專利名稱：雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，具體的說，是涉及一種基于雙電機無擾動切換混合驅動裝置及一種新型位移檢測裝置的半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)。
背景技術：
精密定位系統(tǒng)是精密加工和超精密加工的關鍵技術之一。為滿足應用需求，精密 定位系統(tǒng)必須具備高頻響、大行程、高精度的性能。在工業(yè)生產中，要實現直線精密移動常 使用步進電機通過絲桿驅動。但步進電機細分驅動精度取決于細分電流控制精度等因素， 細分數越大，精度越難控制，且驅動器成本高；在惡劣的工況下如焊接工況下的高頻起弧和 穩(wěn)弧對細分驅動電路存在很嚴重的高頻電磁干擾。超聲波電機(ultrasonic motor，簡稱USM)原理和結構完全不同于傳統(tǒng)電磁式電 機，沒有繞阻和磁場部件，它不是通過電磁相互作用來傳遞能量，而是直接由壓電陶瓷材料 實現機電能量轉換的新型電機，其結構簡單，具有單位體積出力大、響應性能優(yōu)良等特點， 并能達到傳統(tǒng)電磁電機無法匹敵的高定位精度。但USM是通過定子與轉子的直接摩擦耦合 傳遞驅動力，在交變應力和摩擦力作用下，電機產生疲勞損傷，容易使定子與壓電陶瓷間的 凝結層局部脫落、溫升快造成熱失配等，影響電機輸出轉矩及定位精度。且由于壓電陶瓷 裂紋萌生、擴展和失穩(wěn)引起突然性破壞，使USM的壽命大大降低。近年來采用超聲波電機作 為精密定位驅動元件的系統(tǒng)越來越多，但采用單一的超聲波電機無法克服系統(tǒng)壽命短的缺 點ο近年來國內外學者采用電磁伺服電機作為定位系統(tǒng)粗定位驅動元件，采用超聲波 電機或壓電致動器作為定位系統(tǒng)精密定位驅動元件，充分結合了超聲波電機與電磁電機各 自的優(yōu)點，取得了較好的效果。但現有混合驅動系統(tǒng)結構復雜，連接件加工困難，無法實現 無擾動切換。且閉環(huán)系統(tǒng)中的精密定位位移檢測裝置常使用高精度光柵尺、編碼器、激光傳 感器等，成本高、設備復雜、抗干擾能力差。本發(fā)明提出一種基于雙電機無擾動切換混合驅 動機構及一種新型位移檢測裝置的精密定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單、易于加工，可實現電磁 電機與超聲波電機間的無擾動切換，并可實現半閉環(huán)系統(tǒng)高精度位移檢測。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種結構合理，克服超聲波電機使用壽命短的缺點，可實 現精密定位過程中雙電機無擾動切換的半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)。本發(fā)明的技術解決方案是—種雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征是包括滑臺底座， 滑臺底座上裝直線滑動導軌，直線滑動導軌上裝滑臺，在直線滑動導軌的左右兩側分別設 置驅動滑臺在滑動導軌上運動的超聲波電機和步進電機，超聲波電機與角位測量裝置連 接。超聲波電機經第一彈性膜片聯軸器與和滑臺連接的滾珠絲桿連接，滾珠絲桿上裝滾珠螺母；步進電機經第二彈性膜片聯軸器與依靠軸承支撐的聯軸連接，聯軸與滾珠螺母 連接，滾珠螺母通過角接觸軸承與螺帽座固定連接，螺母座與滑臺固定連接。超聲波電機與第一電機支架由螺釘緊固連接，第一電機支架與絲桿支撐軸承的軸 承座固定連接，絲桿支撐軸承的軸承座與滑臺底座固定連接；步進電機與第二電機支架固 定連接，第二電機支架與滑臺固定連接。角位測量裝置包括第一轉盤、第二轉盤，第一轉盤與超聲波電機輸出軸同心連接，第二轉盤與微型同步電機同心連接，第二轉盤隨微型同步電機一起轉動，微型同步電機與 超聲波電機的軸心線在同一條水平線上，第一轉盤、第二轉盤呈同心形式，紅外發(fā)射管固定 安裝在第一轉盤上，紅外發(fā)射管紅外光束中軸線在第一轉盤上的投影經過第一轉盤的圓 心，紅外接收管固定安裝在第二轉盤上，紅外接收管中軸線在第二轉盤上的投影經過第二 轉盤的圓心，紅外接收管與第二轉盤圓心的距離大于紅外發(fā)射管與第一轉盤圓心的距離， 紅外發(fā)射管的中軸線與第一轉盤的夾角等于紅外接收管中軸線與第二轉盤的夾角。電機控制系統(tǒng)采用FPGA輔助單片機的形式，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制超聲波 電機和步進電機驅動器，PWM波的周期由比較控制模塊控制，PWM占空比由比較控制模塊、 計數控制模塊和置數控制模塊共同確定。角位移檢測裝置接口電路采用FPGA輔助單片機的形式，由比較器將紅外接收管 的輸出信號轉換為脈沖，由奇偶校驗模塊完成相鄰輸出脈沖的區(qū)分，由計數器和鎖存器完 成相鄰脈沖時間間隔的計算和鎖存，由減法器完成兩個相鄰脈沖的時間間隔之差的計算， 計算結果送單片機處理得到角位移大小。本發(fā)明結構合理，克服超聲波電機使用壽命短的缺點，可實現精密定位過程中雙 電機無擾動切換，有益效果主要表現在1.充分利用電磁電機和超聲波電機各自的優(yōu)點，克服超聲波電機壽命短的缺點， 實現系統(tǒng)長壽命、大行程精密定位。2.提供的新型混合驅動機構可實現雙電機無擾動切換，雙電機可同時或單獨工 作，當雙電機同時運動時，可實現滑臺的快速運動和慢速調整，可控精度高。3.由于傳動鉸鏈短，結構簡單，故滑臺定位精度和重復定位精度高。4.提供的混合驅動機構結構簡單，加工方便。5.提供了一種新型角位移檢測裝置，將微小角位移檢測轉換為線位移檢測，該裝 置精度高、分辨率高、成本低、安裝方便，并具有測量前無須調零的優(yōu)點?？蓪崿F定位系統(tǒng)微 進給時的超聲波電機閉環(huán)控制。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明一個實施例的結構示圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是本發(fā)明的角位移測量裝置結構示圖。圖4是本發(fā)明的角位移裝置測量原理圖。圖5是本發(fā)明的角位移檢測時序圖。
圖6是本發(fā)明精密定位系統(tǒng)驅動控制電路圖。
具體實施例方式一種雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，包括滑臺底座1，滑臺底座 上裝直線滑動導軌2，直線滑動導軌上裝滑臺3，在直線滑動導軌的左右兩側分別設置驅動 滑臺在滑動導軌上運動的超聲波電機4和步進電機5，超聲波電機與角位測量裝置6連接。超聲波電機經第一彈性膜片聯軸器7與和滑臺連接的滾珠絲桿8連接，滾珠絲桿 上裝滾珠螺母11 ；步進電機經第二彈性膜片聯軸器與依靠軸承9支撐的聯軸10連接，聯軸 與滾珠螺母11連接，滾珠螺母通過兩只內外圈等高的角接觸軸承12與螺帽座固定連接，螺 母座與滑臺3固定連接，并由定位銷定位。超聲波電機4與第一電機支架13由螺釘緊固連接，第一電機支架與絲桿支撐軸承 (角接觸軸承)14的軸承座15固定連接，絲桿支撐軸承的軸承座與滑臺底座1固定連接； 步進電機5與第二電機支架16固定連接，第二電機支架與滑臺3固定連接。角位測量裝置6包括第一轉盤17、第二轉盤18，第一轉盤與超聲波電機輸出軸同 心連接，第二轉盤與微型同步電機19同心連接，第二轉盤隨微型同步電機一起轉動，微型 同步電機與超聲波電機的軸心線在同一條水平線上，第一轉盤、第二轉盤呈同心形式，紅外 發(fā)射管20固定安裝在第一轉盤上，紅外發(fā)射管紅外光束中軸線在第一轉盤上的投影經過 第一轉盤的圓心，紅外接收管21固定安裝在第二轉盤上，紅外接收管中軸線在第二轉盤上 的投影經過第二轉盤的圓心，紅外接收管與第二轉盤圓心的距離大于紅外發(fā)射管與第一轉 盤圓心的距離，紅外發(fā)射管的中軸線與第一轉盤的夾角(銳角)等于紅外接收管中軸線與 第二轉盤的夾角(銳角)。電機控制系統(tǒng)采用FPGA輔助單片機的形式，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制超聲波 電機和步進電機驅動器，PWM波的周期由比較控制模塊控制，PWM占空比由比較控制模塊、 計數控制模塊和置數控制模塊共同確定。角位移檢測裝置接口電路采用FPGA輔助單片機的形式，由比較器將紅外接收管 的輸出信號轉換為脈沖，由奇偶校驗模塊完成相鄰輸出脈沖的區(qū)分，由計數器和鎖存器完 成相鄰脈沖時間間隔的計算和鎖存，由減法器完成兩個相鄰脈沖的時間間隔之差的計算， 計算結果送單片機處理得到角位移大小?；_可實現超聲波電機單電機驅動和步進電機單獨驅動，也可實現雙電機同時驅 動。當雙電機同時運動時，可實現滑臺的快速運動和慢速調整，快速運動和慢速調整僅靠改 變電機的旋轉方向即可。提出的精密定位機構可進一步拓展為十字滑臺，實現平面兩自由精密定位。在具 體實施時，另一自由度的機構與本發(fā)明提出的機構可完全一致。角位移測量原理分析及性能分析原理分析實施例中采用行波超聲波電機作為平臺精密定位驅動電機，超聲波電機輸出軸一 端連至彈性聯軸器，另一端與第一轉盤同心連接(見圖3)。紅外光束中軸線在第一轉盤上 的投影經過第一轉盤的圓心。第二轉盤與微型同步電機同心聯接，隨同步電機一起轉動。保 持同步電機與超聲波電機的軸心線在一條水平線上，保持兩轉盤同心。紅外接收管固定安 裝在第二轉盤上，隨同步電機同步運動，紅外接收管中軸線在跌轉盤上的投影經過第二轉盤的圓心。紅外接收管與圓心的距離大于紅外發(fā)射管與圓心的距離，紅外發(fā)射管的中軸線與第一轉盤的夾角(銳角)等于紅外接收管中軸線與第二轉盤的夾角(銳角)。測量時，保持微型同步電機恒轉速旋轉(設轉速為Nr/min)，保持微型同步電機轉 向與超聲波電機轉向相同。當紅外接收管接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外光時，接口電路輸出一 高電平脈沖信號，同步電機相對于超聲波電機每旋轉一周，輸出一個脈沖信號。當超聲波電 機靜止不動時，假設紅外發(fā)射管在位置A處，接收管經過接口電路與輸出的脈沖信號如圖5 中的A所示，脈沖間隔時間即為同步電機轉一周所用時間tl。如接口電路控制器判斷每次 出現的兩相鄰脈沖間隔始終為tl，則可認為超聲波電機靜止不動。如超聲波電機產生微位移，設位移方向與同步電機轉動方向同相(均為順時針)， 為圖示方便將此位移放大后如圖4所示，此時光電發(fā)射管跟隨旋轉由初始位置A轉至位置 B處。接收電路輸出信號如圖5中的B所示。如接口電路控制器判斷每次出現的兩相鄰脈 沖間隔由tl變?yōu)閠2，則認為超聲波電機順時針轉動了一定角度QnQ1大小與(t2-tl)成 正比?？傻?br>
<formula>formula see original document page 6</formula>⑴如光電發(fā)射管靜止于位置B處時，接收電路輸出信號如圖5中的C所示。同理，當 超聲波電機繼續(xù)旋轉，由位置B轉至位置C處時，接收電路輸出信號如圖5中的D所示。如 接口電路控制器判斷每次出現的兩相鄰脈沖間隔由tl變?yōu)閠3，則認為超聲波電機順時針 轉動了一定角度θ2，θ2大小與(t3-tl)成正比?？傻?br>
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)則超聲波電機累積旋轉角度為θ1+θ2。2. 2性能分析具體實施時，可使超聲波電機工作于連續(xù)運行狀態(tài)或步進狀態(tài)。當超聲波電機工 作于連續(xù)運行狀態(tài)時，角位移產生后，檢測裝置并不能立即響應，而是要等紅外接收管轉至 和紅外發(fā)射管相對位置時才能響應，如超聲波電機速度較快則存在較大的定位誤差。當超 聲波電機工作于步進狀態(tài)時，可使電機每運行一微步停止，帶角位移檢測完成后再運行下 一微步。由于行波超聲波電機步進運行時的微步距角很小，因此可達很高的定位精度。該新型角位移檢測裝置優(yōu)點如下(1)將微小的角位移放大為可觀可測的線(弧長)位移，采用控制器計時的方法完 成檢測。(2)結構簡單，安裝方便，成本低。(3)測量精度和分辨率高。(4)測量前無須調零。該傳感器也存在一定的誤差(1)數字控制器采用計數的方法來實現計時，計數的分辨率影響結果精度。(2)同步電機轉速的脈動引起轉速的不均勻，從而引起隨機誤差。(3)加工及安裝時時兩轉盤不同心、電機軸與轉盤不同心，紅外接收及發(fā)射器安裝角度的不精確均會引起隨機誤差及系統(tǒng)誤差。精密定位系統(tǒng)雙電機驅動控制電路設計實施例中，以Shinsei公司的行波超聲波電機USR60和TAMAGAWASEIKI CO, . LTD 公司的TSS103W73四相步進電機為系統(tǒng)驅動電機。精密定位系統(tǒng)驅動控制電路如圖6所
7J\ ο本發(fā)明采用FPGA輔助單片機的形式，在雙電機半閉環(huán)精密定位控制過程中，單片 機干預較少，大大減少了主控器負擔。而且FPGA具有功能易修改、可在線編程，具有很強的 通用性；接口簡單、響應速度快，適于全數字化控制，可大大提高系統(tǒng)性能。在圖6中，行波超聲波電機工作于步進狀態(tài)，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制電機驅 動器D6060從而實現超聲波電機的微步進給。預分頻模塊用于電機啟?？刂萍癋PGA全局 時鐘信號的產生；置數控制模塊用于調整電機微步導通時間；計數控制模塊根據置數控制 模塊的輸出值來確定PWM周期；比較控制模塊確定了微步導通時間及步間停止時間；互鎖 電路用于防止D6060接口的觸發(fā)競爭并用于電機正反轉控制選擇。比較控制模塊2用于提 供給步進電機PWM脈沖并控制步進電機的正反轉，環(huán)形脈沖發(fā)生器用于將比較控制模塊2 的輸出脈沖變成具有一定時序的脈沖列，并經過功率放大后驅動步進電機。預分頻模塊該模塊將外部時鐘(本實施例中采用25M有源晶振)作為全局時鐘脈沖并作為比 較控制模塊的觸發(fā)信號及計數器的時鐘信號。置數控制模塊置數控制模塊的輸出作為后續(xù)計數控制模塊的計數初值，用于調整步進導通時 間。其中clkl和updown信號與單片機的I/O 口相連，updown為加減控制端，當updown為 低電平時，單片機從clkl每發(fā)出一個脈沖，輸出口 INIOUT的值減一；當updown為高電平 時，單片機從clkl每發(fā)出一個脈沖，miOUT的值加一。采用單片機通過改變模塊的輸出值 來改變超聲波電機微步導通時間，從而可方便的調節(jié)電機定位精度并進行調速。CLKl可由 單片機的PCA模塊產生。計數控制模塊計數控制模塊根據置數控制模塊的輸出來調整微步導通時間，并產生固定的步間 停止時間。INIOUT為置置數控制模塊輸出數據，模塊以INIOUT為基數，在此基礎上以預分 頻模塊提供的時鐘脈沖進行加計數，計滿溢出后自動清零。比較控制模塊1比較控制模塊1出具有可變微步導通時間及固定步間停止時間的PWM脈沖。在 clk3脈沖上升沿觸發(fā)比較計算。DATAA為計數控制器模塊的輸入數據，該數據與Compare 模塊中內置脈沖翻轉比較值coimtcLtemp相比較，以決定輸出電平的翻轉。CWC為電機轉向 控制信號，CffC為高電平時CW信號有效，電機正轉，反之反轉。正反轉互鎖模塊該模塊用于解決驅動器D6060正反轉控制端同時出現高電平而導致電機轉向不 定的間題。比較控制模塊2比較控制模塊2出占空比可調的PWM脈沖，該脈沖用于控制步進電機。比較控制模塊1與比較控制模塊2的ON/OFF端由單片機控制，使兩臺電機分時工作。CW/CCW端用于 控制環(huán)形脈沖發(fā)生器輸出不同相序的脈沖列以控制步進電機方向。由于在實施例中采用了 四相步進電機，因此通過L298H橋集成驅動模塊實現步進電機的驅動。角位移傳感器接口電路設計當光電發(fā)射管與光電接收管相對時，光電流由電阻轉換為電壓量并通過比較器后，輸出高電平脈。脈沖送入奇偶校驗模塊，如模塊累計的脈沖個數為奇數個，則ODD端輸 出一高電平脈沖。反之，如果模塊累積的脈沖個數為偶數，則EVEN端輸出一高電平脈沖。 ODD端口輸出的脈沖的上升沿使計數器1模塊開始計數，使數器2模塊停止計數。保證了計 數器計數時的初值為零，通過延時模塊的延遲作用，使CLR信號到來的時間早于開始計數 端的ON信號到來的時間。EVEN端口輸出的脈沖的上升沿同時使計數器2模塊開始計數，使數器2模塊停止 計數。通過延時模塊的延遲作用，使CLR信號先于開始計數端ON信號到來，保證了計數器 計數時的初值為零。計數器1和計數器2的輸出信號由鎖存器鎖存，鎖存信號由奇偶脈沖判別模塊模 塊提供，ODD端口輸出的脈沖給計數器2對應的鎖存器提供鎖存信號，EVEN端口給計數器1 對應的鎖存器提供鎖存信號。由減法器完成兩鎖存器輸出信號的減法運算，運算啟動信號 由單片機提供，啟動運算的時間間隔由單片機控制，時間間隔大小可由單片節(jié)根據傳感器 響應速度調節(jié)。也可將ODD端發(fā)出的脈沖信號直接送入單片10接口，單片機判別到相鄰時 間間隔所代表的脈沖數已經鎖存至雙鎖存器后，發(fā)出減法運算啟動指令。由于該傳感器響 應速度較慢，要等紅外接收管轉至和紅外發(fā)射管相對位置時才能響應，為避免出現傳感器 尚未響應而計數器溢出的情況，必須給計數器以足夠的容量。實施例中采用25M由源晶振
作為外部時鐘，采用32位計數器，則計滿所用時間為-171.8S，該時間間隔可
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以保證同步電機帶動光電接收管完成響應。當減法運算完成后由FPGA通知單片機取數，單 片機通過口線讀入32位二進制結果。單片機將讀入的減法器輸出量乘以計數器1 (計數器 2)的CLK脈沖周期，得到相鄰脈沖間隔時間的差值，并由公式1計算出角位移。
權利要求
一種雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征是包括滑臺底座，滑臺底座上裝直線滑動導軌，直線滑動導軌上裝滑臺，在直線滑動導軌的左右兩側分別設置驅動滑臺在滑動導軌上運動的超聲波電機和步進電機，超聲波電機與角位測量裝置連接。
2.根據權利要求1所述的雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征 是超聲波電機經第一彈性膜片聯軸器與和滑臺連接的滾珠絲桿連接，滾珠絲桿上裝滾珠 螺母；步進電機經第二彈性膜片聯軸器與依靠軸承支撐的聯軸連接，聯軸與滾珠螺母連接， 滾珠螺母通過角接觸軸承與螺帽座固定連接，螺母座與滑臺固定連接。
3.根據權利要求2所述的雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征 是超聲波電機與第一電機支架由螺釘緊固連接，第一電機支架與絲桿支撐軸承的軸承座 固定連接，絲桿支撐軸承的軸承座與滑臺底座固定連接；步進電機與第二電機支架固定連 接，第二電機支架與滑臺固定連接。
4.根據權利要求1、2或3所述的雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)， 其特征是角位測量裝置包括第一轉盤、第二轉盤，第一轉盤與超聲波電機輸出軸同心連 接，第二轉盤與微型同步電機同心連接，第二轉盤隨微型同步電機一起轉動，微型同步電機 與超聲波電機的軸心線在同一條水平線上，第一轉盤、第二轉盤呈同心形式，紅外發(fā)射管固 定安裝在第一轉盤上，紅外發(fā)射管紅外光束中軸線在第一轉盤上的投影經過第一轉盤的圓 心，紅外接收管固定安裝在第二轉盤上，紅外接收管中軸線在第二轉盤上的投影經過第二 轉盤的圓心，紅外接收管與第二轉盤圓心的距離大于紅外發(fā)射管與第一轉盤圓心的距離， 紅外發(fā)射管的中軸線與第一轉盤的夾角等于紅外接收管中軸線與第二轉盤的夾角。
5.根據權利要求1、2或3所述的雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其 特征是電機控制系統(tǒng)采用FPGA輔助單片機的形式，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制超聲波電 機和步進電機驅動器，PWM波的周期由比較控制模塊控制，PWM占空比由比較控制模塊、計 數控制模塊和置數控制模塊共同確定。
6.根據權利要求1、2或3所述的雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其 特征是角位移檢測裝置接口電路采用FPGA輔助單片機的形式，由比較器將紅外接收管的 輸出信號轉換為脈沖，由奇偶校驗模塊完成相鄰輸出脈沖的區(qū)分，由計數器和鎖存器完成 相鄰脈沖時間間隔的計算和鎖存，由減法器完成兩個相鄰脈沖的時間間隔之差的計算，計 算結果送單片機處理得到角位移大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙電機無擾動切換混合驅動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，包括滑臺底座，滑臺底座上裝直線滑動導軌，直線滑動導軌上裝滑臺，在直線滑動導軌的左右兩側分別設置驅動滑臺在滑動導軌上運動的超聲波電機和步進電機，超聲波電機與角位測量裝置連接。本發(fā)明結構合理，克服超聲波電機使用壽命短的缺點，可實現精密定位過程中雙電機無擾動切換。
文檔編號H02K11/00GK101820203SQ20101011338
公開日2010年9月1日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2010年1月26日
發(fā)明者華亮, 吳曉, 吳曉新, 堵俊, 張齊, 李智, 羌予踐, 顧菊平, 黃建斌 申請人:南通大學