[发明专利]一种超重环境下精确定位控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统及方法，特别是涉及一种超重环境下精确定位控制系统及控制方法。

背景技术

土工离心机为土工离心模拟试验提供了重要的研究手段并得到迅速发展。从1931年世界第一台土工离心机在美国哥伦比亚大学诞生后，发展到现在世界上大约有200多台土工离心机。这些离心机为世界土工试验和土建建设做出了重要贡献。

超重环境下精确定位技术是土工离心机器人研制的关键技术之一。因为土工离心机器人在离心试验时按预设程序运行，工具头需在模型箱狭小空间完成复杂动作，在超重环境下不允许其位置定位有较大偏差，特别对具有更换工具的多轴机器人系统，对定位精度要求更高。这是因为工具头与工具、工具与工具库支架间一般采用锥销定位，销与销孔的容差较小，要使工具头上的锥销准确插入工具上的销孔和工具上的锥销准确插入工具库支架上的销孔，机器人系统就必须具有较高的位置定位精度。

为了使机器人具有较高的空间位置定位精度，就要求机器人空间坐标系内各向都具有较高的定位精度和重复精度。此外，各向在满足精度的同时，还需提供较大的加载力，这样才能使机器人有能力完成复杂的试验操作。

2005年中国工程物理研究院总体工程研究所为同济大学研制的在100g离心场下工作的机器人和正调试的成都理工大学多轴机器人均不具备更换工具功能，都采用液压驱动支架在导轨上移动来实现各向定位，而前者采用超声波传感器进行位置反馈，后者采用激光位移传感器进行位置反馈。国内目前唯一具备更换工具的土工离心机器人是香港科技大学的多轴土工离心机器人，但其最大工作离心加速度不到100g。该机器人X方向采用电机驱动齿轮齿条机构产生直线运动，Y方向采用电机驱动滚珠丝杠－螺母机构产生直线运动。

采用液压驱动方式的直线位置定位系统出力大，可在高过载条件下工作，但因为液压油的固有属性及容易泄漏等原因，从而导致系统定位精度不高。采用电机驱动齿轮齿条机构产生直线运动的方式结构简单，但其定位精度也不高。目前，也有人主张采用直线电机进行直接驱动，因为直线电机具有结构简单，可内置光栅位移传感器定位精度高等优点，但目前市面上的直线电机承载离心载荷能力较差且价格较贵。

由于土工离心机器人的运行工况和结构的特殊性，其上使用的位移检测元件不仅要能正常工作于超重环境，而且离心机上安装位置和使用空间受到限制。高精度的超声波传感器和激光位移传感器虽可实现较精确的位置反馈，但却无法安装于机器人系统上，结构尺寸较小的虽可安装，但其精度又不满足要求，且死区距离大。若采用光栅进行位置检测，光栅读数头与光栅容许间距较小，不易安装，且精度和可靠性受尘土及油污等影响，不适于土工离心试验环境。导致原因：

土工离心机器人在超重环境下工作时，不仅要提供各向较大的加载力，而且还要承受超重环境，其自身结构很容易发生变形，从而导致系统的精确定位变得十分困难。现有的位置定位方式在超重环境下对具有更换工具的多轴机器人系统无法实现精确定位。具有更换工具的多轴机器人系统必须具有稳定的高精度驱动系统、高精度的导向和承载方式、高精度的位置测控系统，同时，还应有较大的加载能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种定位精度高、加载能力大的超重环境下精确定位控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超重环境下精确定位控制系统，包括驱动单元、工控机、磁栅传感器和运动控制器，所述驱动单元包括一个伺服电机、一个伺服驱动器和一个旋转变压器，所述旋转变压器安装于所述伺服电机的尾部进行转速检测，所述旋转变压器的信号输出端与所述伺服驱动器的转速信号输入端连接，所述磁栅传感器的磁头安装于被控移动支架上，所述磁栅传感器的信号输出端与所述伺服驱动器的位移信号输入端连接，所述伺服驱动器的控制信号输出端与所述伺服电机的控制信号输入端连接，所述伺服电机的空心轴通过传动装置与所述被控移动支架连接，所述伺服驱动器的通讯接口与所述运动控制器的通讯接口连接，所述运动控制器的通讯接口与所述工控机的通讯接口连接。

作为本发明的进一步改进为，所述驱动单元为1套，所述驱动单元中的伺服电机的空心轴通过传动装置与所述被控移动支架的一侧连接，所述磁栅传感器为1个，所述磁栅传感器的磁头安装于所述被控支架的一侧。

当被控移动支架的跨度较小时，采用1套驱动单元对被控移动支架进行直线位置定位，采用1套驱动单元称为单轴定位控制系统。