专利名称：一种超重环境下精确定位控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统及方法，特别是涉及ー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IOOg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一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エ况和结构的特殊性，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ー种定位精度高、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ー种超重环境下精确定位控制系统，包括驱动单元、エ控机、磁栅传感器和运动控制器，所述驱动単元包括ー个伺服电机、一个伺服驱动器和ー个旋转变压器，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ロ与所述运动控制器的通讯接ロ连接，所述运动控制器的通讯接ロ与所述エ控机的通讯接ロ连接。作为本发明的进ー步改进为，所述驱动单元为I套，所述驱动単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ー侧连接，所述磁栅传感器为I个，所述磁栅传感器的磁头安装于所述被控支架的ー侧。当被控移动支架的跨度较小时，采用I套驱动单元对被控移动支架进行直线位置定位，采用I套驱动単元称为单轴定位控制系统。作为本发明的进ー步改进为，所述驱动单元为2套，每套所述驱动単元中的伺服电机的空心轴分别通过传动装置与所述被控移动支架的两侧连接，每套所述驱动単元中的伺服驱动器的通讯接ロ均与所述运动控制器的通讯接ロ连接，所述磁栅传感器为2个，每个所述磁栅传感器的磁头分别安装于所述被控移动支架的两侧。当被移动支架跨距太大，采用单轴定位控制系统将会对被控移动支架产生很大的扭矩，导致被控移动支架变形和两导轨滑块不同步，从而影响被控移动支架的定位精度，所以对大跨距的被控移动支架采用双轴定位控制系统，即采用2套驱动单元对被控移动支架两侧进行同步驱动，以使被控移动支架具有良好的受カエ况和较高的直线位置定位精度。作为本发明的优选是，所述エ控机与所述运动控制器之间采用无线以太网通讯，所述运动控制器与所述伺服驱动器之间采用CAN通讯。在超重环境下运行，为提高系统通讯可靠性和稳定性监控软件与运动控制器之间采用无线以太网通讯，通讯速率为100Mbps。运动控制器安装在离心机下仪器舱近离心机主轴，而不采用通用的将其置于控制室用集流环进行通讯连接方式，这样可提高通讯的可靠性和通讯速率，CAN通讯速率为1Mbps。作为本发明的优选是，所述磁栅传感器最大分辨率为0.001mm，精度为±0.025mm;所述旋转变压器分辨率为0.8'，精度为±10'。单轴定位控制系统采用的控制方法，包括以下步骤
(I)通过エ控机内的监控软件进行系统回零点运动,建立參考坐标系； (2)回零完成后根据试验要求通过监控软件设计所述被控移动支架各坐标的运行路径，路径规划完毕且正确后进入步骤(3)；(3)通过所述监控软件设置所述被控移动支架的位移给定值并通过无线以太网通讯方式将位移给定值传输至所述运动 控制器；(4)所述运动控制器对位移给定值进行解析并以伺服驱动器可识别的指令将位移给定值通过CAN通讯的方式传输至所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据指令控制所述伺服电机旋转；(5)所述旋转变压器将测量的伺服电机实时转速反馈至所述伺服驱动器，同时所述磁栅传感器将测量的被控移动支架的实时位移值反馈至所述伺服驱动器；(6)所述伺服驱动器对反馈的实时位移值与位移给定值进行比较运算，当伺服电机旋转直至所述被控移动支架的移动距离达到位移给定值时，所述伺服驱动器控制所述伺服电机停止旋转，从而实现所述被控移动支架的精确定位。双轴定位控制系统包括以下步骤(I)通过エ控机内的监控软件进行系统回零点运动,建立參考坐标系；(2)回零完成后根据试验要求通过监控软件设计所述被控移动支架各坐标的运行路径，路径规划完毕且正确后进入步骤(3)；(3)通过所述监控软件设置所述被控移动支架的位移给定值并通过无线以太网通讯方式将位移给定值传输至所述运动控制器；(4)所述运动控制器对位移给定值进行解析并以伺服驱动器可识别的指令将位移给定值通过CAN通讯的方式传输至每个所述伺服驱动器，每个所述伺服驱动器根据指令分别控制对应的伺服电机旋转；(5)两个所述旋转变压器分别将测量的伺服电机实时转速反馈至对应的所述伺服驱动器，同时两个所述磁栅传感器分别将测量的被控移动支架两侧的实时位移值反馈至对应的所述伺服驱动器；(6)两个所述伺服驱动器之间进行实时位置信息交換，对所述被控移动支架两侧的实时位移值进行监测和比较，通过分别控制两个所述伺服电机的运行状态，使所述被控移动支架两侧的实时移动保持同步；(7)每个所述伺服驱动器对反馈的实时位移量与位移给定值进行比较运算，当所述伺服电机旋转直至所述被控移动支架两侧的移动距离达到对应的位移给定值时，所述伺服驱动器控制对应的伺服电机停止旋转，从而实现所述被控移动支架两侧的精确定位。为了实现高离心场下双轴定位控制系统的两轴同步，将两轴视为同一轴进行同步控制，每轴在控制结构上都配置旋转变压器及磁栅传感器进行转速和位置反馈，在运动控制器中将两根轴设置为同一轴号，且两轴的伺服驱动器之间采用CAN总线并通过过程通道进行实时通讯，该控制方式提高了双轴直线驱动系统的可靠性和安全性。本发明的有益效果是通过采用上述技术方案，本发明不仅定位精度和重复精度高，而且具有很大的加载能力，适于大行程、大跨距移动支架在超重环境下进行精确位置定位。在IOOg离心场下，定位精度优于0.2mm，最大承载カ超过18000N。另外，针对不同行程的多轴机器人使用需求，提出了单轴定位控制和双轴定位控制的两种使用方法。为了实现高离心场下双轴定位控制的被控移动支架两侧同步，将两轴视为同一轴进行同步控制，该控制方法提高了双轴定位控制系统的可靠性和安全性。本发明还具有结构简单、重量轻、易于安装、维修方便，非常适宜于土工离心机上运行。


图I是本发明超重环境下精确定位控制系统单轴定位控制系统的结构示意图；图2是本发明超重环境下精确定位控制系统双轴定位控制系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进ー步的详细说明
如图I所示，本发明ー种超重环境下精确定位控制系统，包括驱动单元、エ控机、磁栅传感器和运动控制器，所述驱动単元包括ー个伺服电机、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ロ与所述运动控制器的通讯接ロ连接，所述运动控制器的通讯接ロ与所述エ控机的通讯接ロ连接。在本实施例中，所述磁栅传感器最大分辨率为0. 001mm，精度为±0. 025mm。所述旋转变压器分辨率为0.8'，精度为±10'。所述エ控机与所述运动控制器之间采用无线以太网通讯，所述运动控制器与所述伺服驱动器之间采用CAN通讯。在高离心场运行，为提高系统通讯可靠性和稳定性监控软件与运动控制器之间采用无线以太网通讯，通讯速率为100Mbps。运动控制器安装在离心机下仪器舱近空心轴中心，而不采用将其置于控制室用集流环进行通讯连接方式，这样可提高通讯的可靠性和通讯速率，CAN通讯速率为1Mbps。实施例I :如图I所示，所述超重环境下精确定位控制系统为单轴定位控制系统，所述单轴定位控制系统的驱动单元为I套，所述单轴定位控制系统的磁栅传感器的个数为I个，伺服电机竖直安装在基础板上；被控移动支架固定在直线导轨的滑块上，跟随滑块一起移动；丝杠通过丝杠支撑座安装于基础板，其中一端直接伸入电机空心轴内，丝杠螺母把接在被控移动支架上；磁栅传感器的磁头固定在移动支架上，磁栅传感器的磁条安装在基础板上。工作吋，伺服电机驱动丝杠旋转，丝杠螺母带动与其把接在一起的被控移动支架在直线导轨上移动，磁栅传感器检测被控移动支架的位置，从而实现被控移动支架的直线定位。在本实施例中，单轴定位控制系统的地面定位精度为0. 05mm，在IOOg高离心场环境且满足承载能力要求条件下定位精度优于0. 2_。单轴定位控制系统采用的控制方法包括以下步骤(I)通过エ控机内的监控软件进行系统回零点运动,建立參考坐标系；
(2)回零完成后根据试验要求通过监控软件设计所述被控移动支架各坐标的运行路径，路径规划完毕且正确后进入步骤(3)；(3)通过所述监控软件设置所述被控移动支架的位移给定值并通过无线以太网通讯方式将位移给定值传输至所述运动控制器；(4)所述运动控制器对位移给定值进行解析并以伺服驱动器可识别的指令将位移给定值通过CAN通讯的方式传输至所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据指令控制所述伺服电机旋转；(5)所述旋转变压器将测量的伺服电机实时转速反馈至所述伺服驱动器，同时所述磁栅传感器将测量的被控移动支架的实时位移值反馈至所述伺服驱动器；(6)所述伺服驱动器对反馈的实时位移值与位移给定值进行比较运算，当伺服电机旋转直至所述被控移动支架的移动距离达到位移给定值时，所述伺服驱动器控制所述伺 服电机停止旋转，从而实现所述被控移动支架的精确定位。实施例2 如图2所示，所述超重环境下精确定位控制系统为双轴定位控制系统，所述驱动单元为2套，所述驱动単元分为第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元包括第一伺服电机、第一伺服驱动器和第一旋转变压器，所述第二驱动单元包括第二伺服电机、第ニ伺服驱动器和第二旋转变压器。2套驱动単元中的伺服驱动器的通讯接ロ均与所述运动控制器的通讯接ロ连接。双轴定位控制系统中每个单轴的控制原理与单轴定位控制系统基本相同，采用第一旋转变压器、第二旋转变压器分别测量第一伺服电机和第二伺服电机的转速，采用第一磁栅传感器和第二磁栅传感器分别测量被控支架两侧的位移。エ控机与运动控制器之间采用通讯速率为IOOMbps的无线以太网通讯，运动控制器与驱动器及不同驱动器之间采用通讯速率为IMbps的CAN通讯方式，双轴定位控制系统在地面及IOOg离心场下的定位精度与单轴定位控制系统相同。双轴直线定位控制系统采用的控制方法(I)通过エ控机内的监控软件进行系统回零点运动,建立參考坐标系；(2)回零完成后根据试验要求通过监控软件设计所述被控移动支架各坐标的运行路径，路径规划完毕且正确后进入步骤(3)；(3)通过所述监控软件设置所述被控移动支架的位移给定值并通过无线以太网通讯方式将位移给定值传输至所述运动控制器；(4)所述运动控制器对位移给定值进行解析并以伺服驱动器可识别的指令将位移给定值通过CAN通讯的方式传输至每个所述伺服驱动器，每个所述伺服驱动器根据指令分别控制对应的伺服电机旋转；(5)两个所述旋转变压器分别将测量的伺服电机实时转速反馈至对应的所述伺服驱动器，同时两个所述磁栅传感器分别将测量的被控移动支架两侧的实时位移值反馈至对应的所述伺服驱动器；(6)两个所述伺服驱动器之间进行实时位置信息交換，对所述被控移动支架两侧的实时位移值进行监测和比较，通过分别控制两个所述伺服电机的运行状态，使所述被控移动支架两侧的实时移动保持同步；在该控制方式中，运动控制器控制指令同时发送至两个驱动器并且两个驱动器之间存在实时位置信息交換，当检测被控移动支架某一侧与另一侧的位置偏移量超过容许值时发送指令至对应的伺服驱动器，伺服驱动器控制对应的伺服电机自动停止运动同时将信息传送至监控软件，该控制方式提高了双轴定位控制系统的可靠性和安全性。(7)每个所述伺服驱动器对反馈的实时位移量与位移给定值进行比较运算，当所述伺服电机旋转直至所述被控移动支架两侧的移动距离达到对应的位移给定值时，所述伺
服驱动器控制对应的伺服电机停止旋转，从而实现所述被控移动支架两侧的精确定位。
权利要求
1.ー种超重环境下精确定位控制系统，其特征在于包括驱动单元、エ控机、磁栅传感器和运动控制器，所述驱动単元包括ー个伺服电机、一个伺服驱动器和ー个旋转变压器，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ロ与所述运动控制器的通讯接ロ连接，所述运动控制器的通讯接ロ与所述エ控机的通讯接ロ连接。
2.根据权利要求I所述的超重环境下精确定位控制系统，其特征在于所述驱动単元为I套，所述驱动単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ー侧连接，所述磁栅传感器为I个，所述磁栅传感器的磁头安装于所述被控支架的ー侧。
3.根据权利要求I所述的超重环境下精确定位控制系统，其特征在于所述驱动単元为2套，每套所述驱动単元中的伺服电机的空心轴分别通过传动装置与所述被控移动支架的两侧连接，每套所述驱动単元中的伺服驱动器的通讯接ロ均与所述运动控制器的通讯接ロ连接，所述磁栅传感器为2个，每个所述磁栅传感器的磁头分别安装于所述被控移动支架的两侧。
4.根据权利要求I所述的超重环境下精确定位控制系统，其特征在于所述エ控机与所述运动控制器之间采用无线以太网通讯，所述运动控制器与所述伺服驱动器之间采用CAN通讯。
5.根据权利要求I所述的超重环境下精确定位控制系统，其特征在于所述旋转变压器的分辨率为0.8'，精度为±10';所述磁栅传感器的最大分辨率为0.001mm，精度为±0. 025mm。
6.一种如权利要求2所述的超重环境下精确定位控制系统采用的控制方法，其特征在于包括以下步骤 (1)通过エ控机内的监控软件进行系统回零点运动，建立參考坐标系； (2)回零完成后根据试验要求通过监控软件设计所述被控移动支架各坐标的运行路径，路径规划完毕且正确后进入步骤(3)； (3)通过所述监控软件设置所述被控移动支架的位移给定值并通过无线以太网通讯方式将位移给定值传输至所述运动控制器； (4)所述运动控制器对位移给定值进行解析并以伺服驱动器可识别的指令将位移给定值通过CAN通讯的方式传输至所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据指令控制所述伺服电机旋转； (5)所述旋转变压器将测量的伺服电机实时转速反馈至所述伺服驱动器，同时所述磁栅传感器将测量的被控移动支架的实时位移值反馈至所述伺服驱动器； (6)所述伺服驱动器对反馈的实时位移值与位移给定值进行比较运算，当伺服电机旋转直至所述被控移动支架的移动距离达到位移给定值时，所述伺服驱动器控制所述伺服电机停止旋转，从而实现所述被控移动支架的精确定位。
7.—种如权利要求3所述的超重环境下精确定位控制系统采用的控制方法，其特征在于包括以下步骤(1)通过エ控机内的监控软件进行系统回零点运动，建立參考坐标系； (2)回零完成后根据试验要求通过监控软件设计所述被控移动支架各坐标的运行路径，路径规划完毕且正确后进入步骤(3)； (3)通过所述监控软件设置所述被控移动支架的位移给定值并通过无线以太网通讯方式将位移给定值传输至所述运动控制器； (4)所述运动控制器对位移给定值进行解析并以伺服驱动器可识别的指令将位移给定值通过cAN通讯的方式传输至每个所述伺服驱动器，每个所述伺服驱动器根据指令分别控制对应的伺服电机旋转； (5)两个所述旋转变压器分别将测量的伺服电机实时转速反馈至对应的所述伺服驱动器，同时两个所述磁栅传感器分别将测量的被控移动支架两侧的实时位移值反馈至对应的所述伺服驱动器； (6)两个所述伺服驱动器之间进行实时位置信息交換，对所述被控移动支架两侧的实时位移值进行监测和比较，通过分别控制两个所述伺服电机的运行状态，使所述被控移动支架两侧的实时移动保持同步； (7)每个所述伺服驱动器对反馈的实时位移量与位移给定值进行比较运算，当所述伺服电机旋转直至所述被控移动支架两侧的移动距离达到对应的位移给定值时，所述伺服驱动器控制对应的伺服电机停止旋转，从而实现所述被控移动支架两侧的精确定位。
全文摘要
本发明公开了一种超重环境下精确定位控制系统及控制方法，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，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单轴定位控制；当被移动支架跨距太大，采用2套驱动单元对被控移动支架两侧同步驱动进行双轴定位控制，本发明不仅定位精度和重复精度高，而且具有很大的加载能力，适于大行程被控移动支架在超重环境下精确位置定位。在100g离心场下，本发明定位精度优于0.2mm，最大承载力超过18000N。为了实现高离心场下双轴定位控制，将两轴视为同一轴进行同步控制，提高了系统的可靠性和安全性。
文档编号G01N3/00GK102778895SQ20121022317
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者余小勇, 冉光斌, 张宁平, 彭丽琼, 洪建忠, 王新伦, 赵宝忠, 黎启胜 申请人:中国工程物理研究院总体工程研究所