TWI330774B - Motion stage controlled by wire twisting - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 「線絞動控制之定位平台β — 該平台係由步進馬達、平項利用絞線所構成之定位平台， 成，藉由簡單的控制策略Γ可^麵器、絞線和壓縮彈簀所構 單、價格便宜和控觀易 目的’縣構具有簡 平台。 優使人們可獲得低廉的價格定位 【先前技術】 將兩條線扭轉將造成長度 工地_物品，其種技術常被_在建築 生位移_化，；、錄錢皮料，就可以產 往都解優點，加μ工件檢測時往 對於= 较放置轉__，卩_技的進步， m讀精度要求也越來编，但是卻轉有錢的價格， 2作！試_輯所滅的驅動器設料—定位平台，該定位 千口係_價袼便朗步進馬達作為餘轉軸力源，因此具有 結構簡單控制容易的優點。 目前市面上並無誠動㈣之定位平心朗侧資料，習 知-蚊辦㈣藉由導雜、*輪或是转等設計而成。 一般使料鄉赫之機触要將W螺桿之桿軸以轴承 1330774 加以定位，砂螺桿之桿細馬 广...:::r' 之桿軸再驅動_㈣胃錢称^： 1=，導螺桿 速移動，如圖i所示；由於細=W動移動件快 皆有剛性及背隙等問題，故快逮移動1動^^桿軸及螺帽 差；再則，喊導螺桿她轉構件 德精度之誤 因摩擦的ϋ素，速度也受_4 _性移動’故會 又叩艮制’而且兩物摩

亦係機械常理，而導螺桿在活動 她’ 動作’相對造成活動部、導螺桿， 可預測的絲，咖蚊鄉㈣加工魏2=觸=成不 2及相關糊瓣恤物觀尺寸3 2，常造成廠房擺設的限制，係其又一弊端，亦與牟創作内: 小问。 有關制之使麟性馬達直_動之機構是使職磁性材 • 败造成具有齒狀結構之固定部，並以電磁鐵及永久磁鐵等組合 成一個活動部，減於固枝移動；其中電磁鐵由於是Μ由電 流之通過而產生磁場，稱為線性馬達之一次側，而齒狀結構之鐵 磁性材料由於是感應-次側產生之磁場變化者，稱為二次侧。此 種設計在祕馬賴動速度較慢時，朗上確實沒制題，但是 當活動部快速來回移動時’活動部上連接電磁鐵之接線十分容易 斷裂，使用壽命變雜低’為避免突發之轉發生，接線甚至於 需要定期更換’故實非為-良好之機構，如專利53刪號雖然 6 774

正 im 頁 I 能藉由線性騎來提昇定辦台的賴，但其缺闕造複雜及成 本高等缺失，除獨廣外，亦與摘_容不同。 另市面制的碰定位平台，不外乎使収位栓磁力近接 開關或光電_床紐缸作鮮定健制，此雜方式因氣 麼的時變非線性特性造賴射料掌控，以致於雜精度 不高。近料來’砂歐美璧舰_研雜造改善以及微電 腦技術的七展’氣壓飼服閥已成功被使用來控制氣壓飼服系統。 所謂氣壓伺服定位控制係於氣壓虹上裝有位移感測器 而’隨«缸的移動位移感測器會將氣缸實際行走的位移訊號 傳回給微電腦或數位控制器之+央處理器作為控制器設計的依 據。為習用PID伺服氣壓歧位控制架構，由於氣壓伺服系統因 空氣的壓紐及氣齡的雜力，為—時變及高度絲性系統， 所以皁靠線性的PID控制法則是無法達聰高的定位精度。因此 除技用PID控制器外’國際間對於研究細_位控制的一 —專豕子者使用了適應性控制、模糊控制或類神經控制等控制法 則外加速度'加速度或壓力等訊號補償方式來控制飼服氣塵缸 以達定位的功能，且這些研究成果亦達國際公認水準〇 _以 下’其定位精度約介於〇. i麵〜〇. 〇3随之間。但由於氣壓控制 系統為喊非線性及時㈣統，尤其麵性摩擦力造成氣壓系統 的黏滯滑動縣，影響定位精度甚巨。糾複雜的㈣方法對於 非線性摩擦力均無法有效的補償，因此定位精度-錄難有-更 1330774

好的突破。 如專利200505624號，主要能克服氣壓非線性動摩擦力及消 除系統黏滯滑動現象的速度補償訊號補償控制方法，其缺點為需 具備性能優秀之控制器，方能達到較佳的定位精度，其構造及内 容與本創作不同。 利用壓電元件（piezoelectric element)之晶體組織受電 壓作用而變形之特性，以成為驅動構件者，例如揭露於1997年6 月17日發證予阿貝先生等（Abe et ai.)之美國第564〇〇65號 專利之超音波馬達及其驅動方法（u丨trason i c M〇t〇r and Meth〇d of Driving the Same)。其中，該超音波馬達包括一壓電元件以 作為驅動構件，並使該壓電元件與一長方體彈性件 (rectangular - parallelepipedic elastic body)結合，且 包括-驅動電路（driving Giraiit)’以便在彈性件振動衰減週 期内產生一驅動訊號，因而產生一沿著彈性件縱向之伸/縮振 動，以及一傳佈於彈性件縱向上之彎曲振動（以〇^驵 vibratiarO’藉以應用在極小尺寸加I作業中，綠被驅動物體 之定位精確度。亦與本創作構造及内容不同。 8 1330774 1330774 曰修正替换頁 fk0飞於 【發明内容】 ^創作係由位移感㈣、定位平台、步進馬達、控制器、壓 、彈百及絞線等元件所構成，主要技術包括下列部份：一 =利用電阻尺的原理，負責定位平台的檢測，該位移二 :以 為25mffl ;二、定位你主絲由兩條絞線互扭， =轴向位移長度的變化。三、壓縮彈簧及絞線：藉由壓縮彈箬 、生’可提做線扭轉回復時的回復力。四、步進馬達：配八 驅動器，採用驅動模式；五、控制器：藉由電腦程綠 〜制v進馬達’能有效計算補償使達_確之目標值。 本創作係利用絞線所構成之定位平台，該平台經 定位平台、步進馬達、控_、壓卿簀及絞轉元件_ 成，糟由簡單的控制策略，可精確地控制定位平台，本創作除了 結構簡單’價格便宜和控制容易外，亦可獲得優良的定位精度。 為使f審查委員能進—步了解本發明之結構、精敏及其目 的並附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。 【實施方式】 本創作包括五個部份：-、轉感測器；二、定位平a .二、 =縮彈簧及絞線；四、步進馬達；五、控制器；將上述五口項频 、、…成-個『線絞動控制之定位平台』，如圖2及圖3所示。主要 結構如下： 9 一、位移感洌器（〗〇): 位移感測器用以偵測定位平台的位 處的位移感測器不限使用電 w、u认為25麵·’但此 LVDT ^ 〇十亦可以使用編碼器、光學尺戋 DT.專做為位移感測器 次 應定位平台的變動量。貝疋位L的移動變化檢測，即時反 二、定位平台（2〇): 三、壓縮彈簧（30)及絞線（4〇): ’人線用以在正方向拉動定位平台至指定位置而壓縮彈菁 則用在反方向推峡位平台至奴位置，如圖4所示。目前本 發明所採用的絞線由兩條可以被扭轉的線所構成 。由於兩條線 —是平行依祕-起’扭轉時造成軸向位移的變化將使線之間 產生摩擦，因此在本發财，我們將兩條線定在一起， 另端則相隔-段距離，系統中兩條線的線長為45醒，線徑 1mm’ -端固定在—^，另—固定點相差_，此處絞線只要能 夠被扭轉，扭轉後可以恢復原狀態的線皆可。 1330774 替换貢 四、步進馬達（50): ,步進馬達順時針方向旋轉時，會將絞線扭緊 住正方向_至指枝置，而錢 針 ^ 則會放鬆絞線，此時定位平台必轉時， 進馬達為四蝴卿树騎採用的步 ^ 馬達配5步進馬達驅動器，採用 明咐用极式’因此步進馬達旋轉―圈為侧個脈衝。但本發 、所採用的馬達不限步進馬達，也可以_直流騎、線性馬 伺服馬達等’只要是可以利用旋轉方式將 的動力裝置皆可。 五、控制器（60): ▲控制器用以控制定位平台的運動，如圖5所示。本發明所設 參计的控制器可以用來產生脈波，進而控制步進馬達的運動。步進 馬達的轉速可以隨控制器輸出的脈波頻率來改變，而步進馬達的 轉動角朗可碰制脈驗蚊。本發_控制器包含 有控制法則’當定位平台離目標值較遠時，會控制步進馬達以較 快的速度前進；當定位平台離目標值—半時，會控制步進馬達以 中間的速度前進·，當定位平台到達目標值附近時，會 達以慢速前進，來避免因難作用，造成定位的誤差。邮整個 控制法則可以用表述如下： 11 1330774

if err 2 ± 〇 2 mm then f = 3000Hz if ±〇.2fflffl^err>±〇.ifflfflthen f 忖 ± 〇. l 咖 g err > ± 0 02 咖 the ~ 50Hz 土 U.02 咖 g err then f =⑽z

其+ err為定位平台與目標值間的誤差， 波頻率。為了输彻的輸出脈 T 口牡S铋點附近因雜訊 生追逐的現象，因此當定解台進人目標點約+ M2 ^樣產 制器即停止脈波的輸出，讓步進馬達停止運動。.控 在圖5中，本發明所採用的控制器，其 位計在量測定位平台位移後所送出的訊號，經二= 比轉數位（A/D)裝輯為數 14位^^ m 7 δΚ#υ，電位計的位移2. 5咖，理, 狀況下，可以得到解析為丨5 里， . 的艾化，但本發明所採用的 态，不限利用個人電腦或可藉的控η 式控制益（PLC )或單晶片等設計, 成，可以輸出訊號給馬達驅動哭 ° ' 能有效w 馬達運動，喊控制法則 月匕啕双叶异位置误差，輸出 補彳貝訊旒給馬達驅動器，使馬i幸帶1 的疋位平台可以到達目標值者皆可。 、’、達^ 12 1330774 r___ ^ 灣正替换頁] • 由以上詳細說明，可熟知本項技藝者明瞭本創作的確可達成 前述的目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。 【圖式之簡單說明】 圖1導螺桿傳動結構圖。 圖2本創作結構圖。 圖3本創作定位平台結構圖。 圖4本創作壓縮彈簧和絞線結構圖。 ® 圖5本創作控制流程圖。 【主要元件標號說明】 位移感測器 10 定位平台 20 壓縮彈簧 30 絞線 40 步進馬達 50 控制器 60 線性滑軌 70 底座 80 13

Claims (1)

1330774 十、申請專利範圍： -種線絞動控制之定位平台，提供—般加卫或工件檢測時的 定位平台之設備；係由： 移感測器，湘電位計、光學尺或膽做為位移感測器，負 責定位平台的移動變化檢測，能即時反應定位平台的變動量； -定位平台’定位平⑽構可裝較控體，藉由絞線及_彈夢 機構的運作，可任意往正方向或反方向雜至指定位置’·，、 一馬達及其鶴H，騎可狀步進騎、_鱗、恤 等’配合該馬達敎鶴器，以完成定位平台的位置控制； 口=黃:絞線’藉由_彈箐之特性，可即時提供 7Γ復力；藉由兩條可以被扭轉的線，—端岐及-端八 開之紅線互扭，可造成軸向位移的變化，推刀 置變化，控斷辦台之錄；化_相定卿台的位 —控制态，不限利用個人電 設計完成，可胁切㈣⑽）或單晶片等 制法則’能有效計算馬達運動，内含控 馬達帶動蚊鄉咖咖=邮龜输動器’使