CN206421219U - 基于拉压力传感器反馈的双轴同步运动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于拉压力传感器反馈的双轴同步运动控制装置，包括同轴同步运动本体部分及驱动检测控制部分，本实用新型采用拉压力传感器及加速度传感器检测两轴的运动速度信号，输入到工控计算机中，获得控制信号输出到伺服驱动器中驱动两个伺服电机的运动，实现对装置的速度和位置的双闭环控制。本实用新型突破了传统固定型检测装置的局限性，无需回零和校准。

Description

基于拉压力传感器反馈的双轴同步运动控制装置

技术领域

本实用新型涉及双轴同步控制领域，具体涉及一种基于拉压力传感器反馈的双轴同步运动控制装置。

背景技术

在现代制造业中，人们对高生产率、低成本的需求越来越高，例如表面贴装机和数控机床在加工一些复杂零件或为了减少产品加工的工序时，传统的单轴运动常常难以满足需要，生产中机械轴同步运动应运而生，也正因如此，多轴系统在现代工业生产中被广泛应用，如三峡工程中使用的升船机、煤球机、冶金工厂中的多轴辊道、造纸机、桥式或龙门起重机以及各种机器人系统。但随着社会的发展，人们对多轴系统提出了更高的要求，如高速度、高精度的加工要求在造纸、印染、纺织等产业生产中显得越来越重要，为了提高多轴系统的综合性能，不仅要考虑单个轴的控制品质，还要把各轴之间的运动控制有机协调起来，才能达到系统整体全局性能的最优化。

多轴系统是非线性、强耦合的多输入多输出系统，其多个轴的协调控制是一个很复杂且很重要的问题。在机械加工中，由实际位置到期望轮廓的距离产生的轮廓误差直接关系到产品的质量，减小同步误差是降低轮廓误差的关键。高速龙门移动键铣削加工中心是同步运动的典型例子，龙门柱沿导轨纵向进给，能获得很高的加速度特性，但由于横梁、刀架等大型移动部件的结构和受力并不是严格对称的，再加上存在各种不确定性扰动，所以不能保证龙门框架移动的高度一致性，这种不一致性产生的机械耦合将降低同步进给程度，影响加工质量，甚至可能使龙门框架或驱动元件受到损坏。同步控制技术是这类机床降低轮廓误差、保证加工精度的关键。采用多轴系统同步控制技术的数控机械用数字控制和伺服技术代替传统的机械传动机构，简化了设备的机械结构，提高了设备的精度、灵活性、寿命和效率。因此，多轴系统同步控制技术是当前机械设计和制造技术的一个重要发展方向。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于拉压力传感器反馈的同轴同步运动控制装置。

本实用新型使得双轴同步运动控制的运动范围增加，突破了传统固定型检测装置的局限性，无需回零和校准，使之能稳定、准确、快速地到达同步运动，并能在干扰出现运动不同步时快速恢复同步。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于拉压力传感器反馈的双轴同步运动控制装置，包括同轴同步运动本体部分及驱动检测控制部分；

同轴同步运动本体部分：包括第一及第二同步运动单元，所述第一及第二同步运动单元结构相同均包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、直线运动单元、悬臂板及支架，

所述伺服电机通过联轴器驱动滚珠丝杠上的直线运动单元，所述支架固定在直线运动单元上，所述悬臂板的一侧与支架连接，所述第一及第二同步运动单元的滚珠丝杠平行设置在实验台上；

驱动检测控制部分：包括加速度传感器及拉压力传感器，所述加速度传感器设置在第一同步运动单元的悬臂板与支架连接处，所述拉压力传感器水平固定在两个悬臂板的另一侧，所述伺服电机还设置有编码盘，所述编码盘检测伺服电机转动的角位移信号经过伺服驱动器及运动控制卡输入到工控计算机中，所述加速度传感器及拉压力传感器检测的信号经过A/D转换卡及数据采集卡输入到工控计算机中，计算机得到控制信号经过运动控制卡及伺服驱动器驱动两个伺服电机转动。

所述拉压力传感器具体为一个，拉压力传感器的两端分别安装在两个悬臂板的宽度方向的中点处，且两个悬臂板处于相同高度。

所述加速度传感器位于第一同步运动控制单元的悬臂板与支架连接处，具体位于该悬臂板的宽度方向的中线上。

所述加速度传感器及拉压力传感器的安装高度相同。

所述拉压力传感器选用S型拉压力传感器。

还包括用于显示检测信号和控制信号动态曲线的人机交互界面。

一种基于拉压力传感器反馈的同轴同步运动控制装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤一两个伺服电机的编码器检测两个伺服电机的转角信号，经过伺服驱动器及运动控制卡，传输到工控计算机进行处理，得到相应的伺服电机位置反馈信号；

步骤二拉压力传感器及加速度传感器分别检测悬臂板之间的受力状态及直线运动单元的加速度后，经过A/D转换后生成数字信号，经过数据采集卡输入到工控计算机中得到速度反馈信号；

步骤三将步骤一及步骤二得到的速度和位置反馈信号经过工控计算机计算后得到控制电机转动的脉冲信号，经过运动控制卡输出到两个伺服驱动器中，分别驱动到两个伺服电机，实现对伺服电机进行位置和速度双闭环控制。

所述拉压力传感器检测悬臂板之间的受力状态，具体为：以第一同步运动单元中的直线运动单元的运动为参考基准，若检测信号为受压状态，则说明第二同步运动单元的直线运动快，繁殖，则检测信号为受拉状态，则说明第二同步运动单元的直线运动慢。

本方法采用主从式同步运动控制策略、串行同步运动控制策略、并行同步运动控制策略或虚拟电子主轴同步运动控制策略。

本实用新型的有益效果：

(1)本速度检测系统由一个拉压力传感器和加速度传感器组成，利用传感器高精度和动态响应快的特点，使得速度检测更加准确，配合编码器的角位移检测，形成位置和速度的双闭环控制，从而能实现低速重载的双轴同步运动控制。

(2)本装置双轴运动采用耦合连接，能实时动态地检测双轴间的速度差和位置差，适用于低速重载的场合。

(3)本装置既可以采用主从式同步运动控制策略，也可以采用其他同步控制策略，如串行同步运动控制策略、并行同步运动控制策略、虚拟电子主轴同步运动控制策略等，为验证多种复杂控制策略提供了一个很好的平台。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图2所示，一种基于拉压力传感器反馈的同轴同步运动控制装置，包括第一及第二同步运动单元；

所述第一同步运动单元，包括第一伺服电机1、第一联轴器2、第一滚珠丝杠3、第一滚珠导向轴4、第一直线运动单元5、第一悬臂板7及第一支架14，

所述第一伺服电机通过第一联轴器驱动第一滚珠丝杠上的第一直线运动单元，所述第一滚珠导向轴4安装在第一滚珠丝杠上，所述第一支架安装在第一直线运动单元上，所述第一悬臂板的一侧与第一支架固定在一起。

所述第二同步运动单元，包括第二伺服电机10、第二联轴器11、第二滚珠丝杠12、第二直线运动单元16、第二悬臂板15及第二支架13；

所述第二伺服电机通过第二联轴器驱动第二滚珠丝杠上的第二直线运动单元，所述第二支架固定在第二直线运动单元上，所述第二悬臂板的一侧与第二支架固定在一起。

所述第一滚珠丝杠的基座和第二滚珠丝杠的基座平行设定在实验台上，安装前要保证两个直线运动单元处于平行位置，第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠的轴距可灵活变动，两直线运动单元通过两悬臂板的耦合作用相连接，使该装置能检测低速重载高精度的双轴同步运动信号。

两个悬臂板的规格相同，均为350mm×85mm×13mm，两个悬臂板与两个支架的安装方式相同，本实施例中伺服电机均安装有光电编码盘。

所述第一支架及第二支架在第一直线运动单元及第二直线运动单元的安装方向相反，所述两个悬臂板的安装方向也是面对面，具体第一支架与第一悬臂板的左侧固定，第二支架与第二悬臂板的右侧固定。

本装置还包括加速度传感器6及拉压力传感器8，所述加速度传感器6安装在第一支架及第一悬臂板的固定位置，高度位于第一悬臂板的中间距第一悬臂板左侧15mm,用于检测第一运动单元的速度信息；

所述拉压力传感器8具体为一个，固定在第一、第二悬臂板的末端之间，具体为第一悬臂板的右侧及第二悬臂板的左侧，且高度位于两个悬臂板的宽度方向的中点，安装好应保证两直线运动单元处于平行位置且两悬臂板没有发生弯曲变形，本装置可根据双轴之间的实际距离调整两支架在直线运动单元上的安装位置和两悬臂板的长度，从而满足不同轴距的检测控制，扩大了装置的适用范围。

所述拉压力传感器8获得两直线运动单元的相对速度信息，选取第一直线运动单元的运动为参考基准，若检测信号为受压状态，则说明第二直线运动单元运动较快，反之，若检测信号为受拉状态，则说明第二直线运动单元运动较慢，通过拉压力信号可定性获得两直线运动单元的相对运动信息，形成速度反馈信号。速度反馈信号和位置反馈信号经相应的控制算法处理后用于控制驱动第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠的转动，本实用新型利用将拉压力传感器所测得拉压力信号转换成速度信号，结合编码器的位置反馈，对双轴直线同步运动单元进行速度和位置反馈控制。

加速度传感器既可以检测第一直线运动单元的运动速度信息，也能检测第一直线运动单元的振动信号，防止因两悬臂板的耦合作用和电机自身的机械振动使两运动单元出现较大的速度差甚至出现破坏机械装置本体的情况。

所述拉压力传感器及加速度传感器检测的信息经过第一及第二A/D转换卡输出到数据采集卡，然后输入到工控计算机，两个伺服电机的光电编码盘检测伺服电机的转角信号通过第一及第二伺服驱动器和运动控制卡输入到工控计算机中，工控计算机根据上述得到的检测信号输出控制信号运动控制卡，通过两个伺服驱动器驱动两个伺服电机。

上述装置进行两周同步运动的控制方法，具体步骤为：

步骤一两个伺服电机的编码器检测两个伺服电机的转角信号，经过伺服驱动器及运动控制卡，传输到工控计算机进行处理，得到相应的伺服电机位置反馈信号；

步骤二拉压力传感器及加速度传感器分别检测悬臂板之间的受力状态及直线运动单元的加速度后，经过A/D转换后生成数字信号，经过数据采集卡输入到工控计算机中得到速度反馈信号；

步骤三将步骤一及步骤二得到的速度和位置反馈信号经过工控计算机计算后得到控制电机转动的脉冲信号，经过运动控制卡输出到两个伺服驱动器中，分别驱动到两个伺服电机，实现对伺服电机进行位置和速度双闭环控制。

在本实施例中，伺服电机选用日本三菱公司生产的400瓦交流伺服电机，第一伺服电机和第二伺服电机的型号为HC-KFS43，伺服驱动器为MR-J2S-40A。

两个滚珠导向轴选用日本米思米MISUMI的微型直线导轨，型号为BESKSS-No.30-700，材质为不锈钢，导轨编号为30mm，组装高度H为20mm，导轨长度L为700mm。直线轴承9可选用日本米思米MISUMI标准型直线轴承，型号为SLHSSW，导向轴支座选择日本米思米MISUMI(SHSTA-20)-40型支座，丝杠固定侧组件选用C-BSFW20型。联轴器可选用米思米MISUMI公司型号为MCSLC的高扭矩夹持型(双膜片型)膜片式联轴器。运动控制卡可选用美国GALIL公司生产的型号为DMC-18x6PCI的4轴运动控制卡。

拉压力传感器选用上海上海狄佳传感科技有限公司生产的S型拉压力传感器，型号为DJSX-50，额定载荷0～50Kg,重复性0.02％F.S.，滞后0.02％F.S.；加速度传感器选用公司生产的8632C10型立方体加速度传感器，响应频率为1～5000Hz，非线性为±％FSO。

在控制过程中通过设计友好的人机交互界面可以实时显示相关测量信号和控制信号动态曲线，便于实时观测以及控制的开启和关闭，控制策略参数的修改输入，数据保存等操作，便于实时调试时分析和修改参数。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于拉压力传感器反馈的双轴同步运动控制装置，其特征在于，包括同轴同步运动本体部分及驱动检测控制部分；

同轴同步运动本体部分：包括第一及第二同步运动单元，所述第一及第二同步运动单元结构相同，均包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、直线运动单元、悬臂板及支架；

所述伺服电机通过联轴器驱动滚珠丝杠上的直线运动单元，所述支架固定在直线运动单元上，所述悬臂板的一侧与支架连接，所述第一及第二同步运动单元的滚珠丝杠平行设置在实验台上；

驱动检测控制部分：包括加速度传感器及拉压力传感器，所述加速度传感器设置在第一同步运动单元的悬臂板与支架连接处，所述拉压力传感器水平固定在两个悬臂板的另一侧，所述伺服电机还设置有编码盘，所述编码盘检测伺服电机转动的角位移信号经过伺服驱动器及运动控制卡输入到工控计算机中，所述加速度传感器及拉压力传感器检测的信号经过A/D转换卡及数据采集卡输入到工控计算机中，工控计算机得到控制信号经过运动控制卡及伺服驱动器驱动两个伺服电机转动。

2.根据权利要求1所述的双轴同步运动控制装置，其特征在于，所述拉压力传感器具体为一个，拉压力传感器的两端分别安装在两个悬臂板的宽度方向的中点处，且两个悬臂板处于相同高度。

3.根据权利要求1所述的双轴同步运动控制装置，其特征在于，所述加速度传感器位于第一同步运动控制单元的悬臂板与支架连接处，具体位于该悬臂板的宽度方向的中线上。

4.根据权利要求1所述的双轴同步运动控制装置，其特征在于，所述加速度传感器及拉压力传感器的安装高度相同。

5.根据权利要求1所述的双轴同步运动控制装置，其特征在于，所述拉压力传感器选用S型拉压力传感器。

6.根据权利要求5所述的双轴同步运动控制装置，其特征在于，还包括用于显示检测信号和控制信号动态曲线的人机交互界面。