本發(fā)明具體涉及一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制裝置及方法，適用于伺服在較長距離上進(jìn)行較高精度的高速開環(huán)直線運(yùn)動。

背景技術(shù)：

開環(huán)直線運(yùn)動在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的開環(huán)直線運(yùn)動主要使用步進(jìn)電機(jī)，通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)來實(shí)現(xiàn)移動距離的可控。步進(jìn)電機(jī)具有低頻容易抖動、啟動速度慢、無法過載運(yùn)動、精度相對較低等缺點(diǎn)。對于在較長的直線軌道內(nèi)負(fù)載較重設(shè)備進(jìn)行來回往復(fù)運(yùn)動，使用步進(jìn)電機(jī)很難實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動和準(zhǔn)確反饋位置，在特定場合需要負(fù)載大、加速快的開環(huán)直線運(yùn)動。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制裝置及方法。

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制裝置，包括伺服控制機(jī)箱、伺服電機(jī)、導(dǎo)軌、限位裝置；所述伺服控制機(jī)箱包括伺服控制板、伺服驅(qū)動器和用于供電的電源；所述伺服控制板上設(shè)有通信接口，用于與上位機(jī)通信，伺服控制板的輸出端分別與伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)相連，伺服驅(qū)動器的輸出端與伺服電機(jī)相連，伺服電機(jī)用于安裝在待驅(qū)動的物體上；所述導(dǎo)軌用于供待驅(qū)動的物體沿其運(yùn)動；所述限位裝置安裝在導(dǎo)軌的端部，其輸出端與伺服控制板的輸入端相連。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)軌為齒條軌道；所述伺服控制裝置還包括減速器，減速器的齒輪與導(dǎo)軌上的齒條嚙合，減速器與伺服控制板電連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述限位裝置包括一個或者兩個限位開關(guān)；當(dāng)限位裝置包括兩個限位開關(guān)時，兩個限位開關(guān)分別安裝在導(dǎo)軌的兩端。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述限位開關(guān)包括限位塊和與限位塊相連的機(jī)械開關(guān)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述伺服控制板與伺服電機(jī)之間設(shè)有光電耦合器；伺服控制板與伺服驅(qū)動器之間設(shè)有單端-差分芯片，用于將信號轉(zhuǎn)換為差分信號。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器之間還設(shè)有光電編碼器，光電編碼器用于在伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器之間形成電流與速度閉環(huán)。

一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制方法，包括以下步驟：

步驟一、在伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器之間形成電流和速度閉環(huán)；

步驟二、設(shè)置伺服驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)，將伺服電機(jī)調(diào)整為位置環(huán)控制，使得伺服驅(qū)動器每接收一個脈沖，伺服電機(jī)運(yùn)動一個單位長度；

步驟三、伺服控制板向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖和方向信號，通過調(diào)整控制脈沖的頻率和脈沖個數(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的位置和速度控制；

步驟四、伺服控制板對發(fā)向伺服驅(qū)動器的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)的方向由方向信號控制，實(shí)時計算當(dāng)前伺服電機(jī)的位置。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制方法，還包括步驟：直線運(yùn)動的零位確認(rèn)，具體為：在調(diào)試確定伺服運(yùn)動正向和反向時，當(dāng)伺服電機(jī)開始運(yùn)動時，上位機(jī)發(fā)送“定零位”指令給伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)進(jìn)行反向或者正向開環(huán)運(yùn)動，直到壓到反向或者正向的限位開關(guān)停止運(yùn)動，上位機(jī)通過伺服控制板接收到了限位開關(guān)發(fā)送的信號，上位機(jī)自動確認(rèn)當(dāng)前位置為設(shè)定距離，而后發(fā)送“回零”指令給伺服電機(jī)，解除限位狀態(tài)，伺服電機(jī)回到零位；在伺服電機(jī)出現(xiàn)系統(tǒng)異常而斷電的情況時，上位機(jī)發(fā)送“定零位”指令給伺服電機(jī)，按照前述步驟使得伺服電機(jī)回到零位。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述直線運(yùn)動的零位確認(rèn)步驟中，設(shè)定距離為-0.2m。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制裝置及方法，使得伺服電機(jī)進(jìn)行開環(huán)直線運(yùn)動，伺服電機(jī)具有力矩恒定、負(fù)載力強(qiáng)、加速度快且運(yùn)動精度高的特點(diǎn)，可以勝任大負(fù)載、長距離的高速運(yùn)動，通過在軌道兩端加裝傳感器的方法可實(shí)現(xiàn)確定運(yùn)動零位和突發(fā)情況的狀態(tài)恢復(fù)；伺服控制部分為一個整體機(jī)箱，提供AC220V電源和RS422通信即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，實(shí)現(xiàn)伺服控制的即插即用和易于使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的整體原理示意圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的伺服直線運(yùn)動部分裝配示意圖；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的減速器與伺服電機(jī)的裝配示意圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的減速器齒輪與齒條嚙合結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制裝置，包括伺服控制機(jī)箱、伺服電機(jī)、導(dǎo)軌、限位裝置；所述伺服控制機(jī)箱包括伺服控制板、伺服驅(qū)動器和用于供電的電源；所述伺服控制板上設(shè)有通信接口，用于與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)發(fā)送出來的信號；伺服控制板的輸出端分別與伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)相連，伺服驅(qū)動器的輸出端與伺服電機(jī)相連，伺服控制板發(fā)出驅(qū)動器控制信號給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器發(fā)送伺服驅(qū)動信號給旋轉(zhuǎn)電機(jī)，且伺服控制板還用于發(fā)送抱閘信號給旋轉(zhuǎn)電機(jī)；伺服電機(jī)用于安裝在待驅(qū)動的物體上；所述導(dǎo)軌用于供待驅(qū)動的物體沿其運(yùn)動；所述限位裝置安裝在導(dǎo)軌的端部，其輸出端與伺服控制板的輸入端相連。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)軌為齒條軌道；為了增大伺服電機(jī)的負(fù)載能力，所述伺服控制裝置還包括減速器，減速器的齒輪與導(dǎo)軌上的齒條嚙合，減速器與伺服控制板電連接。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述限位裝置包括一個或者兩個限位開關(guān)；當(dāng)限位裝置包括兩個限位開關(guān)時，兩個限位開關(guān)分別安裝在導(dǎo)軌的兩端。

優(yōu)選地，所述限位開關(guān)包括限位塊和與限位塊相連的機(jī)械開關(guān)。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述伺服電機(jī)的編碼線纜使用屏蔽雙絞線包裹，同時伺服電機(jī)的編碼線和驅(qū)動線使用線槽拖曳器包裹；機(jī)械開關(guān)連接線纜使用屏蔽雙絞線包裹。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述伺服控制板與伺服電機(jī)之間設(shè)有光電耦合器，用來進(jìn)行信號隔離處理；伺服控制板與伺服驅(qū)動器之間設(shè)有單端-差分芯片(優(yōu)選為AM26C31)，用于將信號轉(zhuǎn)換為差分信號。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器之間還設(shè)有光電編碼器，光電編碼器用于在伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器之間形成電流與速度閉環(huán)。

一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制方法，包括以下步驟：

步驟一、利用位于伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器間的光電編碼器在伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器之間形成電流和速度閉環(huán)，使得伺服電機(jī)具備較好的負(fù)載和加減速特性；

步驟二、設(shè)置伺服驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)，將伺服電機(jī)調(diào)整為位置環(huán)控制，使得伺服驅(qū)動器每接收一個脈沖，伺服電機(jī)運(yùn)動一個單位長度；此時伺服電機(jī)的控制類似于步進(jìn)電機(jī)；

步驟三、伺服控制板向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖和方向信號，通過調(diào)整控制脈沖的頻率和脈沖個數(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的位置和速度控制；

步驟四、伺服控制板對發(fā)向伺服驅(qū)動器的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)的方向由方向信號控制，實(shí)時計算當(dāng)前伺服電機(jī)的位置。例如：假設(shè)小車正向運(yùn)動1m，伺服控制板需發(fā)送的脈沖數(shù)為a，如果發(fā)送b個脈沖且方向信號為負(fù)，當(dāng)前位置為c，則運(yùn)動后伺服位置s＝[c-(b/a)*1]。以較小的時間間隔△t采集兩個位置s1、s2，則可計算平均速度v＝(s2-s1)/△t。取△t為極小時間(實(shí)際系統(tǒng)中取2ms)即可獲得近似實(shí)時速度。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中所述的一種開環(huán)直線運(yùn)動的伺服控制方法，還包括步驟：直線運(yùn)動的零位確認(rèn)，具體為：在調(diào)試確定伺服運(yùn)動正向和反向時，當(dāng)伺服電機(jī)開始運(yùn)動時，上位機(jī)發(fā)送“定零位”指令給伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)進(jìn)行反向或者正向開環(huán)運(yùn)動，直到壓到位于導(dǎo)軌上的反向或者正向的限位開關(guān)停止運(yùn)動，上位機(jī)通過伺服控制板接收到了限位開關(guān)發(fā)送的信號，上位機(jī)自動確認(rèn)當(dāng)前位置為設(shè)定距離，而后發(fā)送“回零”指令給伺服電機(jī)，解除限位狀態(tài)，伺服電機(jī)回到零位；在伺服電機(jī)出現(xiàn)系統(tǒng)異常而斷電的情況時，上位機(jī)發(fā)送“定零位”指令給伺服電機(jī)，按照前述步驟使得伺服電機(jī)回到零位(即伺服電機(jī)運(yùn)動，直到壓到位于導(dǎo)軌上的反向或者正向的限位開關(guān)停止運(yùn)動，上位機(jī)發(fā)送“定零位”指令給伺服電機(jī)，解除限位狀態(tài)，伺服電機(jī)回到零位)。

在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述直線運(yùn)動的零位確認(rèn)步驟中，設(shè)定距離為-0.2m，比如當(dāng)上位機(jī)自動確認(rèn)當(dāng)前位置為-0.2m，則伺服電機(jī)收到“回零”指令后，移動0.2m，即可回到零位)。

實(shí)施例一

在某XX項目中，需要在高達(dá)130米的戶外實(shí)現(xiàn)小車直線運(yùn)動，速度要求1.5m/s，負(fù)載10公斤，運(yùn)動距離12米。由于該項目整體處于戶外，各種測距傳感器工作穩(wěn)定性很難保證；由于軌道距離較長，測角多圈傳感器也很難應(yīng)用。因而采用了基于伺服的開環(huán)直線運(yùn)動方式。

圖2為伺服直線運(yùn)動部分(即伺服電機(jī)、導(dǎo)軌和限位開關(guān))裝配示意圖，軌道為齒條軌道，伺服電機(jī)及相關(guān)設(shè)備負(fù)載于小車上。如附圖3和4所示，伺服電機(jī)使用減速比為4:1的減速器增大負(fù)載能力，減速器齒輪與齒條嚙合。伺服電機(jī)的編碼線纜使用屏蔽雙絞線可提高抗干擾能力，同時伺服電機(jī)的編碼線和驅(qū)動線使用線槽拖曳器以避免線纜絞纏。

伺服導(dǎo)軌兩端均放置限位塊，用于保證伺服裝置不會脫軌?？拷尬粔K的位置安裝機(jī)械開關(guān)和電子限位開關(guān)，用于進(jìn)行電子限位和指示零位。機(jī)械開關(guān)連接線纜使用屏蔽雙絞線纜保證信號抗干擾能力。

伺服控制機(jī)箱包含伺服控制板、伺服驅(qū)動器和用于供電的電源。伺服控制板裝配在金屬屏蔽盒中增強(qiáng)抗干擾能力。伺服控制板選擇英飛凌XE167作為主控芯片，負(fù)責(zé)驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生、限位信號的處理以及與上位機(jī)的通信。伺服的限位信號發(fā)送至伺服控制板，通過消抖芯片MAX6818發(fā)送至主控芯片指示正反向限位。為了實(shí)現(xiàn)長達(dá)130m的長距離通信，采用RS422通信方式。為減少電磁干擾，伺服控制板發(fā)送至伺服電機(jī)的信號均使用光電耦合器隔離；伺服控制板發(fā)送至伺服驅(qū)動器的信號采用AM26C31轉(zhuǎn)換為差分信號。

實(shí)際使用中，該小車運(yùn)動誤差不超過1mm，最大速度為1.5m/s，當(dāng)設(shè)置最大速度為1.5m/s時，可以在7s內(nèi)完成加減速運(yùn)動跑完9m。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。