軟位置傳感器精密直線進給裝置的製作方法

2023-09-18 03:18:35

專利名稱：軟位置傳感器精密直線進給裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及進給裝置，尤其涉及一種軟位置傳感器精密直線進給裝置。
背景技術：
隨著精密製造和數控技術等先進位造技術的發展，高速、高效、高精成為當前數控設備的發展方向。長期以來，數控工具機的進給系統主要是「旋轉電機+滾珠絲槓」，這種進給系統所能達到的最高進給速度為90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同時，由於從電動機主軸到工作檯之間存在聯軸節、絲槓、螺母、軸承、支架等一系列中間環節，當進給部件要完成啟動、加減速、反轉、停車等動作時，這些機械元件產生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，會造成進給運動的滯後和其他許多非線性誤差；這些中間環節也加大了系統的慣性質量，影響了對運動指令的快速響應。另外，絲槓是細長杆，在力和熱的作用下，會產生變形，影響加工精度。
為了克服傳統進給系統的缺點，簡化工具機結構，滿足高速精密加工的要求，人們開始研究新型的進給系統，直線電機就是最有前途的快速進給系統。它取消了源動力和工作檯部件之間的一切中間傳動環節，使得工具機進給傳動鏈的長度為零，這就是所謂的「直接驅動」或「零傳動」。
在高精度的直線電機位置控制中，位置檢測是其關鍵技術之一，直接影響著控制系統的控制精度。目前廣泛運用光柵尺作為直線電機位移檢測的傳感器，並進行反饋控制。在直線電機運動時，光柵傳感器不斷地檢測直線電機的位移，產生的正交編碼脈衝信號作為位置反饋輸入到數位訊號處理晶片中，數位訊號處理晶片將直線電機預定位移和檢測到的當前位移進行比較，由控制算法給出相應電壓到功率放大器，以驅動直線電機運動。
然而，採用光柵尺作為直線電機位置傳感器具有局限性(1)光柵尺最大檢測速度小於直線電機最大速度，限制了直線進給速度的進一步提高；(2)位置傳感器增加了驅動系統尺寸，存在安裝和維護問題，降低了系統運行可靠性；(3)光柵尺抗惡劣環境能力較差，也影響了直線電機進給裝置在惡劣工業環境中的應用。4)高速高解析度位置傳感器的價格昂貴，使直線驅動裝置的成本大幅增加；因此，最好採用一種避免使用光柵或其他位置傳感器而能實現直線進給裝置的精密位置控制的位置檢測技術。

發明內容
為了實現高速度精密直線進給系統及簡化進給系統結構，本發明的目的在於提供一種軟位置傳感器精密直線進給裝置。避免使用光柵尺或其他位置傳感器，而採用電流、電壓傳感器在線檢測直線電機的電流、電壓信息，並通過數字處理晶片由軟體獲得直線進給位置信息，反饋給控制器實現位置閉環控制。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是它包括1)機械結構部件包括行程開關擋塊、直線導軌副滑塊、直線導軌、動子底板、永磁直線同步電機動子、永磁直線同步電機定子、隔磁鋁板、定子底板、行程開關。永磁直線同步電機定子通過隔磁鋁板安裝在定子底板上面中間位置，永磁直線同步電機動子底板下面與永磁直線同步電機定子對應位置裝有永磁直線同步電機動子，動子底板與定子底板兩側通過由直線導軌副滑塊和直線導軌組合的直線導軌副相連接，使永磁直線同步電機定子與永磁直線同步電機動子間保持氣隙，在動子底板與定子底板的一側分別安裝行程開關擋塊及行程開關；2)電氣電子部件包括永磁直線同步電機繞組，逆變器，系統電源，動力電源，三相功率驅動，光電隔離晶片，電壓傳感器，三個電流傳感器，數位訊號處理晶片，電源晶片，靜態隨機存儲器，電源基準晶片，鍵盤晶片，LCD液晶接口，鍵盤，LCD液晶。動力電源的正負極分別與逆變器正負極相連，逆變器的A、B、C端分別與永磁直線同步電機動子繞組的三相A、B、C端相連，並連接電纜分別穿過各自的電流傳感器，電壓傳感器的輸入端也與永磁直線同步電機的三相繞組的A、B、C端相連；電壓傳感器輸出端和三個電流傳感器的輸出端分別與數位訊號處理晶片的A/D接口端相連；數位訊號處理晶片的PWM口與光電隔離晶片的輸入口相連，光電隔離晶片的輸出口與三相功率驅動的輸入口相連，三相功率驅動的輸出口與逆變器相對應的控制輸入相連；電源晶片、靜態隨機存儲器、電源基準晶片、鍵盤晶片、LCD接口晶片分別與數位訊號處理晶片相應的接口相連。
永磁直線同步電機為短初級平板型，由動子(初級)、定子(NdFeB永磁體)組成。動子安裝在動子底板中間位置，定子通過隔磁鋁板安裝在定子底板上與動子相對應位置，動子底板與定子底板通過電機兩側的線性導軌副相連接，並使電機的定子與動子間保持一定的氣隙；在定子底板上與動子底板的一側分別安裝行程開關及擋塊，增加系統的安全性。當動子的三相繞組中通入三相對稱正弦電流後，將產生沿直線運動氣隙磁場，這個磁場與永磁體的勵磁磁場相互作用產生電磁推力，由於永磁體固定不動，電機動子通過線性導軌副沿行波磁場運動的相反方向作直線運動。
電機動子繞組的電壓和電流分別由電壓、電流傳感器在線檢測，並由數位訊號處理晶片自帶有的A/D接口轉化成數字量，通過嵌入數位訊號處理晶片的軟體運算獲得直線進給位置信息，和設定值比較並計算獲得控制量，由PWM信號通過光電隔離經三相功率驅動電路至逆變器，並由逆變器產生永磁直線同步電機的控制電流實現位置閉環控制。直線進給位置可由鍵盤設定，並可由液晶顯示數值。
本發明具有的有益的效果是為了實現高精度、高速度直線進給系統，本發明採用軟位置傳感器永磁直線同步電機作為直線運動的驅動裝置，不僅使進給系統的機械機構大為簡化，而且避免使用光柵尺或其他位置傳感器，有利於進給系統的運動速度提高，改善系統的動態響應特性，並有利於直線電機進給驅動裝置在惡劣環境的工業現場使用，並且行程可根據設計指標增加或減少永磁體塊，不受限制，為解決高速、精度直線運動機構提供了一種新裝置。


圖1是本發明的結構原理示意圖；圖2是永磁直線同步電機結構A-A剖視圖；圖3是本發明的軟位置傳感器原理圖。
圖1、圖2中1-行程開關擋塊，2-直線導軌副滑塊，3-直線導軌，4-動子底板，5-動子(初級)，6-定子(NdFeB永磁體)，7-隔磁鋁板，8-楔形壓塊，9-定子底板，10-行程開關。
圖3中A1-永磁直線同步電機動子繞組，A2-逆變器，A3-系統電源，A4-動力電源，A5-三相功率驅動，A6-光電隔離晶片，B1-電壓傳感器，B2，B3，B4-電流傳感器，B5-數位訊號處理晶片，B6-電源晶片，B7-靜態隨機存儲器，B8-電源基準晶片，B9-鍵盤晶片，B10-LCD接口，B11-鍵盤，B12-LCD液晶。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發明的機械結構部件包括行程開關擋塊1、直線導軌副滑塊2、直線導軌3、動子底板4、永磁直線同步電機動子5、永磁直線同步電機定子6、隔磁鋁板7、定子底板9、行程開關10；永磁直線同步電機定子6通過隔磁鋁板7安裝在定子底板9上面中間位置，永磁直線同步電機動子底板4下面與永磁直線同步電機定子6對應位置裝有永磁直線同步電機動子5，動子底板4與定子底板9兩側通過由直線導軌副滑塊2和直線導軌3組合的直線導軌副相連接，使永磁直線同步電機定子6與永磁直線同步電機動子5間保持氣隙，在動子底板4與定子底板11的一側分別安裝行程開關擋塊1及行程開關10。當動子的三相繞組中通入三相對稱正弦電流後，將產生沿直線運動氣隙磁場，這個磁場與永磁體的勵磁磁場相互作用產生電磁推力，由於永磁體固定不動，電機動子通過線性導軌副沿行波磁場運動的相反方向作直線運動。
如圖3所示，本發明的電氣電子部件包括永磁直線同步電機繞組A1，逆變器A2，系統電源A3，動力電源A4，三相功率驅動A5，光電隔離晶片A6，電壓傳感器B1，三個電流傳感器B2、B3、B4，數位訊號處理晶片B5，電源晶片B6，靜態隨機存儲器B7，電源基準晶片B8，鍵盤晶片B9，LCD液晶接口B10，鍵盤B11，LCD液晶B12。動力電源A4的正負極分別與逆變器A2正負極相連，逆變器A2的A、B、C端分別與永磁直線同步電機動子繞組A1的三相A、B、C端相連，並連接電纜分別穿過各自的電流傳感器B2、B3、B4，電壓傳感器B1的輸入端也與永磁直線同步電機A1的三相繞組的A、B、C端相連；電壓傳感器B1輸出端和三個電流傳感器B2、B3、B4的輸出端分別與數位訊號處理晶片B5的A/D接口端相連；數位訊號處理晶片B5的PWM口與光電隔離晶片A6的輸入口相連，光電隔離晶片A6的輸出口與三相功率驅動A5的輸入口相連，三相功率驅動A5的輸出口與逆變器A2相對應的控制輸入相連；電源晶片B6、靜態隨機存儲器B7、電源基準晶片B8、鍵盤晶片B9、LCD接口晶片B10分別與數位訊號處理晶片B5相應的接口相連。
以上所說的三相功率驅動A5為IR2331，光電隔離晶片A6為6N137，逆變器A2為IRFR254，電壓傳感器B1為WB3V412，電流傳感器B2、B3、B4為WB11412，數位訊號處理晶片B5為TMS320F2812，電源晶片B6為TPS767D318，靜態隨機存儲器B7為IDT71V424，電源基準晶片B8為REF3033，鍵盤晶片B9為82C79。
本發明的工作方式如下永磁直線同步電機定子6通過隔磁鋁板7安裝在定子底板9上面中間位置，永磁直線同步電機動子底板4下面與永磁直線同步電機定子6對應位置裝有永磁直線同步電機動子5，動子底板4與定子底板9兩側通過由直線導軌副滑塊2和直線導軌3組合的直線導軌副相連接，使永磁直線同步電機定子6與永磁直線同步電機動子5間保持氣隙，直線導軌3用楔形壓塊8壓緊，在動子底板4與定子底板9的一側分別安裝行程開關擋塊1及行程開關10。動力電源A4的正負極分別與逆變器正負極相連，逆變器A2的A、B、C端分別與永磁直線同步電機動子繞組A1的三相A、B、C端相連，並連接電纜分別穿過電流傳感器B2、B3、B4，電壓傳感器B1的輸入端也與永磁直線同步電機A1的三相繞組的A、B、C端相連。電壓傳感器B1輸出端和電流傳感器B2、B3、B4的輸出端與數位訊號處理晶片B5的A/D接口端相連。數位訊號處理晶片B5的PWM口與光電隔離晶片A6的輸入口相連，光電隔離晶片A6的輸出口與三相功率驅動A5的輸入口相連，三相功率驅動A5的輸出口與逆變器A2相對應的控制輸入相連。電源晶片B6、靜態隨機存儲器B7、電源基準晶片B8、鍵盤晶片B9、LCD接口晶片B10分別與數位訊號處理晶片相應的接口相連。
電源晶片B6提供數位訊號處理晶片B5電源，電源基準晶片B8提供數位訊號處理晶片B5的基準電壓。靜態隨機存儲器B7存放數位訊號處理晶片B5的數據和程序。系統電源A3提供數位訊號處理晶片系統的電源，動力電源A4提供逆變器A2的電源。直線進給位置可由鍵盤B11設定，液晶B12顯示位置數值。
在直線電機動子5靜止時，由數位訊號處理晶片B5產生PWM信號經光電隔離A6並經三相功率驅動A5控制逆變器A2產生一適當大小的恆定直流電壓依次輪換地加到動子繞組A1的兩相上，直線電機動子繞組A1的電壓和電流分別由電壓傳感器B1、電流傳感器B2、B3、B4在線檢測，並由數位訊號處理晶片B5自帶有的A/D接口轉化成數字量，最後通過分析這些數據即可求出這三相繞組的串聯電感。此時繞組端施加的電壓不能太大，應該保證電機動子在該電壓下靜止不動。測出某一動子位置下對應的三個串聯線電感值後，由數位訊號處理晶片軟體獲得初始位置。
在直線電機動子5運動過程中，直線電機動子繞組A1的電壓和電流分別由電壓傳感器B1、電流傳感器B2、B3、B4在線檢測，並由數位訊號處理晶片B5自帶有的A/D接口轉化成數字量，通過嵌入數位訊號處理晶片B5的軟體運算獲得直線進給位置信息，和設定值比較並計算獲得控制量，由PWM信號通過光電隔離A6經三相功率驅動電路A5控制逆變器A2，並由逆變器A2產生永磁直線同步電機的控制電流實現位置閉環控制。
此外，為了提高軟位置傳感器實時檢測的精度，可採用納米級的雷射幹涉儀進行逐點對比測量，所得誤差用於數位訊號處理晶片軟體算法的修正，實現更高的軟位置傳感器精度。同時，為了提高進給系統的安全性，不僅在軟體上設置位置極限開關，而且在直線進給裝置上安裝物理行程開關，確保工作人員及財產安全。
權利要求
1.一種軟位置傳感器精密直線進給裝置，其特徵在於包括1)機械結構部件包括行程開關擋塊(1)、直線導軌副滑塊(2)、直線導軌(3)、動子底板(4)、永磁直線同步電機動子(5)、永磁直線同步電機定子(6)、隔磁鋁板(7)、定子底板(9)、行程開關(10)；永磁直線同步電機定子(6)通過隔磁鋁板(7)安裝在定子底板(9)上面中間位置，永磁直線同步電機動子底板(4)下面與永磁直線同步電機定子(6)對應位置裝有永磁直線同步電機動子(5)，動子底板(4)與定子底板(9)兩側通過由直線導軌副滑塊(2)和直線導軌(3)組合的直線導軌副相連接，使永磁直線同步電機定子(6)與永磁直線同步電機動子(5)間保持氣隙，在動子底板(4)與定子底板(11)的一側分別安裝行程開關擋塊(1)及行程開關(10)；2)電氣電子部件包括永磁直線同步電機繞組(A1)，逆變器(A2)，系統電源(A3)，動力電源(A4)，三相功率驅動(A5)，光電隔離晶片(A6)，電壓傳感器(B1)，三個電流傳感器(B2、B3、B4)，數位訊號處理晶片(B5)，電源晶片(B6)，靜態隨機存儲器(B7)，電源基準晶片(B8)，鍵盤晶片(B9)，LCD液晶接口(B10)，鍵盤(B11)，LCD液晶(B12)；動力電源(A4)的正負極分別與逆變器(A2)正負極相連，逆變器(A2)的A、B、C端分別與永磁直線同步電機動子繞組(A1)的三相A、B、C端相連，並連接電纜分別穿過各自的電流傳感器(B2、B3、B4)，電壓傳感器(B1)的輸入端也與永磁直線同步電機(A1)的三相繞組的A、B、C端相連；電壓傳感器(B1)輸出端和三個電流傳感器(B2、B3、B4)的輸出端分別與數位訊號處理晶片(B5)的A/D接口端相連；數位訊號處理晶片(B5)的PWM口與光電隔離晶片(A6)的輸入口相連，光電隔離晶片(A6)的輸出口與三相功率驅動(A5)的輸入口相連，三相功率驅動(A5)的輸出口與逆變器(A2)相對應的控制輸入相連；電源晶片(B6)、靜態隨機存儲器(B7)、電源基準晶片(B8)、鍵盤晶片(B9)、LCD接口晶片(B10)分別與數位訊號處理晶片(B5)相應的接口相連。
2.根據權利要求1所述的一種軟位置傳感器精密直線進給裝置，其特徵在於所說的三相功率驅動(A5)為IR2331，光電隔離晶片(A6)為6N137，逆變器(A2)為IRFR254，電壓傳感器(B1)為WB3V412，電流傳感器(B2、B3、B4)為WB11412，數位訊號處理晶片(B5)為TMS320F2812，電源晶片(B6)為TPS767D318，靜態隨機存儲器(B7)為IDT71V424，電源基準晶片(B8)為REF3033，鍵盤晶片(B9)為82C79。
全文摘要
本發明公開了一種軟位置傳感器精密直線進給裝置。永磁直線同步電機定子通過隔磁鋁板安裝在定子底板上，永磁直線同步電機動子底板下面與永磁直線同步電機定子對應位置，裝有永磁直線同步電機動子，動子底板與定子底板兩側通過由直線導軌副滑塊和直線導軌組合的直線導軌副相連接，使永磁直線同步電機定子與永磁直線同步電機動子間保持氣隙，在動子底板與定子底板的一側分別安裝行程開關擋塊及行程開關。本發明採用軟位置傳感器永磁直線同步電機作為直線運動的驅動裝置，使進給系統的機械機構大為簡化，無需光柵尺或其他位置傳感器，極有利於進給系統的運動速度提高，改善系統的動態響應特性，並有利於直線電機進給驅動裝置在惡劣環境的工業現場使用。
文檔編號G05D3/12GK1588259SQ20041005276
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月9日 優先權日2004年7月9日
發明者傅建中, 陳子辰, 徐月同, 餘佩瓊 申請人:浙江大學