一種用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【專利摘要】一種用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置及測(cè)量方法,屬于全物理仿真測(cè)量領(lǐng)域。所述測(cè)量裝置由氣路部分、垂向運(yùn)動(dòng)部分、測(cè)量部分和測(cè)量補(bǔ)償部分構(gòu)成。本發(fā)明氣路部分通過調(diào)整氣壓補(bǔ)償垂向重力,垂向運(yùn)動(dòng)部分通過控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)帶動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)垂向運(yùn)動(dòng),測(cè)量部分通過直線光柵測(cè)得未補(bǔ)償前的位移,測(cè)量補(bǔ)償部分通過控制補(bǔ)償直線電機(jī)帶動(dòng)電容傳感器基板運(yùn)動(dòng)到未補(bǔ)償前的位移附近,通過使用激光干涉儀標(biāo)定后的直線光柵,使電容傳感器補(bǔ)償直線光柵的測(cè)量誤差。從而提高了測(cè)量裝置的分辨率。相比于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于全物理仿真測(cè)量領(lǐng)域,涉及一種環(huán)境受限的高精度伺服機(jī)構(gòu)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)今時(shí)代,各國(guó)紛紛搶占太空資源,航空航天技術(shù)不斷發(fā)展,同時(shí)也帶動(dòng)了仿真領(lǐng)域的不斷進(jìn)步。全物理仿真是航天器投入使用前必須進(jìn)行的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何更好的模擬外太空的無摩擦微重力的復(fù)雜環(huán)境,并在此條件下,如何提高航天設(shè)備的精度都是全物理仿真領(lǐng)域必須要解決的重點(diǎn)問題。
[0003]201020135260.7公開了一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的氣懸浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái),在花崗巖基座上設(shè)置有Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái),采用承重氣墊使平臺(tái)氣浮,并通過直線電機(jī)控制其水平面上運(yùn)動(dòng),只采用直線光柵測(cè)量其位移,降低了控制精度,限制了使用范圍。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了在某些不適合高精度傳感器安裝的環(huán)境下提高其測(cè)量精度,本發(fā)明提供了 一種用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置及測(cè)量方法,采用直線光柵和電容傳感器復(fù)合測(cè)量,通過直線光柵測(cè)量其運(yùn)動(dòng)控制位移粗略值,再通過控制電容傳感器基板位置達(dá)到某一經(jīng)過標(biāo)定的直線光柵位移處,通過調(diào)整電容傳感器的位移量提高運(yùn)動(dòng)控制的分辨率。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置,包括氣路部分、垂向運(yùn)動(dòng)部分、測(cè)量部分和測(cè)量補(bǔ)償部分,其中:
[0007]所述的的垂向運(yùn)動(dòng)部分由基座、內(nèi)套筒、外套筒、上平面、運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)以及垂向運(yùn)動(dòng)控制器組成;內(nèi)套筒的下端與基座無縫固聯(lián),外套筒的上端與上平面無縫固聯(lián),外套筒的下端套于內(nèi)套筒上部的外面,內(nèi)套筒與外套筒之間可以微小摩擦相互滑動(dòng),運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)的定子固聯(lián)在內(nèi)套筒中,運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)的動(dòng)子一端與上平面固聯(lián),垂向運(yùn)動(dòng)控制器固定在定子上,通過垂向運(yùn)動(dòng)控制器控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)垂向運(yùn)動(dòng);
[0008]所述的氣路部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分外部,由高壓氣瓶、開關(guān)閥、比例閥、氣壓控制器組成,高壓氣瓶安裝在基座上面,高壓氣瓶與內(nèi)套筒之間連接有開關(guān)閥,比例閥與內(nèi)套筒相連,氣壓控制器與比例閥連接,高壓氣瓶為氣源,通過開關(guān)閥為機(jī)構(gòu)內(nèi)部提供高壓氣體,比例閥為排氣閥,通過氣壓控制器控制其排出腔內(nèi)氣體,各部件之間通過耐壓管線連接;
[0009]所述的測(cè)量部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部,由直線光柵和測(cè)量讀數(shù)頭組成,直線光柵固聯(lián)在外套筒的內(nèi)側(cè)壁上,測(cè)量讀數(shù)頭固定在運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子的頂端;
[0010]所述的測(cè)量補(bǔ)償部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部,由補(bǔ)償直線電機(jī)、讀數(shù)頭、電容傳感器、電容傳感器基板和測(cè)量補(bǔ)償控制器組成,補(bǔ)償直線電機(jī)的定子固聯(lián)在內(nèi)套筒中,讀數(shù)頭固定在補(bǔ)償直線電機(jī)定子的頂端,測(cè)量補(bǔ)償控制器固定在補(bǔ)償直線電機(jī)的定子上,電容傳感器與電容傳感器基板正面平行相對(duì),電容傳感器基板固定在補(bǔ)償直線電機(jī)的動(dòng)子頂端,通過測(cè)量補(bǔ)償控制器控制補(bǔ)償直線電機(jī)垂向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償位移。
[0011]本發(fā)明中,內(nèi)外套筒之間通過形成氣膜以微小摩擦運(yùn)動(dòng)。
[0012]本發(fā)明中,在機(jī)構(gòu)安裝完成后,用高精度的激光干涉儀對(duì)直線光柵進(jìn)行標(biāo)定。
[0013]利用上述測(cè)量裝置進(jìn)行位移測(cè)量的方法,具體步驟如下:
[0014]一、在測(cè)量裝置安裝完成后,通過高精度的激光干涉儀對(duì)直線光柵進(jìn)行標(biāo)定,減小了直線光柵制造中產(chǎn)生的非線性因素;
[0015]二、打開開關(guān)閥,通過高壓氣瓶為內(nèi)套筒腔部提供恒壓氣體,并通過氣壓控制器調(diào)節(jié)比例閥開度使外套筒部分得到重力補(bǔ)償,同時(shí)氣壓在內(nèi)外套筒之間形成氣膜,保證其可以相對(duì)微小摩擦運(yùn)動(dòng),減輕了直線電機(jī)的負(fù)重;
[0016]三、垂向運(yùn)動(dòng)部分通過控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)帶動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)垂向運(yùn)動(dòng),在控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)達(dá)到目標(biāo)位置的過程中,當(dāng)達(dá)到直線光柵的測(cè)量精度以后,暫停運(yùn)動(dòng)直線電機(jī),然后控制補(bǔ)償直線電機(jī)帶動(dòng)電容傳感器的基板運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置的上一個(gè)經(jīng)過激光干涉儀標(biāo)定的直線光柵位移處,然后以此為電容傳感器的基板位置,控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng),通過電容傳感器測(cè)得的位移量對(duì)實(shí)際位置進(jìn)行精調(diào),達(dá)到測(cè)量精度后,標(biāo)定后的基板位移值和電容傳感器的位移值之和即是最終的實(shí)際位移。此位移值相對(duì)于只使用直線光柵測(cè)得的位移值有更高的分辨率。
[0017]本發(fā)明氣路部分通過調(diào)整氣壓補(bǔ)償垂向重力,垂向運(yùn)動(dòng)部分通過控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)帶動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)垂向運(yùn)動(dòng),測(cè)量部分通過直線光柵測(cè)得未補(bǔ)償前的位移,測(cè)量補(bǔ)償部分通過控制補(bǔ)償直線電機(jī)帶動(dòng)電容傳感器基板運(yùn)動(dòng)到未補(bǔ)償前的位移附近,通過使用激光干涉儀標(biāo)定后的直線光柵,使電容傳感器補(bǔ)償直線光柵的測(cè)量誤差。從而提高了測(cè)量裝置的分辨率。相比于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明,但并不局限如此,凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍,均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0020]如圖1所示,本發(fā)明提供的用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置包括氣路部分,垂向運(yùn)動(dòng)部分,測(cè)量部分和測(cè)量補(bǔ)償部分,其中:
[0021]垂向運(yùn)動(dòng)部分由基座9、內(nèi)套筒4、外套筒3、上平面2、運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子10、運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子12以及垂向運(yùn)動(dòng)控制器11組成。內(nèi)套筒4的下端與基座9無縫固聯(lián),外套筒3的上端與上平面2無縫固聯(lián),外套筒3的下端套于內(nèi)套筒4上部的外面,內(nèi)套筒4與外套筒3之間相互滑動(dòng),運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子12固聯(lián)在內(nèi)套筒4中,運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子10—端與上平面2固聯(lián),垂向運(yùn)動(dòng)控制器11固定在運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子12上,通過垂向運(yùn)動(dòng)控制器11控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)垂向運(yùn)動(dòng);
[0022]所述的氣路部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分外部,由高壓氣瓶1、開關(guān)閥5、比例閥7、氣壓控制器8組成,高壓氣瓶I安裝在基座9上面,高壓氣瓶I與內(nèi)套筒4之間連接有開關(guān)閥5,比例閥5與內(nèi)套筒4相連,氣壓控制器8與比例閥5連接,高壓氣瓶I為氣源,通過開關(guān)閥5為機(jī)構(gòu)內(nèi)部提供高壓氣體,比例閥7為排氣閥,通過氣壓控制器8控制其排出腔內(nèi)氣體,各部件之間通過耐壓管線連接。
[0023]測(cè)量部分由直線光柵6和測(cè)量讀數(shù)頭16組成。直線光柵6固聯(lián)在外套筒3的內(nèi)側(cè)壁上,測(cè)量讀數(shù)頭16固定在運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子12的頂端。
[0024]測(cè)量補(bǔ)償部分由補(bǔ)償直線電機(jī)定子15、補(bǔ)償直線電機(jī)動(dòng)子19、讀數(shù)頭17、電容傳感器13、電容傳感器基板14和測(cè)量補(bǔ)償控制器18組成。補(bǔ)償直線電機(jī)定子15固聯(lián)在內(nèi)套筒4中并與運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子12平行設(shè)置,讀數(shù)頭17固定在補(bǔ)償直線電機(jī)定子15的頂端,測(cè)量補(bǔ)償控制器18固定在補(bǔ)償直線電機(jī)定子15上,電容傳感器13與電容傳感器基板14正面平行相對(duì),電容傳感器基板14固定在補(bǔ)償直線電機(jī)動(dòng)子19頂端,通過測(cè)量補(bǔ)償控制器18控制補(bǔ)償直線電機(jī)垂向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償位移。
[0025]在使用前,需要用高激光激光干涉儀對(duì)直線光柵進(jìn)行標(biāo)定,激光干涉儀和直線光柵相對(duì)平行放置,通過激光干涉儀依次對(duì)直線光柵每一個(gè)大刻度進(jìn)行標(biāo)定,兩個(gè)相鄰刻度之間不超過電容傳感器的量程。通過標(biāo)定,減小了直線光柵的測(cè)量誤差。
[0026]通過氣壓控制器控制比例閥開度,補(bǔ)償其垂向重力,然后控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)上下運(yùn)動(dòng)達(dá)到直線光柵的測(cè)量精度附近,然后控制補(bǔ)償直線電機(jī)帶動(dòng)電容傳感器基板垂向運(yùn)動(dòng),達(dá)到最接近運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)的直線光柵測(cè)量位移經(jīng)過標(biāo)定的位移處,然后保證補(bǔ)償直線電機(jī)不動(dòng),控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng),其測(cè)量值采用直線光柵和電容傳感器復(fù)合測(cè)量,如此便提高了其控制分辨率。
【權(quán)利要求】
1.一種用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置,其特征在于所述測(cè)量裝置由氣路部分、垂向運(yùn)動(dòng)部分、測(cè)量部分和測(cè)量補(bǔ)償部分構(gòu)成,其中: 所述的的垂向運(yùn)動(dòng)部分由基座、內(nèi)套筒、外套筒、上平面、運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)以及垂向運(yùn)動(dòng)控制器組成;內(nèi)套筒的下端與基座無縫固聯(lián),外套筒的上端與上平面無縫固聯(lián),外套筒的下端套于內(nèi)套筒上部的外面,運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)的定子固聯(lián)在內(nèi)套筒中,運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)的動(dòng)子一端與上平面固聯(lián),垂向運(yùn)動(dòng)控制器固定在定子上; 所述的氣路部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分外部,由高壓氣瓶、開關(guān)閥、比例閥、氣壓控制器組成,高壓氣瓶安裝在基座上面,高壓氣瓶與內(nèi)套筒之間連接有開關(guān)閥,比例閥與內(nèi)套筒相連,氣壓控制器與比例閥連接; 所述的測(cè)量部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部,由直線光柵和測(cè)量讀數(shù)頭組成,直線光柵固聯(lián)在外套筒的內(nèi)側(cè)壁上,測(cè)量讀數(shù)頭固定在運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)定子的頂端; 所述的測(cè)量補(bǔ)償部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部,由補(bǔ)償直線電機(jī)、讀數(shù)頭、電容傳感器、電容傳感器基板和測(cè)量補(bǔ)償控制器組成,補(bǔ)償直線電機(jī)的定子固聯(lián)在內(nèi)套筒中,讀數(shù)頭固定在補(bǔ)償直線電機(jī)定子的頂端,測(cè)量補(bǔ)償控制器固定在補(bǔ)償直線電機(jī)的定子上,電容傳感器與電容傳感器基板正面平行相對(duì),電容傳感器基板固定在補(bǔ)償直線電機(jī)的動(dòng)子頂端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置,其特征在于所述氣路部分的各部件之間通過耐壓管線連接。
3.一種利用權(quán)利要求1-2任一權(quán)利要求所述的用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置進(jìn)行位移測(cè)量的方法,其特征在于所述方法步驟如下: 一、在測(cè)量裝置安裝完成后,通過高精度的激光干涉儀對(duì)直線光柵進(jìn)行標(biāo)定,減小了直線光柵制造中產(chǎn)生的非線性因素; 二、打開開關(guān)閥,通過高壓氣瓶為內(nèi)套筒腔部提供恒壓氣體,并通過氣壓控制器調(diào)節(jié)比例閥開度使外套筒部分得到重力補(bǔ)償,同時(shí)氣壓在內(nèi)外套筒之間形成氣膜,保證其可以相對(duì)微小摩擦運(yùn)動(dòng),減輕了直線電機(jī)的負(fù)重; 三、垂向運(yùn)動(dòng)部分通過控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)帶動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)垂向運(yùn)動(dòng),在控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)達(dá)到目標(biāo)位置的過程中,當(dāng)達(dá)到直線光柵的測(cè)量精度以后,暫停運(yùn)動(dòng)直線電機(jī),然后控制補(bǔ)償直線電機(jī)帶動(dòng)電容傳感器的基板運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置的上一個(gè)經(jīng)過激光干涉儀標(biāo)定的直線光柵位移處,然后以此為電容傳感器的基板位置,控制運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng),通過電容傳感器測(cè)得的位移量對(duì)實(shí)際位置進(jìn)行精調(diào),達(dá)到測(cè)量精度后,標(biāo)定后的基板位移值和電容傳感器的位移值之和即是最終的實(shí)際位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置進(jìn)行位移測(cè)量的方法,其特征在于所述直線光柵的標(biāo)定方法如下:將激光干涉儀和直線光柵相對(duì)平行放置,通過激光干涉儀依次對(duì)直線光柵每一個(gè)大刻度進(jìn)行標(biāo)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用用于高精度垂向伺服機(jī)構(gòu)的游標(biāo)式測(cè)量裝置進(jìn)行位移測(cè)量的方法,其特征在于所述兩個(gè)相鄰刻度之間不超過電容傳感器的量程。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104019749SQ201410277186
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】劉楊, 劉啟循, 陳興林, 李宗哲, 李欣, 陳震宇, 范文超 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)