專利名稱：混合驅(qū)動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，具體的說，是涉及一種基于雙電機(jī)無 擾動切換混合驅(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)。
技術(shù)背景精密定位系統(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(yīng)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(shí)現(xiàn)直線精密移動常 使用步進(jìn)電機(jī)通過絲桿驅(qū)動。但步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動精度取決于細(xì)分電流控制精度等因素， 細(xì)分?jǐn)?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(xì)分驅(qū)動電路存在很嚴(yán)重的高頻電磁干擾。超聲波電機(jī)(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(jī)，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(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的新型電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，具有單位體積出力大、響應(yīng)性能優(yōu)良等特點(diǎn)， 并能達(dá)到傳統(tǒng)電磁電機(jī)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(yīng)力和摩擦力作用下，電機(jī)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及定位精度。且由于壓電陶瓷裂 紋萌生、擴(kuò)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(jī)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(jī)無法克服系統(tǒng)壽命短的缺 點(diǎn)ο近年來國內(nèi)外學(xué)者采用電磁伺服電機(jī)作為定位系統(tǒng)粗定位驅(qū)動元件，采用超聲波 電機(jī)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(jī)與電磁電機(jī)各 自的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)雜，連接件加工困難，無法實(shí)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(shè)備復(fù)雜、抗干擾能力差。本實(shí)用新型提出一種基于雙電機(jī)無擾動切換混 合驅(qū)動機(jī)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(shí)現(xiàn) 電磁電機(jī)與超聲波電機(jī)間的無擾動切換，并可實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)系統(tǒng)高精度位移檢測
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，克服超聲波電機(jī)使用壽命短的缺點(diǎn)， 可實(shí)現(xiàn)精密定位過程中半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是—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(dǎo)軌，直線滑動導(dǎo)軌上裝滑臺，在直線滑動導(dǎo)軌的左右兩側(cè)分別設(shè)置驅(qū)動滑臺在滑動 導(dǎo)軌上運(yùn)動的超聲波電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，超聲波電機(jī)與角位測量裝置連接。超聲波電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)與第一電機(jī)支架由螺釘緊固連接，第一電機(jī)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(jìn)電機(jī)與第二電機(jī)支架固 定連接，第二電機(jī)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(jī)輸出軸同心連接， 第二轉(zhuǎn)盤與微型同步電機(jī)同心連接，第二轉(zhuǎn)盤隨微型同步電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，微型同步電機(jī)與 超聲波電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)采用FPGA輔助單片機(jī)的形式，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制超聲波 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)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(jì)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(jī)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(yàn)?zāi)K完成相鄰輸出脈沖的區(qū)分，由計(jì)數(shù)器和鎖存器完 成相鄰脈沖時間間隔的計(jì)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(jì)算， 計(jì)算結(jié)果送單片機(jī)處理得到角位移大小。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理，克服超聲波電機(jī)使用壽命短的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精密定位過程 中雙電機(jī)無擾動切換，有益效果主要表現(xiàn)在1.充分利用電磁電機(jī)和超聲波電機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，克服超聲波電機(jī)壽命短的缺點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長壽命、大行程精密定位。2.提供的新型混合驅(qū)動機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)無擾動切換，雙電機(jī)可同時或單獨(dú)工 作，當(dāng)雙電機(jī)同時運(yùn)動時，可實(shí)現(xiàn)滑臺的快速運(yùn)動和慢速調(diào)整，可控精度高。3.由于傳動鉸鏈短，結(jié)構(gòu)簡單，故滑臺定位精度和重復(fù)定位精度高。4.提供的混合驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(diào)零的優(yōu)點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)微 進(jìn)給時的超聲波電機(jī)閉環(huán)控制。


以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。圖1是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是本實(shí)用新型的角位移測量裝置結(jié)構(gòu)示圖。圖4是本實(shí)用新型的角位移裝置測量原理圖。圖5是本實(shí)用新型的角位移檢測時序圖。圖6是本實(shí)用新型驅(qū)動控制電路圖。
具體實(shí)施方式
一種混合驅(qū)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(dǎo)軌2，直線滑動導(dǎo)軌上裝滑臺3，在直線滑動導(dǎo)軌的左右兩側(cè)分別設(shè)置驅(qū)動滑臺在滑動導(dǎo)軌上 運(yùn)動的超聲波電機(jī)4和步進(jìn)電機(jī)5，超聲波電機(jī)與角位測量裝置6連接。超聲波電機(jī)經(jīng)第一彈性膜片聯(lián)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(jìn)電機(jī)經(jīng)第二彈性膜片聯(lián)軸器與依靠軸承9支撐的聯(lián)軸10連接，聯(lián)軸 與滾珠螺母11連接，滾珠螺母通過兩只內(nèi)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(jī)4與第一電機(jī)支架13由螺釘緊固連接，第一電機(jī)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(jìn)電機(jī)5與第二電機(jī)支架16固定連接，第二電機(jī)支架與滑臺3固定連接。角位測量裝置6包括第一轉(zhuǎn)盤17、第二轉(zhuǎn)盤18，第一轉(zhuǎn)盤與超聲波電機(jī)輸出軸同 心連接，第二轉(zhuǎn)盤與微型同步電機(jī)19同心連接，第二轉(zhuǎn)盤隨微型同步電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，微型 同步電機(jī)與超聲波電機(jī)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20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21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(銳角)等于紅外接收管中軸線與 第二轉(zhuǎn)盤的夾角(銳角)。電機(jī)控制系統(tǒng)采用FPGA輔助單片機(jī)的形式，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制超聲波 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)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(jì)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(jī)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(yàn)?zāi)K完成相鄰輸出脈沖的區(qū)分，由計(jì)數(shù)器和鎖存器完 成相鄰脈沖時間間隔的計(jì)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(jì)算， 計(jì)算結(jié)果送單片機(jī)處理得到角位移大小?；_可實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)單電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，也可實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同時驅(qū) 動。當(dāng)雙電機(jī)同時運(yùn)動時，可實(shí)現(xiàn)滑臺的快速運(yùn)動和慢速調(diào)整，快速運(yùn)動和慢速調(diào)整僅靠改 變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向即可。提出的精密定位機(jī)構(gòu)可進(jìn)一步拓展為十字滑臺，實(shí)現(xiàn)平面兩自由精密定位。在具 體實(shí)施時，另一自由度的機(jī)構(gòu)與本實(shí)用新型提出的機(jī)構(gòu)可完全一致。角位移測量原理分析及性能分析原理分析實(shí)施例中采用行波超聲波電機(jī)作為平臺精密定位驅(qū)動電機(jī)，超聲波電機(jī)輸出軸一 端連至彈性聯(lián)軸器，另一端與第一轉(zhuǎn)盤同心連接(見圖3)。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。第二轉(zhuǎn)盤與微型同步電機(jī)同心聯(lián)接，隨同步電機(jī)一起轉(zhuǎn)動。保 持同步電機(jī)與超聲波電機(jī)的軸心線在一條水平線上，保持兩轉(zhuǎn)盤同心。紅外接收管固定安 裝在第二轉(zhuǎn)盤上，隨同步電機(jī)同步運(yùn)動，紅外接收管中軸線在跌轉(zhuǎn)盤上的投影經(jīng)過第二轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)盤的夾角(銳角)等于紅外接收管中軸線與第二轉(zhuǎn)盤的夾角(銳角)。測量時，保持微型同步電機(jī)恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)(設(shè)轉(zhuǎn)速為Nr/min)，保持微型同步電機(jī)轉(zhuǎn)向與超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)向相同。當(dāng)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(jī)相對于超聲波電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個脈沖信號。當(dāng)超聲波電 機(jī)靜止不動時，假設(shè)紅外發(fā)射管在位置A處，接收管經(jīng)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(jī)轉(zhuǎn)一周所用時間tl。如接口電路控制器判斷每次 出現(xiàn)的兩相鄰脈沖間隔始終為tl，則可認(rèn)為超聲波電機(jī)靜止不動。如超聲波電機(jī)產(chǎn)生微位移，設(shè)位移方向與同步電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)由初始位置A轉(zhuǎn)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(xiàn)的兩相鄰脈 沖間隔由tl變?yōu)閠2，則認(rèn)為超聲波電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動了一定角度QnQ1大小與(t2-tl)成 正比。可得
《= ιζ ιχ360°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(dāng) 超聲波電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，由位置B轉(zhuǎn)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(xiàn)的兩相鄰脈沖間隔由t 1變?yōu)閠3，則認(rèn)為超聲波電機(jī)順時針 轉(zhuǎn)動了一定角度θ2大小與(t3-tl)成正比。可得
伏二 Ζ^χ360°(2)則超聲波電機(jī)累積旋轉(zhuǎn)角度為θ1+θ2。2. 2性能分析具體實(shí)施時，可使超聲波電機(jī)工作于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)或步進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)超聲波電機(jī)工 作于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時，角位移產(chǎn)生后，檢測裝置并不能立即響應(yīng)，而是要等紅外接收管轉(zhuǎn)至 和紅外發(fā)射管相對位置時才能響應(yīng)，如超聲波電機(jī)速度較快則存在較大的定位誤差。當(dāng)超 聲波電機(jī)工作于步進(jìn)狀態(tài)時，可使電機(jī)每運(yùn)行一微步停止，帶角位移檢測完成后再運(yùn)行下 一微步。由于行波超聲波電機(jī)步進(jìn)運(yùn)行時的微步距角很小，因此可達(dá)很高的定位精度。該新型角位移檢測裝置優(yōu)點(diǎn)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(jì)時的方法完 成檢測。(2)結(jié)構(gòu)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(diào)零。該傳感器也存在一定的誤差(1)數(shù)字控制器采用計(jì)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)計(jì)時，計(jì)數(shù)的分辨率影響結(jié)果精度。(2)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈動引起轉(zhuǎn)速的不均勻，從而引起隨機(jī)誤差。(3)加工及安裝時時兩轉(zhuǎn)盤不同心、電機(jī)軸與轉(zhuǎn)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(jī)誤差及系統(tǒng)誤差。精密定位系統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動控制電路設(shè)計(jì)實(shí)施例中，以Shinsei公司的行波超聲波電機(jī)USR60和TAMAGAWASEIKI CO, . LTD 公司的TSS103W73四相步進(jìn)電機(jī)為系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)。精密定位系統(tǒng)驅(qū)動控制電路如圖6所不。本實(shí)用新型采用FPGA輔助單片機(jī)的形式，在雙電機(jī)半閉環(huán)精密定位控制過程中， 單片機(jī)干預(yù)較少，大大減少了主控器負(fù)擔(dān)。而且FPGA具有功能易修改、可在線編程，具有很 強(qiáng)的通用性；接口簡單、響應(yīng)速度快，適于全數(shù)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(jī)工作于步進(jìn)狀態(tài)，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制電機(jī)驅(qū) 動器D6060從而實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的微步進(jìn)給。預(yù)分頻模塊用于電機(jī)啟?？刂萍癋PGA全局 時鐘信號的產(chǎn)生；置數(shù)控制模塊用于調(diào)整電機(jī)微步導(dǎo)通時間；計(jì)數(shù)控制模塊根據(jù)置數(shù)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(dǎo)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(jī)正反轉(zhuǎn)控制選擇。比較控制模塊2用于提 供給步進(jìn)電機(jī)PWM脈沖并控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，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(jīng)過功率放大后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。預(yù)分頻模塊該模塊將外部時鐘(本實(shí)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(jì)數(shù)器的時鐘信號。置數(shù)控制模塊置數(shù)控制模塊的輸出作為后續(xù)計(jì)數(shù)控制模塊的計(jì)數(shù)初值，用于調(diào)整步進(jìn)導(dǎo)通時 間。其中clkl和updown信號與單片機(jī)的I/O 口相連，updown為加減控制端，當(dāng)updown為 低電平時，單片機(jī)從clkl每發(fā)出一個脈沖，輸出口 INIOUT的值減一；當(dāng)updown為高電平 時，單片機(jī)從clkl每發(fā)出一個脈沖，miOUT的值加一。采用單片機(jī)通過改變模塊的輸出值 來改變超聲波電機(jī)微步導(dǎo)通時間，從而可方便的調(diào)節(jié)電機(jī)定位精度并進(jìn)行調(diào)速。CLKl可由 單片機(jī)的PCA模塊產(chǎn)生。計(jì)數(shù)控制模塊計(jì)數(shù)控制模塊根據(jù)置數(shù)控制模塊的輸出來調(diào)整微步導(dǎo)通時間，并產(chǎn)生固定的步間 停止時間。INIOUT為置置數(shù)控制模塊輸出數(shù)據(jù)，模塊以INIOUT為基數(shù)，在此基礎(chǔ)上以預(yù)分 頻模塊提供的時鐘脈沖進(jìn)行加計(jì)數(shù)，計(jì)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(dǎo)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(jì)算。DATAA為計(jì)數(shù)控制器模塊的輸入數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與Compare 模塊中內(nèi)置脈沖翻轉(zhuǎn)比較值coimtcLtemp相比較，以決定輸出電平的翻轉(zhuǎn)。CWC為電機(jī)轉(zhuǎn)向 控制信號，CffC為高電平時CW信號有效，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。正反轉(zhuǎn)互鎖模塊該模塊用于解決驅(qū)動器D6060正反轉(zhuǎn)控制端同時出現(xiàn)高電平而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)向不 定的問題。比較控制模塊2比較控制模塊2出占空比可調(diào)的PWM脈沖，該脈沖用于控制步進(jìn)電機(jī)。比較控制 模塊1與比較控制模塊2的0N/0FF端由單片機(jī)控制，使兩臺電機(jī)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(jìn)電機(jī)方向。由于在實(shí)施例中采用了 四相步進(jìn)電機(jī)，因此通過L298H橋集成驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。角位移傳感器接口電路設(shè)計(jì)[0072]當(dāng)光電發(fā)射管與光電接收管相對時，光電流由電阻轉(zhuǎn)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(yàn)?zāi)K，如模塊累計(jì)的脈沖個數(shù)為奇數(shù)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(shù)為偶數(shù)，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(jì)數(shù)器1模塊開始計(jì)數(shù)，使數(shù)器2模塊停止計(jì)數(shù)。保證了計(jì) 數(shù)器計(jì)數(shù)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(jì)數(shù) 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(jì)數(shù)器2模塊開始計(jì)數(shù)，使數(shù)器2模塊停止 計(jì)數(shù)。通過延時模塊的延遲作用，使CLR信號先于開始計(jì)數(shù)端ON信號到來，保證了計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)時的初值為零。計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器2對應(yīng)的鎖存器提供鎖存信號，EVEN端口給計(jì)數(shù)器1 對應(yīng)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(yùn)算，運(yùn)算啟動信號 由單片機(jī)提供，啟動運(yùn)算的時間間隔由單片機(jī)控制，時間間隔大小可由單片節(jié)根據(jù)傳感器 響應(yīng)速度調(diào)節(jié)。也可將ODD端發(fā)出的脈沖信號直接送入單片IO接口，單片機(jī)判別到相鄰時 間間隔所代表的脈沖數(shù)已經(jīng)鎖存至雙鎖存器后，發(fā)出減法運(yùn)算啟動指令。由于該傳感器響 應(yīng)速度較慢，要等紅外接收管轉(zhuǎn)至和紅外發(fā)射管相對位置時才能響應(yīng)，為避免出現(xiàn)傳感器 尚未響應(yīng)而計(jì)數(shù)器溢出的情況，必須給計(jì)數(shù)器以足夠的容量。實(shí)施例中采用25M由源晶振
作為外部時鐘，采用32位計(jì)數(shù)器，則計(jì)滿所用時間為1/25x10 6x232 =171.8S，該時間間隔
可以保證同步電機(jī)帶動光電接收管完成響應(yīng)。當(dāng)減法運(yùn)算完成后由FPGA通知單片機(jī)取數(shù)， 單片機(jī)通過口線讀入32位二進(jìn)制結(jié)果。單片機(jī)將讀入的減法器輸出量乘以計(jì)數(shù)器1 (計(jì)數(shù) 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(jì)算出角位移。
權(quán)利要求一種混合驅(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(dǎo)軌，直線滑動導(dǎo)軌上裝滑臺，在直線滑動導(dǎo)軌的左右兩側(cè)分別設(shè)置驅(qū)動滑臺在滑動導(dǎo)軌上運(yùn)動的超聲波電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，超聲波電機(jī)與角位測量裝置連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合驅(qū)動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征是超聲波電機(jī)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(jìn)電機(jī)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合驅(qū)動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征是超聲波電機(jī)與第 一電機(jī)支架由螺釘緊固連接，第一電機(jī)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(jìn)電機(jī)與第二電機(jī)支架固定連接，第二電機(jī)支架與 滑臺固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的混合驅(qū)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(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤，第一轉(zhuǎn)盤與超聲波電機(jī)輸出軸同心連接，第二轉(zhuǎn)盤與微型 同步電機(jī)同心連接，第二轉(zhuǎn)盤隨微型同步電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，微型同步電機(jī)與超聲波電機(jī)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的混合驅(qū)動半閉環(huán)精密定位系統(tǒng)，其特征是電機(jī)控制 系統(tǒng)采用FPGA輔助單片機(jī)的形式，通過FPGA發(fā)出的PWM波控制超聲波電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)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(jì)數(shù)控制模塊和置 數(shù)控制模塊共同確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的混合驅(qū)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(jī)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(yàn)?zāi)K完成相鄰輸出脈沖的區(qū)分，由計(jì)數(shù)器和鎖存器完成相鄰脈沖時間間 隔的計(jì)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(jì)算，計(jì)算結(jié)果送單片機(jī) 處理得到角位移大小。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種混合驅(qū)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(dǎo)軌，直線滑動導(dǎo)軌上裝滑臺，在直線滑動導(dǎo)軌的左右兩側(cè)分別設(shè)置驅(qū)動滑臺在滑動導(dǎo)軌上運(yùn)動的超聲波電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，超聲波電機(jī)與角位測量裝置連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理，克服超聲波電機(jī)使用壽命短的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精密定位過程中雙電機(jī)無擾動切換。
文檔編號G01B11/26GK201716010SQ20102011919
公開日2011年1月19日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)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(xué)