，第一组编码器61可以实时测量刚性轴承2在任意情况下的旋转角度。与此同时，如图1和图2所示，所述的环形编码盘621和读头622组成第二组编码器62。其中，环形编码盘621通过码盘固定件623安装到核心旋转平台4的外圆周上；读头622安装到机座1上，因此，这组编码器可以核心旋转平台4在任意情况下的旋转角度。通过这两组编码器的测量数据，可以间接测出柔性铰链10的弹性变形量，将无法测量的摩擦力转化为可测的柔性铰链10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5等形成闭环控制系统，实现所述核心旋转平台4的高精度旋转定位。

所述机座1上设有套设于核心旋转平台4外圈的外圆套7，读头622固定安装于外圆套7上；所述旋转驱动器5包括电机转子51和电机定子52；所述电机定子52与所述外圆套7固定在一起；所述电机转子51与所述核心旋转平台4连接，电机转子51能够在电磁力作用下对所述核心旋转平台4施加驱动力。其中，电机定子52与外圆套7固定在一起，而外圆套7与机座1通过螺栓连接固定不动；电机转子51与核心旋转平台4连接，所述电机转子51可以在电磁力作用下对核心旋转平台4施加驱动力。

所述刚性轴承2的轴承内圈21与核心旋转平台4过盈配合连接，且刚性轴承2的轴承内圈21通过轴套筒23与机座1连接。刚性轴承2的轴承内圈21与核心旋转平台4过盈配合连接，使核心旋转平台4能沿空心轴进行旋转。刚性轴承2的轴承外圈22依靠所述轴承套筒3与所述轴承外圈卡位件8被夹紧固定。

所述机座1上设有用于盖合所述第一组编码器61的底盖9。底盖9通过螺栓连接与机座1固定在一起，覆盖第一组编码器61，以起到保护的作用。

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5直接驱动核心旋转平台4，在驱动力未能克服刚性平台静摩擦时，核心旋转平台4通过柔性铰链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2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2进行高速运动。

（3）当停止时，核心旋转平台4先制动，通过柔性铰链带动刚性轴承2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.采用无摩擦柔性铰链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4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4所示，包括以下步骤：

S1.双编码盘反馈，一个读取柔性铰链10变形前的位移，另一个读取柔性铰链10变形后的位移；

S2.以柔性铰链10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10变形前后的差值及其差分作为柔性铰链10变形量和变形速度，分别乘于柔性铰链10刚度和阻尼，获得柔性铰链10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。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种刚柔耦合旋转平台的控制方法，其特征在于，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；

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可旋转传动连接；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；所述核心旋转平台的上表面设有若干组柔性铰链；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实时测量刚性轴承在任意情况下的旋转角度；

所述核心旋转平台通过一体式加工制造方式加工出柔性铰链；

所述第一组编码器包括固定安装于核心旋转平台上的第一编码器环形码盘，以及固定安装于机座上且与第一编码器环形码盘位置相对应的第一编码器环形读头；

所述第二组编码器包括固定安装于核心旋转平台的外圆周上的环形编码盘，以及固定安装于机座上且与环形编码盘位置相对应的读头；

柔性铰链为对称布置；

所述机座上设有套设于核心旋转平台外圈的外圆套，读头固定安装于外圆套上；所述旋转驱动器包括电机转子和电机定子；所述电机定子与所述外圆套固定在一起；所述电机转子与所述核心旋转平台连接，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；

所述刚性轴承的轴承内圈与核心旋转平台过盈配合连接，刚性轴承的轴承内圈与核心旋转平台过盈配合连接，刚性轴承的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；

所述机座上设有用于盖合所述第一组编码器的底盖；

第一编码器环形码盘通过码盘连接件固定连接于核心旋转平台的底端；读头通过码盘固定件固定安装于外圆套上。