CN112077637A

CN112077637A - 一种用于龙门双驱机构的运动控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN112077637A
Application number: CN202010962453.8A
Authority: CN
Inventors: 李尚勇; 徐胜昌; 宣海; 陶程; 张宝宝
Original assignee: Haikeshong Manufacturing Intelligent Technology Qingdao Co ltd
Current assignee: Haikeshong Manufacturing Intelligent Technology Qingdao Co ltd
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2020-12-15

Abstract

本发明公开了一种用于龙门双驱机构的运动控制系统及其控制方法，其中运动控制系统包括：龙门轴，其包括平行设置的主动轴和从动轴；X向运动轴；Z向运动轴；控制单元，用于控制所述龙门轴组、X向运动轴和z向运动轴沿对应轴运动；其中，所述主动轴和从动轴上均依次设有正限位开关、零位开关和负限位开关。通过本发明运动控制系统和基于PID控制算法的运动控制器组成的运动控制方法，在保证运动平稳和定位精度的同时解决了在伺服去使能后因振动或应力变形等原因产生的机械漂移误差，保证设备回零动作完成后机械坐标系的一致性，大大降低了机构设计难度，节省成本。

Description

一种用于龙门双驱机构的运动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及龙门机构技术领域，具体涉及一种用于龙门双驱机构的运动控制系统及其控制方法。

背景技术

龙门机构是一种在自动化领域和机床行业广泛采用的结构形式，按照驱动形式分为单轴驱动和双轴驱动。其中，在大行程的精密制造行业主要采用龙门双驱机构。龙门双驱机构相比单驱机构具有动态响应好，输出扭矩大，机构刚性高等优势，可以满足更大的跨距和更高的负载要求。目前，常见的龙门双驱机构采用伺服电机+丝杠+直线导轨的驱动形式。

现有专利CN101804574A公开了机床Z坐标轴的双丝杠重心驱动及龙门轴控制结构，其中龙门轴组组控制采用双电机，双丝杠，双光栅尺结构，对轴Z1和轴Z2运动的实际值进行连续数据采集，控制器实时以龙门轴组的理论值监控移动部件拖板在轴Z1与轴Z2上的动态位置，检查并纠正Z坐标轴的实际位置偏差。但该专利只在机床运行中进行误差的调节，并没有考虑伺服去使能后造成的误差等；且调整误差的方法仅是通过检测实时位置并比较其与标准位置的偏差是否在阈值范围内，这种方法的误差率较高。

综上，急需设计一种用于龙门双驱机构的运动控制系统及其控制方法能够消除伺服去使能后因振动、应力释放等产生的机械漂移误差。

发明内容

为解决上述现有技术中问题，本发明针对龙门双驱机构运动控制提出了一种运动控制系统及其控制方法，在保证运动平稳和运动控制精度的同时，能够消除断电后因振动、应力释放等原因产生的机械漂移误差。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于龙门双驱机构的运动控制系统，包括：

龙门轴，其固定于操作台上，该龙门轴包括平行设置的主动轴和从动轴；

X向运动轴，其通过滑块沿所述主动轴和从动轴运动；

Z向运动轴，其与所述X向运动轴连接；

控制单元，用于控制所述龙门轴组、X向运动轴和Z向运动轴沿对应轴运动；

其中，所述主动轴和从动轴上均依次设有正限位开关、零位开关和负限位开关。

在本发明的一些实施例中，所述主动轴和从动轴沿其轴向分别设有第一光栅尺和第二光栅尺；所述主动轴和从动轴上分别设有第一滑块和第二滑块，所述第一滑块上固定有第一读数头，所述第二滑块上固定有第二读数头，其中所述第一读数头用于读取所述第一光栅尺，所述第二读数头用于读取所述第二光栅尺。

在本发明的一些实施例中，所述主动轴上设有第一正限位开关、第一零位开关和第一负限位开关；所述从动轴上设有第二正限位开关、第二零位开关和第二负限位开关；其中所述第一零位开关与所述第二零位开关沿所述龙门轴的轴向间距为L。

一种用于龙门双驱机构的运动控制方法，包括以下步骤：

S1、所述控制单元控制所述主动轴与所述从动轴位置归零；

S2、计算所述主动轴与所述从动轴的机械漂移误差ΔL；

S3、根据步骤S2中的机械漂移误差ΔL，所述控制单元控制所述第一滑块和所述第二滑块分别沿所述主动轴和所述从动轴相对运动ΔL/2，实现所述龙门轴的摆正。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S1包括以下步骤：

S11、所述控制单元启动所述龙门轴；所述第一滑块沿所述主动轴的正轴向运动搜索第一正限位开关；

S12、所述第一正限位开关被触发后，所述控制单元控制所述第一滑块沿所述主动轴的负轴向运动搜索第一零位开关；

S13、所述第一读数头触发所述第一零位开关后，所述控制单元同时将所述主动轴和所述从动轴的位置归零。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、所述控制单元控制所述第二滑块沿所述从动轴搜索所述第二零位开关，所述第二读数头触发所述第二零位开关后采集所述第二滑块的移动距离L₁；

S22、所述控制单元根据公式ΔL= L-L₁，计算机械漂移误差ΔL。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤S12中，所述第一滑块上设有第一挡片，所述第一挡片用于识别所述第一正限位开关。

在本发明的一些实施例中，所述控制单元用于存储所述机械漂移误差ΔL的阈值T。

在本发明的一些实施例中，所述控制单元用于判断所述机械漂移误差ΔL与阈值T 的大小，当

时，所述控制单元控制所述龙门轴进行自动调整；当

时，表明所述主动轴和从动轴机械漂移误差超限，所述龙门机构变形严重，为保证设备使用安全，所述控制单元禁止所述龙门轴进行自动调整，并进行人工干预，即需人工对龙门机构进行检查、调整。

在本发明的一些实施例中，当所述控制单元控制所述第一滑块沿所述主动轴运动时，所述第二滑块根据PID控制算法跟随所述第一滑块的运动方向沿所述从动轴运动。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

通过本发明运动控制系统和基于PID控制算法的运动控制器组成的运动控制方法，在保证运动平稳和定位精度的同时解决了在伺服去使能后因振动或应力变形等原因产生的机械漂移误差，保证设备回零动作完成后机械坐标系的一致性，大大降低了机构设计难度，节省成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为所述用于龙门双驱机构的运动控制系统的结构示意图。

图2为所述主动轴的结构示意图一。

图3为所述主动轴的结构示意图二。

图4为所述从动轴的结构示意图。

附图标记：100-操作台；200-检测平台；300-主动轴；310-第一光栅尺；320-第一读数头；330-第一零位开关；340-第一正限位开关；350-第一负限位开关；400-从动轴；410-第二光栅尺；420-第二读数头；430-第二零位开关；440-第二正限位开关；450-第二负限位开关；500-X向运动轴；510-第一滑块；511-第一挡片；520-第二滑块；521-第二挡片；600-Z向运动轴。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1所示，一种用于龙门双驱机构的运动控制系统，包括：

龙门轴，其固定于操作台100上，该龙门轴包括平行设置的主动轴300和从动轴400；

X向运动轴500，其通过滑块沿所述主动轴300和从动轴400运动；

Z向运动轴600，其与所述X向运动轴500连接；

控制单元，用于控制所述龙门轴组、X向运动轴500和Z向运动轴600沿对应轴运动；

其中，所述主动轴300和从动轴400上均依次设有正限位开关、零位开关和负限位开关。

操作台100的中间位置设有检测平台200，用于放置待检测的产品。

在本发明的一些实施例中，参照图2-图4所示，所述主动轴300和从动轴400沿其轴向分别设有第一光栅尺310和第二光栅尺410；所述主动轴300和从动轴400上分别设有第一滑块510和第二滑块520，该第一滑块510和第二滑块520与所述X向运动轴500的两端连接。所述第一滑块510上固定有第一读数头320，所述第二滑块520上固定有第二读数头420，其中所述第一读数头320用于读取所述第一光栅尺310，所述第二读数头420用于读取所述第二光栅尺410。

在本发明的一些实施例中，继续参照图2和图3所示，所述主动轴300上设有第一正限位开关340、第一零位开关330和第一负限位开关350；其中，第一正限位开关340和第一负限位开关350位于主动轴300的两端，两者位于同一水平线上，第一零位开关330位于主动轴300的中间位置；参照图1和图4所示，所述从动轴400上设有第二正限位开关440、第二零位开关430和第二负限位开关450；这三个开关在从动轴400的设置位置与主动轴300的设置位置相同。其中所述第一零位开关330与所述第二零位开关430沿所述龙门轴的轴向间距为L，换算为脉冲数为α。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，第一滑块510上设有第一挡片511，因为第一正限位开关340和第一负限位开关350为光电传感器，只要有东西遮挡就会触发，所以第一挡片511用于触发第一正限位开关340和第一负限位开关350。第一挡片511与第一读数头320分别固定于第一滑块510的两侧。同样地，第二滑块520上设有第二挡片521，触发第二正限位开关440和第二负限位开关450。

伺服去使能后，因应力释放、振动等原因龙门机构主动轴和从动轴会出现位置偏差。上述运动控制系统既考虑到了系统刚性需求，也控制了结构重量，避免平台显得笨重，在此基础上满足运动平稳性和定位精度的要求，同时保证在任何时候启动测量时平台坐标系原点保持一致，提出如下定位控制方法：

一种用于龙门双驱机构的运动控制方法，包括以下步骤：

S1、所述控制单元控制所述主动轴与所述从动轴位置归零：

S11、所述控制单元启动所述龙门轴后进行归零动作；所述第一滑块510沿所述主动轴300的正轴向运动搜索第一正限位开关340；此时第二滑块520根据PID控制算法跟随所述第一滑块510的运动方向沿所述从动轴400的正轴向运动；采用PID控制算法是为了保证第二滑块520的跟随误差脉冲数小于固定值K；

S12、当第一挡片511触发所述第一正限位开关340后，所述控制单元控制所述第一滑块510沿所述主动轴300的负轴向运动搜索第一零位开关330；同样地，所述第二滑块520依旧跟随所述第一滑块510的运动方向沿所述从动轴400的负轴向运动；

S13、所述第一读数头320触发所述第一零位开关330后，所述控制单元同时将所述主动轴300和所述从动轴400的位置归零，也就是将第一滑块510和第二滑块520的位置归零。

S2、计算所述主动轴与所述从动轴的机械漂移误差ΔL；

S21、所述控制单元控制所述第二滑块520沿所述从动轴400搜索所述第二零位开关430，所述第二读数头420触发所述第二零位开关430后采集所述第二滑块520的移动距离L₁；在该过程中，第二滑块520根据PID控制算法跟随所述第一滑块510的运动方向沿所述从动轴400运动，确保跟随误差小于K；因为所述主动轴第一零位开关330和所述从动轴第二零位开关430的轴向间距L为相对值，并不表示两者位置的方向关系，所以此步骤中，第二滑块520可以沿从动轴400的正轴向运动也可以是沿从动轴400的负轴向搜索所述第二零位开关430，搜索方向根据两者实际方向关系通过所述控制单元设置；

S22、所述控制单元根据公式ΔL= L-L₁，计算机械漂移误差ΔL，其中ΔL对应的光栅尺脉冲数为σ。

S3、根据步骤S2中的机械漂移误差ΔL，所述控制单元控制所述第一滑块510和所述第二滑块520分别沿所述主动轴300和所述从动轴400相对运动ΔL/2，此时第一滑块510和第二滑块520位置与第一零位开关330的轴向间距均为ΔL/2，实现所述龙门轴的摆正。

在本发明的一些实施例中，所述控制单元用于存储所述机械漂移误差ΔL的阈值 T，T为常数。所述控制单元用于判断所述机械漂移误差ΔL与阈值T的大小，当

时，所述控制单元控制所述龙门轴进行自动调整；当

时，表明所述主动轴和从动轴误差过大，所述龙门机构变形严重，为保证设备使用安全，所述控制单元禁止所述龙门轴进行自动调整，需人工对龙门机构进行检查、调整。

对于应用于精密测量设备的大跨距龙门双驱机构易变形的特性，通过本发明运动控制系统和基于PID控制算法的运动控制器组成的运动控制方法，在保证运动平稳和定位精度的同时解决了在伺服去使能后因振动或应力变形等原因产生的机械漂移误差，保证设备归零动作完成后机械坐标系的一致性，大大降低了机构设计难度，节省成本。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于龙门双驱机构的运动控制系统，包括：

X向运动轴，其通过滑块沿所述主动轴和从动轴运动；

Z向运动轴，其与所述X向运动轴连接；

2.根据权利要求1所述的一种用于龙门双驱机构的运动控制系统，其特征在于，所述主动轴和从动轴沿其轴向分别设有第一光栅尺和第二光栅尺；所述主动轴和从动轴上分别设有第一滑块和第二滑块，所述第一滑块上固定有第一读数头，所述第二滑块上固定有第二读数头，其中所述第一读数头用于读取所述第一光栅尺，所述第二读数头用于读取所述第二光栅尺。

3.根据权利要求2所述的一种用于龙门双驱机构的运动控制系统，其特征在于，所述主动轴上设有第一正限位开关、第一零位开关和第一负限位开关；所述从动轴上设有第二正限位开关、第二零位开关和第二负限位开关；其中所述第一零位开关与所述第二零位开关沿所述龙门轴的轴向间距为L。

4.根据权利要求3所述的一种用于龙门双驱机构的运动控制系统实现的运动控制方法，包括以下步骤：

S1、所述控制单元控制所述主动轴与所述从动轴位置归零；

S2、计算所述主动轴与所述从动轴的机械漂移误差ΔL；

5.根据权利要求4所述的运动控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

6.根据权利要求4所述的运动控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

7.根据权利要求5所述的运动控制方法，其特征在于，在所述步骤S12中，所述第一滑块上设有第一挡片，所述第一挡片用于识别所述第一正限位开关。

8.根据权利要求4所述的运动控制方法，其特征在于，所述控制单元用于存储所述机械漂移误差ΔL的阈值T。

9.根据权利要求4所述的运动控制方法，其特征在于，所述控制单元用于判断所述机械漂移误差ΔL与阈值T的大小，当

时，所述控制单元控制所述龙门轴进行自动调整；当

时，所述控制单元禁止所述龙门轴进行自动调整，并进行人工干预。

10.根据权利要求4所述的运动控制方法，其特征在于，当所述控制单元控制所述第一滑块沿所述主动轴运动时，所述第二滑块根据PID控制算法跟随所述第一滑块的运动方向沿所述从动轴运动。