一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置及方法

一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置及方法
【申请(专利)号：CN201810658168.X；申请权利人：华南理工大学;发明设计人：邱志成; 梁浩阳;】

摘要：
本发明公开了一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置及方法，包括直线移动机构部分、旋转运动机构部分、拉力检测部分和控制部分；所述的直线移动机构部分利用同步带和同步带轮保持两完全一致的导轨机构的滑块等速直线移动，同时放置在滑块上的转动机构部分随之转动以卷开薄膜材料，通过拉力检测部分检测薄膜受到的拉力，最后控制部分调节转动机构部分的转速使薄膜材料卷开时受到的拉力处于合适范围内。该装置可实现直线移动和旋转运动速率匹配，让薄膜材料时刻处于合适的拉力范围之内。

主权项：
1.一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置，其特征在于，包括直线移动机构部分、旋转运动机构部分、拉力检测部分及控制部分；所述直线移动机构部分包括第一伺服电机、第一减速机、两个移动装置、第一同步带轮、第二同步带轮及同步带；两个移动装置平行设置在实验台上，第一伺服电机的输出轴与第一减速机的输入端连接，第一减速机的输出端与其中一个移动装置一端连接，该移动装置的末端通过第一同步带轮与同步带连接，另一个移动装置的末端通过第二同步带轮与同步带连接，同步带带动第一及第二同步带轮同步旋转；所述旋转运动机构部分包括平台、第二伺服电机、第二减速机及滚筒，所述平台固定在两个移动装置上，滚筒的两端通过轴承座固定在平台上，所述第二伺服电机与第二减速机的输入端连接， 第二减速机的输出端与滚筒一端连接驱动滚筒的旋转运动；所述拉力检测部分包括薄膜材料、固定板及拉力传感器，所述薄膜材料的一端卷绕在滚筒的中心轴段，其另一端固定在型板上，在型板及固定板之间设置拉力传感器，用于检测薄膜材料的拉力变化；所述控制部分：包括计算机、运动控制卡、伺服电机驱动器I及伺服电机驱动器II，所述计算机与运动控制卡连接，拉力传感器与运动控制卡连接，运动控制卡分别与伺服电机驱动器I及伺服电机驱动器II连接，进一步驱动第一伺服电机及第二伺服电机转动；两个移动装置分别为第一移动装置及第二移动装置，均包括滑块、导轨及丝杆；第一移动装置中，第一伺服电机的主轴运动经过第一减速机减速传给丝杆，丝杆的旋转运动转化滑块在导轨上运动，第二移动装置中，同步带轮带动丝杆旋转，丝杆的旋转运动转化滑块在导轨上运动；所述型板为L型板，薄膜材料的末端通过用三个材料一致的铁钩固定在L型板短边，拉力传感器的一端固定在L型板的长边，拉力传感器的另一端固定在固定板上；所述拉力传感器、铁钩均为三个，相邻中心线的距离为92.5mm。

要求：
1.一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置，其特征在于，包括直线移动机构部分、旋转运动机构部分、拉力检测部分及控制部分；

所述直线移动机构部分包括第一伺服电机、第一减速机、两个移动装置、第一同步带轮、第二同步带轮及同步带；

两个移动装置平行设置在实验台上，第一伺服电机的输出轴与第一减速机的输入端连接，第一减速机的输出端与其中一个移动装置一端连接，该移动装置的末端通过第一同步带轮与同步带连接，另一个移动装置的末端通过第二同步带轮与同步带连接，同步带带动第一及第二同步带轮同步旋转；

所述旋转运动机构部分包括平台、第二伺服电机、第二减速机及滚筒，所述平台固定在两个移动装置上，滚筒的两端通过轴承座固定在平台上，所述第二伺服电机与第二减速机的输入端连接， 第二减速机的输出端与滚筒一端连接驱动滚筒的旋转运动；

所述拉力检测部分包括薄膜材料、固定板及拉力传感器，所述薄膜材料的一端卷绕在滚筒的中心轴段，其另一端固定在型板上，在型板及固定板之间设置拉力传感器，用于检测薄膜材料的拉力变化；

所述控制部分：

包括计算机、运动控制卡、伺服电机驱动器I及伺服电机驱动器II，所述计算机与运动控制卡连接，拉力传感器与运动控制卡连接，运动控制卡分别与伺服电机驱动器I及伺服电机驱动器II连接，进一步驱动第一伺服电机及第二伺服电机转动；

两个移动装置分别为第一移动装置及第二移动装置，均包括滑块、导轨及丝杆；

第一移动装置中，第一伺服电机的主轴运动经过第一减速机减速传给丝杆，丝杆的旋转运动转化滑块在导轨上运动，

第二移动装置中，同步带轮带动丝杆旋转，丝杆的旋转运动转化滑块在导轨上运动；

所述型板为L型板，薄膜材料的末端通过用三个材料一致的铁钩固定在L型板短边，拉力传感器的一端固定在L型板的长边，拉力传感器的另一端固定在固定板上；

所述拉力传感器、铁钩均为三个，相邻中心线的距离为92.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种旋转运动和直线 移动的同步运动控制装置，其特征在于，所述薄膜材料为铜铟镓硒电池板。

3.根据权利要求1所述的一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置，其特征在于，所述薄膜材料的末端开有三个矩形孔用于挂住铁钩。

4.应用权利要求1所述的一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用伺服电机驱动器I驱动第一伺服电机使两个移动装置实现直线移动，同步移动的两个滑块带动旋转运动机构整体移动；

利用拉力传感器分别检测L型板的拉力，得到相应的测量信号；通过运动控制卡将模拟信号转换数字信号，并输入到计算机中；

计算机进行相应的控制算法得到相应的拉力反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，输出伺服电机驱动器II，使第二伺服电机调节滚筒的转动，精确控制薄膜材料受到的压力。

一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置及方法
技术领域

本发明涉及同步运动控制领域，具体涉及一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置及方法。

背景技术

为应对人类对未知太空的探索，航天航空的研究方向正快速发展。为应对恶劣的太空环境(如低温、宇宙辐射强)，还有设备供能存在困难，人类对所需的更轻、更大、更强的航天器提出了更高的要求。而目前科技前沿是有关航天器太阳能帆板的展开机构，这其中涉及展开臂的直线移动的同步、展开臂直线移动和薄膜太阳能电池卷开时旋转运动的同步、刚性结构运动和柔性结构运动的同步等。如果展开臂直线移动和薄膜太阳能电池卷开时旋转运动不同步或同步效果差，将可能导致薄膜太阳能电池被拉断或自由悬浮在太空中，这直接导致各种资源的浪费。

同步带和同步带轮组成的同步带传动机构综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点，用于机械设计具有一定的优势，如传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；传动效率高，节能效果明显；维护保养方便，不需润滑，维护费用低。

拉力传感器越来越被开发出新的用途，目前较先进的想法是将采集的拉力信号用于同步控制方面，其具有一定的优势，如精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。但是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，可采取一定的补偿措施。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的一个目的是提供一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置。

本发明的另一个目的是提供一种旋转运动和直线移动的同步运动控制方法，本发明充分考虑了高负载对导轨滑块直线移动和薄膜材料卷开时所受拉力变化的影响。

本发明采用如下技术方案：

一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置，包括直线移动机构部分、旋转运动机构部分、拉力检测部分及控制部分；

所述直线移动机构部分包括第一伺服电机、第一减速机、两个移动装置、第一同步带轮、第二同步带轮及同步带；

两个移动装置平行设置在实验台上，第一伺服电机的输出轴与第一减速机的输入端连接，第一减速机的输出端与其中一个移动装置一端连接，该移动装置的末端通过第一同步带轮与同步带连接，另一个移动装置的末端通过第二同步带轮与同步带连接，同步带带动第一及第二同步带轮同步旋转；

所述旋转运动机构部分包括平台、第二伺服电机、第二减速机及滚筒，所述平台固定在两个移动装置上，滚筒的两端通过轴承座固定在平台上，所述第二伺服电机与第二减速机的输入端连接，第二减速机的输出端与滚筒一端连接驱动滚筒的旋转运动；

所述拉力检测部分包括薄膜材料、固定板及拉力传感器，所述薄膜材料的一端卷绕在滚筒的中心轴段，其另一端固定在型板上，在型板及固定板之间设置拉力传感器，用于检测薄膜材料的拉力变化；

所述控制部分：

包括计算机、运动控制卡、伺服电机驱动器I及伺服电机驱动器II，所述计算机与运动控制卡连接，拉力传感器与运动控制卡连接，运动控制卡分别与伺服电机驱动器I及伺服电机驱动器II连接，进一步驱动第一伺服电机及第二伺服电机转动。

两个移动装置分别为第一移动装置及第二移动装置，均包括滑块、导轨及丝杆；

第一移动装置中，第一伺服电机的主轴运动经过第一减速机减速传给丝杆，丝杆的旋转运动转化滑块在导轨上运动，

第二移动装置中，同步带轮带动丝杆旋转，丝杆的旋转运动转化滑块在导轨上运动。

所述型板为L型板，薄膜材料的末端通过用三个材料一致的铁钩固定在L型板短边，拉力传感器的一端固定在L型板的长边，拉力传感器的另一端固定在固定板上。

所述拉力传感器、铁钩均为三个，相邻中心线的距离为92.5mm。

所述薄膜材料为铜铟镓硒电池板。

所述薄膜材料的末端开有三个矩形孔用于挂住铁钩。

一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置的方法，包括如下步骤：

利用伺服电机驱动器I驱动第一伺服电机使两个移动装置实现直线移动，同步移动的两个滑块带动旋转运动机构整体移动；

利用拉力传感器分别检测L型板的拉力，得到相应的测量信号；通过运动控制卡将模拟信号转换数字信号，并输入到计算机中；

计算机进行相应的控制算法得到相应的拉力反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，输出伺服电机驱动器II，使第二伺服电机调节滚筒的转动，精确控制薄膜材料受到的压力。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用双导轨机构，能有效减轻平台及其上方所有零件对滑块的负载，使直线移动更准确高效。

(2)本发明采用同步带和同步带轮将两导轨机构建立联系，使两边滑块直线移动同步，从而使平台及转动机构水平稳定直线移动，为旋转运动的同步做好基础。

(3)本发明中所述实验装置采用了同步带传动，相比于带传动、链传动和齿轮传动，它具有传动准确、传动平稳、传动效率高、速比范围大、维护保养方便、预紧力小、轴和轴承上承受载荷小、可用于长距离传动等优点。

(4)本发明使用拉力传感器检测薄膜材料所受到的拉力作为控制信号，这种检测方式直观高效，有利于提高控制效果。

(5)本发明采用拉力信号反馈出旋转运动转速，从而调节拉力，这种控制方式比较新颖，能为同步控制领域提供一种新的思路。

附图说明

图1是一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置的总体结构示意图；

图2是转动机构的结构示意图；

图3是直线移动机构的俯视图；

图4是拉力检测机构的主视图；

图5是实验装置的同步控制流程框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图5所示，一种旋转运动和直线移动的同步运动控制装置，包括直线移动机构部分、旋转运动机构部分、拉力检测部分及控制部分。

所述直线移动机构部分包括

第一伺服电机1、第一减速机2、第一联轴器3、第一导轨5、第二导轨27、第一滑块6、第二滑块26、第一丝杆14、第二丝杆22、第一支撑座4、第二支撑座29、第一支座16、第二支座20、第一同步带轮17、第二同步带轮19和同步带18。

所述第一伺服电机的输出轴与第一减速机的输入端连接，两者的壳体螺栓连接并共同固定在实验台25上，第一联轴器把第一减速机的输出轴与第一丝杆同心连接，第一丝杆置于第一支撑座4和第一支座6内，第一滑块安装在第一导轨上，第一丝杆末端轴与第一同步带轮17固定。

第二丝杆22置于第二支撑座27和第二支座20内，第二滑块安装在第二导轨27上，第一导轨和第二导轨平行布置固定在实验台上，且第一滑块相对于第一导轨的位置与第二滑块相对于第二导轨的位置完全一致。

第二丝杆的末端轴与第二同步带轮19固定，第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带形成连接，本机构的两导轨、两丝杆、两滑块、两同步带轮、两支撑座和两支座的型号完全一致；第一伺服电机的主轴转动经第一减速机减速后，将力矩通过第一联轴器3传给第一丝杆14，第一丝杆14的旋转运动转化为第一滑块在第一导轨的直线移动，同时，第一丝杆14末端通过第二联轴器15与第一同步带轮17同步转动，同步带将第一同步带轮和第二同步带轮同步旋转，第二同步带轮也通过第三联轴器21与第二丝杆22同步转动，从而第二丝杆的旋转运动转化为第二滑块26在第二导轨上的直线移动。

所述旋转运动机构部分，包括平台7、第二伺服电机9、第二减速机8、第四联轴器10、第一轴承座11、第一轴承12、滚筒13、第二轴承座23和第二轴承24；

平台固定在第一滑块和第二滑块上，第二伺服电机的输出轴与第二减速机的输入端连接，两者的壳体用螺栓固定并固定在平台上。第四联轴器把第二减速机输出轴与滚筒一端轴同心连接，滚筒两端轴安装在第一轴承12和第二轴承24，两轴承分别安装在第一轴承座和第二轴承座内，两个轴承座固定在平台上，第二伺服电机的主轴经第二减速机8的减速，将力矩通过第四联轴器传到滚筒，实现滚筒的旋转运动。

利用第一伺服电机使直线移动机构实现直线移动，第一滑块和第二滑块带动旋转运动机构整体直线移动，三个拉力传感器检测L型板的拉力，得到测量信号，通过运动控制卡传输到计算机中，计算机得到拉力反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，输出到伺服电机驱动器II中进行响应，驱动第二伺服电机II以调节滚筒的转速，最终精确控制了薄膜材料受到的拉力，通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到直线移动与旋转运动同步控制效果。

所述拉力检测部分包括薄膜材料28、L型板31、铁钩32、拉力传感器33和固定板30。

薄膜材料卷绕在滚筒中心轴段，且在末端开出三个尺寸完全一致的矩形孔，三个孔分别用三个材料、尺寸完全一致的铁钩挂住，三个铁钩均焊接在L型板短边一端，三个拉力传感器的一端的螺纹孔分别与L型板长边一端螺栓固定，三个拉力传感器的另一端沟槽均嵌在固定板上，拉力传感器用于检测薄膜材料的压力，其中各矩形孔、铁钩和拉力传感器的相邻中心线距离为92.2mm。

控制部分包括：

两个尺寸、型号完全一致的伺服驱动器，分别为伺服电机驱动器I34和伺服电机驱动器II37，伺服电机驱动器I接线到第一伺服电机驱动电机转动，伺服电机驱动器II接线到第二伺服电机驱动电机转动；3个拉力传感器接线到运动控制卡36上，将检测的拉力信号传输到运动控制卡36进行信号处理，如A/D转换等；运动控制卡36再将信号传输到计算机35进行控制算法运算，将得到的结果传回运动控制卡进行信号处理，如D/A转换等，再将信号传给伺服电机驱动器II以驱动第二伺服电机调节滚筒13转速，而滚筒13转速影响着薄膜材料28与拉力传感器33之间的拉力，最终反馈到拉力传感器33，使拉力改变。

直线移动机构部分包括两边对称布置的完全一致的导轨、丝杆、滑块用同步带轮和同步带连接以实现一致的直线移动；该装置能够用于分散平台及其上面所有部分对滑块及导轨的受力，延长导轨滑块等零件的使用寿命，并有利于与旋转运动的同步。

三个矩形孔，其中心线相邻间隔为92.5mm；穿过三个矩形孔的3个铁钩，其中心线相邻间隔为92.5mm；3个拉力传感器固定在固定板上，其中心线相邻间隔为92.5mm，可用于检测薄膜材料的拉力信息，作为反馈信号输入到计算机。

所述的直线移动与旋转运动同步具体包括薄膜材料卷绕在滚筒上，随着平台带动滚筒直线移动，滚筒也要以一定合适的转速卷开薄膜材料，使薄膜材料受到的拉力在合适范围内，实现同步直线移动与旋转运动的同步。

本发明利用伺服电机驱动器I驱动第一伺服电机使两个移动装置实现直线移动，同步移动的两个滑块带动旋转运动机构整体移动；

利用拉力传感器分别检测L型板的拉力，得到相应的测量信号；通过运动控制卡将模拟信号转换数字信号，并输入到计算机中；

计算机进行相应的控制算法得到相应的拉力反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，输出伺服电机驱动器II，使第二伺服电机调节滚筒的转动，精确控制薄膜材料受到的压力。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中，第一伺服电机和第二伺服电机均采用安川品牌的SGMAH-04AAA2S型伺服电机，额定电压为交流200V，输出功率为400W。减速机均采用星卡品牌的PX60-5-S1-P2行星减速机，减速比为5，0.18kg.cm2的转动惯量，46.32Nm的输出力矩。伺服电机驱动器均采用星卡品牌的型号为SGDM-04ADA的伺服驱动器，其最大适配电机容量为400W，额定电压200V，连续输出电流2.8Arms，输入电源对于主回路和控制回路都是单相AC200-230V，采用单相全波整流IGBT PWM控制，正弦波电流驱动方式，驱动器内自带串行编码器作反馈。计算机的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可安装运动控制器。两个丝杆均采用米思米品牌的公称直径20mm，导程10mm，精度等级C5的滚珠丝杆。导轨、滑块、丝杆、支撑座组成的单轴组件均为米思米品牌的型号为KUT2020L-820-200-B1。联轴器均采用米思米品牌的膜片式双膜片型联轴器，型号为GCPSWRK33-12-16，轴孔径分别为12mm和16mm。轴承均为型号16001的深沟球轴承。轴承座均为型号205的轴承座。3个拉力传感器均为XNSENSOR品牌的MLC302拉力传感器，额定载荷为20kg，灵敏度为2.0m V/V。同步带轮均采用米思米的型号为TTPK44T10500-B-P12的T10型同步带轮，轴孔直径为12mm,齿数为44齿。实验台的长宽高尺寸分别为1600mm，1200mm和1166mm，是由铝型材组装而成，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。平台是一块长宽高分别800mm，200mm和10mm的铝型材板。薄膜材料选用的是铜铟镓硒电池板。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。