混合驱动半闭环精密定位系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种混合驱动半闭环精密定位系统，包括滑台底座，滑台底座上装直线滑动导轨，直线滑动导轨上装滑台，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动滑台在滑动导轨上运动的超声波电机和步进电机，超声波电机与角位测量装置连接。本实用新型专利技术结构合理，克服超声波电机使用寿命短的缺点，可实现精密定位过程中双电机无扰动切换。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种半闭环精密定位系统，具体的说，是涉及一种基于双电机无 扰动切换混合驱动装置及一种新型位移检测装置的半闭环精密定位系统。技术背景精密定位系统是精密加工和超精密加工的关键技术之一。为满足应用需求，精密 定位系统必须具备高频响、大行程、高精度的性能。在工业生产中，要实现直线精密移动常 使用步进电机通过丝杆驱动。但步进电机细分驱动精度取决于细分电流控制精度等因素， 细分数越大，精度越难控制，且驱动器成本高；在恶劣的工况下如焊接工况下的高频起弧和 稳弧对细分驱动电路存在很严重的高频电磁干扰。超声波电机(ultrasonic motor，简称USM)原理和结构完全不同于传统电磁式电 机，没有绕阻和磁场部件，它不是通过电磁相互作用来传递能量，而是直接由压电陶瓷材料 实现机电能量转换的新型电机，其结构简单，具有单位体积出力大、响应性能优良等特点， 并能达到传统电磁电机无法匹敌的高定位精度。但USM是通过定子与转子的直接摩擦耦合 传递驱动力，在交变应力和摩擦力作用下，电机产生疲劳损伤，容易使定子与压电陶瓷间的 凝结层局部脱落、温升快造成热失配等，影响电机输出转矩及定位精度。且由于压电陶瓷裂 纹萌生、扩展和失稳引起突然性破坏，使USM的寿命大大降低。近年来采用超声波电机作 为精密定位驱动元件的系统越来越多，但采用单一的超声波电机无法克服系统寿命短的缺 点ο近年来国内外学者采用电磁伺服电机作为定位系统粗定位驱动元件，采用超声波 电机或压电致动器作为定位系统精密定位驱动元件，充分结合了超声波电机与电磁电机各 自的优点，取得了较好的效果。但现有混合驱动系统结构复杂，连接件加工困难，无法实现 无扰动切换。且闭环系统中的精密定位位移检测装置常使用高精度光栅尺、编码器、激光传 感器等，成本高、设备复杂、抗干扰能力差。本技术提出一种基于双电机无扰动切换混 合驱动机构及一种新型位移检测装置的精密定位系统，该系统结构简单、易于加工，可实现 电磁电机与超声波电机间的无扰动切换，并可实现半闭环系统高精度位移检测
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种结构合理，克服超声波电机使用寿命短的缺点， 可实现精密定位过程中半闭环精密定位系统。本技术的技术解决方案是—种混合驱动半闭环精密定位系统，其特征是包括滑台底座，滑台底座上装直线 滑动导轨，直线滑动导轨上装滑台，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动滑台在滑动 导轨上运动的超声波电机和步进电机，超声波电机与角位测量装置连接。超声波电机经第一弹性膜片联轴器与和滑台连接的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆上装 滚珠螺母；步进电机经第二弹性膜片联轴器与依靠轴承支撑的联轴连接，联轴与滚珠螺母连接，滚珠螺母通过角接触轴承与螺帽座固定连接，螺母座与滑台固定连接。超声波电机与第一电机支架由螺钉紧固连接，第一电机支架与丝杆支撑轴承的轴 承座固定连接，丝杆支撑轴承的轴承座与滑台底座固定连接；步进电机与第二电机支架固 定连接，第二电机支架与滑台固定连接。角位测量装置包括第一转盘、第二转盘，第一转盘与超声波电机输出轴同心连接， 第二转盘与微型同步电机同心连接，第二转盘随微型同步电机一起转动，微型同步电机与 超声波电机的轴心线在同一条水平线上，第一转盘、第二转盘呈同心形式，红外发射管固定 安装在第一转盘上，红外发射管红外光束中轴线在第一转盘上的投影经过第一转盘的圆 心，红外接收管固定安装在第二转盘上，红外接收管中轴线在第二转盘上的投影经过第二 转盘的圆心，红外接收管与第二转盘圆心的距离大于红外发射管与第一转盘圆心的距离， 红外发射管的中轴线与第一转盘的夹角等于红外接收管中轴线与第二转盘的夹角。电机控制系统采用FPGA辅助单片机的形式，通过FPGA发出的PWM波控制超声波 电机和步进电机驱动器，PWM波的周期由比较控制模块控制，PWM占空比由比较控制模块、 计数控制模块和置数控制模块共同确定。角位移检测装置接口电路采用FPGA辅助单片机的形式，由比较器将红外接收管 的输出信号转换为脉冲，由奇偶校验模块完成相邻输出脉冲的区分，由计数器和锁存器完 成相邻脉冲时间间隔的计算和锁存，由减法器完成两个相邻脉冲的时间间隔之差的计算， 计算结果送单片机处理得到角位移大小。本技术结构合理，克服超声波电机使用寿命短的缺点，可实现精密定位过程 中双电机无扰动切换，有益效果主要表现在1.充分利用电磁电机和超声波电机各自的优点，克服超声波电机寿命短的缺点， 实现系统长寿命、大行程精密定位。2.提供的新型混合驱动机构可实现双电机无扰动切换，双电机可同时或单独工 作，当双电机同时运动时，可实现滑台的快速运动和慢速调整，可控精度高。3.由于传动铰链短，结构简单，故滑台定位精度和重复定位精度高。4.提供的混合驱动机构结构简单，加工方便。5.提供了一种新型角位移检测装置，将微小角位移检测转换为线位移检测，该装 置精度高、分辨率高、成本低、安装方便，并具有测量前无须调零的优点。可实现定位系统微 进给时的超声波电机闭环控制。附图说明以下结合附图和实施例对本技术作进一步说明。图1是本技术一个实施例的结构示图。图2是图1的俯视图。图3是本技术的角位移测量装置结构示图。图4是本技术的角位移装置测量原理图。图5是本技术的角位移检测时序图。图6是本技术驱动控制电路图。具体实施方式一种混合驱动半闭环精密定位系统，包括滑台底座1，滑台底座上装直线滑动导轨2，直线滑动导轨上装滑台3，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动滑台在滑动导轨上 运动的超声波电机4和步进电机5，超声波电机与角位测量装置6连接。超声波电机经第一弹性膜片联轴器7与和滑台连接的滚珠丝杆8连接，滚珠丝杆 上装滚珠螺母11 ；步进电机经第二弹性膜片联轴器与依靠轴承9支撑的联轴10连接，联轴 与滚珠螺母11连接，滚珠螺母通过两只内外圈等高的角接触轴承12与螺帽座固定连接，螺 母座与滑台3固定连接，并由定位销定位。超声波电机4与第一电机支架13由螺钉紧固连接，第一电机支架与丝杆支撑轴承 (角接触轴承)14的轴承座15固定连接，丝杆支撑轴承的轴承座与滑台底座1固定连接； 步进电机5与第二电机支架16固定连接，第二电机支架与滑台3固定连接。角位测量装置6包括第一转盘17、第二转盘18，第一转盘与超声波电机输出轴同 心连接，第二转盘与微型同步电机19同心连接，第二转盘随微型同步电机一起转动，微型 同步电机与超声波电机的轴心线在同一条水平线上，第一转盘、第二转盘呈同心形式，红外 发射管20固定安装在第一转盘上，红外发射管红外光束中轴线在第一转盘上的投影经过 第一转盘的圆心，红外接收管21固定安装在第二转盘上，红外接收管中轴线在第二转盘上 的投影经过第二转盘的圆心，红外接收管与第二转盘圆心的距离大于红外发射管与第一转 盘圆心的距离，红外发射管的中轴线与第一转盘的夹角(锐角)等于红外接收管中轴线与 第二转盘的夹角(锐角)。电机控制系统采用FPGA辅助单片机的形式，通过FPGA发出的PWM波控制超声波 电机和步进电机驱动器，PWM波的周期由比较控制模块控制，PWM占空比由比较控制模块、 计数控制模块和置数控制模块共同确定。角位移检测装置接口电路采用FPGA辅助单片机的形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合驱动半闭环精密定位系统，其特征是：包括滑台底座，滑台底座上装直线滑动导轨，直线滑动导轨上装滑台，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动滑台在滑动导轨上运动的超声波电机和步进电机，超声波电机与角位测量装置连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓，华亮，堵俊，顾菊平，羌予践，吴晓新，李智，张齐，黄建斌，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：实用新型
国别省市：32[中国|江苏]