一種超重環境下精確定位控制系統及控制方法技術方案

本發明專利技術公開了一種超重環境下精確定位控制系統及控制方法，包括驅動單元、工控機、磁柵傳感器和運動控制器，所述驅動單元包括一個伺服電機、一個伺服驅動器和一個旋轉變壓器，當被控移動支架的跨度較小時，采用1套驅動單元對被控移動支架進行單軸定位控制；當被移動支架跨距太大，采用2套驅動單元對被控移動支架兩側同步驅動進行雙軸定位控制，本發明專利技術不僅定位精度和重復精度高，而且具有很大的加載能力，適于大行程被控移動支架在超重環境下精確位置定位。在100g離心場下，本發明專利技術定位精度優于0.2mm，最大承載力超過18000N。為了實現高離心場下雙軸定位控制，將兩軸視為同一軸進行同步控制，提高了系統的可靠性和安全性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種控制系統及方法，特別是涉及ー種超重環境下精確定位控制系統及控制方法。
技術介紹
土工離心機為土工離心模擬試驗提供了重要的研究手段并得到迅速發展。從1931年世界第一臺土工離心機在美國哥倫比亞大學誕生后，發展到現在世界上大約有200多臺土工離心機。這些離心機為世界土工試驗和土建建設做出了重要貢獻。超重環境下精確定位技術是土工離心機器人研制的關鍵技術之一。因為土工離心機器人在離心試驗時按預設程序運行，工具頭需在模型箱狹小空間完成復雜動作，在超重環境下不允許其位置定位有較大偏差，特別對具有更換工具的多軸機器人系統，對定位精度要求更高。這是因為工具頭與工具、工具與工具庫支架間一般采用錐銷定位，銷與銷孔的容差較小，要使工具頭上的錐銷準確插入工具上的銷孔和工具上的錐銷準確插入工具庫支架上的銷孔，機器人系統就必須具有較高的位置定位精度。為了使機器人具有較高的空間位置定位精度，就要求機器人空間坐標系內各向都具有較高的定位精度和重復精度。此外，各向在滿足精度的同時，還需提供較大的加載力，這樣才能使機器人有能力完成復雜的試驗操作。2005年中國工程物理研究院總體工程研究所為同濟大學研制的在IOOg離心場下工作的機器人和正調試的成都理工大學多軸機器人均不具備更換工具功能，都采用液壓驅動支架在導軌上移動來實現各向定位，而前者采用超聲波傳感器進行位置反饋，后者采用激光位移傳感器進行位置反饋。國內目前唯一具備更換工具的土工離心機器人是香港科技大學的多軸土工離心機器人，但其最大工作離心加速度不到100g。該機器人X方向采用電機驅動齒輪齒條機構產生直線運動，Y方向采用電機驅動滾珠絲杠一螺母機構產生直線運動。采用液壓驅動方式的直線位置定位系統出力大，可在高過載條件下工作，但因為液壓油的固有屬性及容易泄漏等原因，從而導致系統定位精度不高。采用電機驅動齒輪齒條機構產生直線運動的方式結構簡單，但其定位精度也不高。目前，也有人主張采用直線電機進行直接驅動，因為直線電機具有結構簡單，可內置光柵位移傳感器定位精度高等優點，但目前市面上的直線電機承載離心載荷能力較差且價格較貴。由于土工離心機器人的運行エ況和結構的特殊性，其上使用的位移檢測元件不僅要能正常工作于超重環境，而且離心機上安裝位置和使用空間受到限制。高精度的超聲波傳感器和激光位移傳感器雖可實現較精確的位置反饋，但卻無法安裝于機器人系統上，結構尺寸較小的雖可安裝，但其精度又不滿足要求，且死區距離大。若采用光柵進行位置檢測，光柵讀數頭與光柵容許間距較小，不易安裝，且精度和可靠性受塵土及油污等影響，不適于土工離心試驗環境。導致原因土工離心機器人在超重環境下工作時，不僅要提供各向較大的加載力，而且還要承受超重環境，其自身結構很容易發生變形，從而導致系統的精確定位變得十分困難。現有的位置定位方式在超重環境下對具有更換工具的多軸機器人系統無法實現精確定位。具有更換工具的多軸機器人系統必須具有穩定的高精度驅動系統、高精度的導向和承載方式、高精度的位置測控系統，同時，還應有較大的加載能力。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決上述問題而提供ー種定位精度高、加載能力大的超重環境下精確定位控制系統及控制方法。本專利技術是通過以下技術方案實現的ー種超重環境下精確定位控制系統，包括驅動單元、エ控機、磁柵傳感器和運動控制器，所述驅動単元包括ー個伺服電機、一個伺服驅動器和ー個旋轉變壓器，所述旋轉變壓器安裝于所述伺服電機的尾部進行轉速檢測，所述旋轉變壓器的信號輸出端與所述伺服驅 動器的轉速信號輸入端連接，所述磁柵傳感器的磁頭安裝于被控移動支架上，所述磁柵傳感器的信號輸出端與所述伺服驅動器的位移信號輸入端連接，所述伺服驅動器的控制信號輸出端與所述伺服電機的控制信號輸入端連接，所述伺服電機的空心軸通過傳動裝置與所述被控移動支架連接，所述伺服驅動器的通訊接ロ與所述運動控制器的通訊接ロ連接，所述運動控制器的通訊接ロ與所述エ控機的通訊接ロ連接。作為本專利技術的進ー步改進為，所述驅動單元為I套，所述驅動単元中的伺服電機的空心軸通過傳動裝置與所述被控移動支架的ー側連接，所述磁柵傳感器為I個，所述磁柵傳感器的磁頭安裝于所述被控支架的ー側。當被控移動支架的跨度較小時，采用I套驅動單元對被控移動支架進行直線位置定位，采用I套驅動単元稱為單軸定位控制系統。作為本專利技術的進ー步改進為，所述驅動單元為2套，每套所述驅動単元中的伺服電機的空心軸分別通過傳動裝置與所述被控移動支架的兩側連接，每套所述驅動単元中的伺服驅動器的通訊接ロ均與所述運動控制器的通訊接ロ連接，所述磁柵傳感器為2個，每個所述磁柵傳感器的磁頭分別安裝于所述被控移動支架的兩側。當被移動支架跨距太大，采用單軸定位控制系統將會對被控移動支架產生很大的扭矩，導致被控移動支架變形和兩導軌滑塊不同步，從而影響被控移動支架的定位精度，所以對大跨距的被控移動支架采用雙軸定位控制系統，即采用2套驅動單元對被控移動支架兩側進行同步驅動，以使被控移動支架具有良好的受カエ況和較高的直線位置定位精度。作為本專利技術的優選是，所述エ控機與所述運動控制器之間采用無線以太網通訊，所述運動控制器與所述伺服驅動器之間采用CAN通訊。在超重環境下運行，為提高系統通訊可靠性和穩定性監控軟件與運動控制器之間采用無線以太網通訊，通訊速率為100Mbps。運動控制器安裝在離心機下儀器艙近離心機主軸，而不采用通用的將其置于控制室用集流環進行通訊連接方式，這樣可提高通訊的可靠性和通訊速率，CAN通訊速率為1Mbps。作為本專利技術的優選是，所述磁柵傳感器最大分辨率為0.001mm，精度為±0.025mm;所述旋轉變壓器分辨率為0.8'，精度為±10'。單軸定位控制系統采用的控制方法，包括以下步驟(I)通過エ控機內的監控軟件進行系統回零點運動,建立參考坐標系； (2)回零完成后根據試驗要求通過監控軟件設計所述被控移動支架各坐標的運行路徑，路徑規劃完畢且正確后進入步驟(3)；(3)通過所述監控軟件設置所述被控移動支架的位移給定值并通過無線以太網通訊方式將位移給定值傳輸至所述運動 控制器；(4)所述運動控制器對位移給定值進行解析并以伺服驅動器可識別的指令將位移給定值通過CAN通訊的方式傳輸至所述伺服驅動器，所述伺服驅動器根據指令控制所述伺服電機旋轉；(5)所述旋轉變壓器將測量的伺服電機實時轉速反饋至所述伺服驅動器，同時所述磁柵傳感器將測量的被控移動支架的實時位移值反饋至所述伺服驅動器；(6)所述伺服驅動器對反饋的實時位移值與位移給定值進行比較運算，當伺服電機旋轉直至所述被控移動支架的移動距離達到位移給定值時，所述伺服驅動器控制所述伺服電機停止旋轉，從而實現所述被控移動支架的精確定位。雙軸定位控制系統包括以下步驟(I)通過エ控機內的監控軟件進行系統回零點運動,建立參考坐標系；(2)回零完成后根據試驗要求通過監控軟件設計所述被控移動支架各坐標的運行路徑，路徑規劃完畢且正確后進入步驟(3)；(3)通過所述監控軟件設置所述被控移動支架的位移給定值并通過無線以太網通訊方式將位移給定值傳輸至所述運動控制器；(4)所述運動控制器對位移給定值進行解析并以伺服驅動器可識別的指令將位移給定值通過CAN通訊的方式傳輸至每個所述伺服驅動器，每個所述伺服本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超重環境下精確定位控制系統，其特征在于：包括驅動單元、工控機、磁柵傳感器和運動控制器，所述驅動單元包括一個伺服電機、一個伺服驅動器和一個旋轉變壓器，所述旋轉變壓器安裝于所述伺服電機的尾部進行轉速檢測，所述旋轉變壓器的信號輸出端與所述伺服驅動器的轉速信號輸入端連接，所述磁柵傳感器的磁頭安裝于被控移動支架上，所述磁柵傳感器的信號輸出端與所述伺服驅動器的位移信號輸入端連接，所述伺服驅動器的控制信號輸出端與所述伺服電機的控制信號輸入端連接，所述伺服電機的空心軸通過傳動裝置與所述被控移動支架連接，所述伺服驅動器的通訊接口與所述運動控制器的通訊接口連接，所述運動控制器的通訊接口與所述工控機的通訊接口連接。

【技術特征摘要】
1.ー種超重環境下精確定位控制系統，其特征在于包括驅動單元、エ控機、磁柵傳感器和運動控制器，所述驅動単元包括ー個伺服電機、一個伺服驅動器和ー個旋轉變壓器，所述旋轉變壓器安裝于所述伺服電機的尾部進行轉速檢測，所述旋轉變壓器的信號輸出端與所述伺服驅動器的轉速信號輸入端連接，所述磁柵傳感器的磁頭安裝于被控移動支架上，所述磁柵傳感器的信號輸出端與所述伺服驅動器的位移信號輸入端連接，所述伺服驅動器的控制信號輸出端與所述伺服電機的控制信號輸入端連接，所述伺服電機的空心軸通過傳動裝置與所述被控移動支架連接，所述伺服驅動器的通訊接ロ與所述運動控制器的通訊接ロ連接，所述運動控制器的通訊接ロ與所述エ控機的通訊接ロ連接。2.根據權利要求I所述的超重環境下精確定位控制系統，其特征在于所述驅動単元為I套，所述驅動単元中的伺服電機的空心軸通過傳動裝置與所述被控移動支架的ー側連接，所述磁柵傳感器為I個，所述磁柵傳感器的磁頭安裝于所述被控支架的ー側。3.根據權利要求I所述的超重環境下精確定位控制系統，其特征在于所述驅動単元為2套，每套所述驅動単元中的伺服電機的空心軸分別通過傳動裝置與所述被控移動支架的兩側連接，每套所述驅動単元中的伺服驅動器的通訊接ロ均與所述運動控制器的通訊接ロ連接，所述磁柵傳感器為2個，每個所述磁柵傳感器的磁頭分別安裝于所述被控移動支架的兩側。4.根據權利要求I所述的超重環境下精確定位控制系統，其特征在于所述エ控機與所述運動控制器之間采用無線以太網通訊，所述運動控制器與所述伺服驅動器之間采用CAN通訊。5.根據權利要求I所述的超重環境下精確定位控制系統，其特征在于所述旋轉變壓器的分辨率為0.8'，精度為±10';所述磁柵傳感器的最大分辨率為0.001mm，精度為±0. 025mm。6.一種如權利要求2所述的超重環境下精確定位控制系統采用的控制方法，其特征在于包括以下步驟 (1)通過エ控機內的監控軟件進行系統回零點運動，建立參考坐標系； (2)回零完成后根據試驗要求通過監控軟件設計所述被控移動支架各坐標的運行路徑，路徑規劃完畢且正確后進入步驟(3)； (3)通...

【專利技術屬性】
技術研發人員：余小勇，冉光斌，洪建忠，黎啟勝，王新倫，張寧平，趙寶忠，彭麗瓊，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院總體工程研究所，
類型：發明
國別省市：