[發(fā)明專利]雙電機無擾動切換混合驅(qū)動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)

無效

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• 申請日: 2010-01-26
• 公開（公告）號: CN101820203A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設計）人: 吳曉;華亮;堵俊;顧菊平;羌予踐;吳曉新;李智;張齊;黃建斌
• 申請（專利權(quán)）人: 南通大學
• 主分類號: H02K11/00
• 分類號: H02K11/00;H02P5/00
• 代理公司: 南通市永通專利事務所 32100
• 代理人: 葛雷

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，具體的說，是涉及一種混合 驅(qū)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(shù)：

精密定位系統(tǒng)是精密加工和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)中，要實現(xiàn)直線精密移動常使用步進電機通過絲桿驅(qū)動。但步進 電機細分驅(qū)動精度取決于細分電流控制精度等因素，細分數(shù)越大，精度 越難控制，且驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)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(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的新型電機，其結(jié) 構(gòu)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(zhuǎn)子的直接摩擦耦 合傳遞驅(qū)動力，在交變應力和摩擦力作用下，電機產(chǎn)生疲勞損傷，容易 使定子與壓電陶瓷間的凝結(jié)層局部脫落、溫升快造成熱失配等，影響電 機輸出轉(zhuǎn)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(qū)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。

近年來國內(nèi)外學者采用電磁伺服電機作為定位系統(tǒng)粗定位驅(qū)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(qū)動元件，充 分結(jié)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(xiàn) 有混合驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，連接件加工困難，無法實現(xiàn)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(qū)動機構(gòu)及一種新型位移檢測裝置的精密定位 系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，可實現(xiàn)電磁電機與超聲波電機間的 無擾動切換，并可實現(xiàn)半閉環(huán)系統(tǒng)高精度位移檢測。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，克服超聲波電機使用壽命短 的缺點的半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種混合驅(qū)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(cè)分別設置驅(qū)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(jīng)第一彈性膜片聯(lián)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(jīng)第二彈性膜片聯(lián)軸器與依靠軸承支 撐的聯(lián)軸連接，聯(lián)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(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤，第一轉(zhuǎn)盤與超聲波電機輸 出軸同心連接，第二轉(zhuǎn)盤與微型同步電機同心連接，第二轉(zhuǎn)盤隨微型同 步電機一起轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤呈同心形式，紅外發(fā)射管固定安裝在第一轉(zhuǎn)盤 上，紅外發(fā)射管紅外光束中軸線在第一轉(zhuǎn)盤上的投影經(jīng)過第一轉(zhuǎn)盤的圓 心，紅外接收管固定安裝在第二轉(zhuǎn)盤上，紅外接收管中軸線在第二轉(zhuǎn)盤 上的投影經(jīng)過第二轉(zhuǎn)盤的圓心，紅外接收管與第二轉(zhuǎn)盤圓心的距離大于 紅外發(fā)射管與第一轉(zhuǎn)盤圓心的距離，紅外發(fā)射管的中軸線與第一轉(zhuǎn)盤的 夾角等于紅外接收管中軸線與第二轉(zhuǎn)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(qū)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(shù)控制模塊和置數(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)果送單片機處 理得到角位移大小。