专利名称：软位置传感器精密直线进给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及进给装置，尤其涉及一种软位置传感器精密直线进给装置。
背景技术：
随着精密制造和数控技术等先进制造技术的发展，高速、高效、高精成为当前数控设备的发展方向。长期以来，数控机床的进给系统主要是“旋转电机+滚珠丝杠”，这种进给系统所能达到的最高进给速度为90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同时，由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一系列中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，会造成进给运动的滞后和其他许多非线性误差；这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。
为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满足高速精密加工的要求，人们开始研究新型的进给系统，直线电机就是最有前途的快速进给系统。它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”或“零传动”。
在高精度的直线电机位置控制中，位置检测是其关键技术之一，直接影响着控制系统的控制精度。目前广泛运用光栅尺作为直线电机位移检测的传感器，并进行反馈控制。在直线电机运动时，光栅传感器不断地检测直线电机的位移，产生的正交编码脉冲信号作为位置反馈输入到数字信号处理芯片中，数字信号处理芯片将直线电机预定位移和检测到的当前位移进行比较，由控制算法给出相应电压到功率放大器，以驱动直线电机运动。
然而，采用光栅尺作为直线电机位置传感器具有局限性(1)光栅尺最大检测速度小于直线电机最大速度，限制了直线进给速度的进一步提高；(2)位置传感器增加了驱动系统尺寸，存在安装和维护问题，降低了系统运行可靠性；(3)光栅尺抗恶劣环境能力较差，也影响了直线电机进给装置在恶劣工业环境中的应用。4)高速高分辨率位置传感器的价格昂贵，使直线驱动装置的成本大幅增加；因此，最好采用一种避免使用光栅或其他位置传感器而能实现直线进给装置的精密位置控制的位置检测技术。
发明内容
为了实现高速度精密直线进给系统及简化进给系统结构，本发明的目的在于提供一种软位置传感器精密直线进给装置。避免使用光栅尺或其他位置传感器，而采用电流、电压传感器在线检测直线电机的电流、电压信息，并通过数字处理芯片由软件获得直线进给位置信息，反馈给控制器实现位置闭环控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是它包括1)机械结构部件包括行程开关挡块、直线导轨副滑块、直线导轨、动子底板、永磁直线同步电机动子、永磁直线同步电机定子、隔磁铝板、定子底板、行程开关。永磁直线同步电机定子通过隔磁铝板安装在定子底板上面中间位置，永磁直线同步电机动子底板下面与永磁直线同步电机定子对应位置装有永磁直线同步电机动子，动子底板与定子底板两侧通过由直线导轨副滑块和直线导轨组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子与永磁直线同步电机动子间保持气隙，在动子底板与定子底板的一侧分别安装行程开关挡块及行程开关；2)电气电子部件包括永磁直线同步电机绕组，逆变器，系统电源，动力电源，三相功率驱动，光电隔离芯片，电压传感器，三个电流传感器，数字信号处理芯片，电源芯片，静态随机存储器，电源基准芯片，键盘芯片，LCD液晶接口，键盘，LCD液晶。动力电源的正负极分别与逆变器正负极相连，逆变器的A、B、C端分别与永磁直线同步电机动子绕组的三相A、B、C端相连，并连接电缆分别穿过各自的电流传感器，电压传感器的输入端也与永磁直线同步电机的三相绕组的A、B、C端相连；电压传感器输出端和三个电流传感器的输出端分别与数字信号处理芯片的A/D接口端相连；数字信号处理芯片的PWM口与光电隔离芯片的输入口相连，光电隔离芯片的输出口与三相功率驱动的输入口相连，三相功率驱动的输出口与逆变器相对应的控制输入相连；电源芯片、静态随机存储器、电源基准芯片、键盘芯片、LCD接口芯片分别与数字信号处理芯片相应的接口相连。
永磁直线同步电机为短初级平板型，由动子(初级)、定子(NdFeB永磁体)组成。动子安装在动子底板中间位置，定子通过隔磁铝板安装在定子底板上与动子相对应位置，动子底板与定子底板通过电机两侧的线性导轨副相连接，并使电机的定子与动子间保持一定的气隙；在定子底板上与动子底板的一侧分别安装行程开关及挡块，增加系统的安全性。当动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，将产生沿直线运动气隙磁场，这个磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力，由于永磁体固定不动，电机动子通过线性导轨副沿行波磁场运动的相反方向作直线运动。
电机动子绕组的电压和电流分别由电压、电流传感器在线检测，并由数字信号处理芯片自带有的A/D接口转化成数字量，通过嵌入数字信号处理芯片的软件运算获得直线进给位置信息，和设定值比较并计算获得控制量，由PWM信号通过光电隔离经三相功率驱动电路至逆变器，并由逆变器产生永磁直线同步电机的控制电流实现位置闭环控制。直线进给位置可由键盘设定，并可由液晶显示数值。
本发明具有的有益的效果是为了实现高精度、高速度直线进给系统，本发明采用软位置传感器永磁直线同步电机作为直线运动的驱动装置，不仅使进给系统的机械机构大为简化，而且避免使用光栅尺或其他位置传感器，有利于进给系统的运动速度提高，改善系统的动态响应特性，并有利于直线电机进给驱动装置在恶劣环境的工业现场使用，并且行程可根据设计指标增加或减少永磁体块，不受限制，为解决高速、精度直线运动机构提供了一种新装置。
图1是本发明的结构原理示意图；图2是永磁直线同步电机结构A-A剖视图；图3是本发明的软位置传感器原理图。
图1、图2中1-行程开关挡块，2-直线导轨副滑块，3-直线导轨，4-动子底板，5-动子(初级)，6-定子(NdFeB永磁体)，7-隔磁铝板，8-楔形压块，9-定子底板，10-行程开关。
图3中A1-永磁直线同步电机动子绕组，A2-逆变器，A3-系统电源，A4-动力电源，A5-三相功率驱动，A6-光电隔离芯片，B1-电压传感器，B2，B3，B4-电流传感器，B5-数字信号处理芯片，B6-电源芯片，B7-静态随机存储器，B8-电源基准芯片，B9-键盘芯片，B10-LCD接口，B11-键盘，B12-LCD液晶。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明的机械结构部件包括行程开关挡块1、直线导轨副滑块2、直线导轨3、动子底板4、永磁直线同步电机动子5、永磁直线同步电机定子6、隔磁铝板7、定子底板9、行程开关10；永磁直线同步电机定子6通过隔磁铝板7安装在定子底板9上面中间位置，永磁直线同步电机动子底板4下面与永磁直线同步电机定子6对应位置装有永磁直线同步电机动子5，动子底板4与定子底板9两侧通过由直线导轨副滑块2和直线导轨3组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子6与永磁直线同步电机动子5间保持气隙，在动子底板4与定子底板11的一侧分别安装行程开关挡块1及行程开关10。当动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，将产生沿直线运动气隙磁场，这个磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力，由于永磁体固定不动，电机动子通过线性导轨副沿行波磁场运动的相反方向作直线运动。
如图3所示，本发明的电气电子部件包括永磁直线同步电机绕组A1，逆变器A2，系统电源A3，动力电源A4，三相功率驱动A5，光电隔离芯片A6，电压传感器B1，三个电流传感器B2、B3、B4，数字信号处理芯片B5，电源芯片B6，静态随机存储器B7，电源基准芯片B8，键盘芯片B9，LCD液晶接口B10，键盘B11，LCD液晶B12。动力电源A4的正负极分别与逆变器A2正负极相连，逆变器A2的A、B、C端分别与永磁直线同步电机动子绕组A1的三相A、B、C端相连，并连接电缆分别穿过各自的电流传感器B2、B3、B4，电压传感器B1的输入端也与永磁直线同步电机A1的三相绕组的A、B、C端相连；电压传感器B1输出端和三个电流传感器B2、B3、B4的输出端分别与数字信号处理芯片B5的A/D接口端相连；数字信号处理芯片B5的PWM口与光电隔离芯片A6的输入口相连，光电隔离芯片A6的输出口与三相功率驱动A5的输入口相连，三相功率驱动A5的输出口与逆变器A2相对应的控制输入相连；电源芯片B6、静态随机存储器B7、电源基准芯片B8、键盘芯片B9、LCD接口芯片B10分别与数字信号处理芯片B5相应的接口相连。
以上所说的三相功率驱动A5为IR2331，光电隔离芯片A6为6N137，逆变器A2为IRFR254，电压传感器B1为WB3V412，电流传感器B2、B3、B4为WB11412，数字信号处理芯片B5为TMS320F2812，电源芯片B6为TPS767D318，静态随机存储器B7为IDT71V424，电源基准芯片B8为REF3033，键盘芯片B9为82C79。
本发明的工作方式如下永磁直线同步电机定子6通过隔磁铝板7安装在定子底板9上面中间位置，永磁直线同步电机动子底板4下面与永磁直线同步电机定子6对应位置装有永磁直线同步电机动子5，动子底板4与定子底板9两侧通过由直线导轨副滑块2和直线导轨3组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子6与永磁直线同步电机动子5间保持气隙，直线导轨3用楔形压块8压紧，在动子底板4与定子底板9的一侧分别安装行程开关挡块1及行程开关10。动力电源A4的正负极分别与逆变器正负极相连，逆变器A2的A、B、C端分别与永磁直线同步电机动子绕组A1的三相A、B、C端相连，并连接电缆分别穿过电流传感器B2、B3、B4，电压传感器B1的输入端也与永磁直线同步电机A1的三相绕组的A、B、C端相连。电压传感器B1输出端和电流传感器B2、B3、B4的输出端与数字信号处理芯片B5的A/D接口端相连。数字信号处理芯片B5的PWM口与光电隔离芯片A6的输入口相连，光电隔离芯片A6的输出口与三相功率驱动A5的输入口相连，三相功率驱动A5的输出口与逆变器A2相对应的控制输入相连。电源芯片B6、静态随机存储器B7、电源基准芯片B8、键盘芯片B9、LCD接口芯片B10分别与数字信号处理芯片相应的接口相连。
电源芯片B6提供数字信号处理芯片B5电源，电源基准芯片B8提供数字信号处理芯片B5的基准电压。静态随机存储器B7存放数字信号处理芯片B5的数据和程序。系统电源A3提供数字信号处理芯片系统的电源，动力电源A4提供逆变器A2的电源。直线进给位置可由键盘B11设定，液晶B12显示位置数值。
在直线电机动子5静止时，由数字信号处理芯片B5产生PWM信号经光电隔离A6并经三相功率驱动A5控制逆变器A2产生一适当大小的恒定直流电压依次轮换地加到动子绕组A1的两相上，直线电机动子绕组A1的电压和电流分别由电压传感器B1、电流传感器B2、B3、B4在线检测，并由数字信号处理芯片B5自带有的A/D接口转化成数字量，最后通过分析这些数据即可求出这三相绕组的串联电感。此时绕组端施加的电压不能太大，应该保证电机动子在该电压下静止不动。测出某一动子位置下对应的三个串联线电感值后，由数字信号处理芯片软件获得初始位置。
在直线电机动子5运动过程中，直线电机动子绕组A1的电压和电流分别由电压传感器B1、电流传感器B2、B3、B4在线检测，并由数字信号处理芯片B5自带有的A/D接口转化成数字量，通过嵌入数字信号处理芯片B5的软件运算获得直线进给位置信息，和设定值比较并计算获得控制量，由PWM信号通过光电隔离A6经三相功率驱动电路A5控制逆变器A2，并由逆变器A2产生永磁直线同步电机的控制电流实现位置闭环控制。
此外，为了提高软位置传感器实时检测的精度，可采用纳米级的激光干涉仪进行逐点对比测量，所得误差用于数字信号处理芯片软件算法的修正，实现更高的软位置传感器精度。同时，为了提高进给系统的安全性，不仅在软件上设置位置极限开关，而且在直线进给装置上安装物理行程开关，确保工作人员及财产安全。
权利要求
1.一种软位置传感器精密直线进给装置，其特征在于包括1)机械结构部件包括行程开关挡块(1)、直线导轨副滑块(2)、直线导轨(3)、动子底板(4)、永磁直线同步电机动子(5)、永磁直线同步电机定子(6)、隔磁铝板(7)、定子底板(9)、行程开关(10)；永磁直线同步电机定子(6)通过隔磁铝板(7)安装在定子底板(9)上面中间位置，永磁直线同步电机动子底板(4)下面与永磁直线同步电机定子(6)对应位置装有永磁直线同步电机动子(5)，动子底板(4)与定子底板(9)两侧通过由直线导轨副滑块(2)和直线导轨(3)组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子(6)与永磁直线同步电机动子(5)间保持气隙，在动子底板(4)与定子底板(11)的一侧分别安装行程开关挡块(1)及行程开关(10)；2)电气电子部件包括永磁直线同步电机绕组(A1)，逆变器(A2)，系统电源(A3)，动力电源(A4)，三相功率驱动(A5)，光电隔离芯片(A6)，电压传感器(B1)，三个电流传感器(B2、B3、B4)，数字信号处理芯片(B5)，电源芯片(B6)，静态随机存储器(B7)，电源基准芯片(B8)，键盘芯片(B9)，LCD液晶接口(B10)，键盘(B11)，LCD液晶(B12)；动力电源(A4)的正负极分别与逆变器(A2)正负极相连，逆变器(A2)的A、B、C端分别与永磁直线同步电机动子绕组(A1)的三相A、B、C端相连，并连接电缆分别穿过各自的电流传感器(B2、B3、B4)，电压传感器(B1)的输入端也与永磁直线同步电机(A1)的三相绕组的A、B、C端相连；电压传感器(B1)输出端和三个电流传感器(B2、B3、B4)的输出端分别与数字信号处理芯片(B5)的A/D接口端相连；数字信号处理芯片(B5)的PWM口与光电隔离芯片(A6)的输入口相连，光电隔离芯片(A6)的输出口与三相功率驱动(A5)的输入口相连，三相功率驱动(A5)的输出口与逆变器(A2)相对应的控制输入相连；电源芯片(B6)、静态随机存储器(B7)、电源基准芯片(B8)、键盘芯片(B9)、LCD接口芯片(B10)分别与数字信号处理芯片(B5)相应的接口相连。
2.根据权利要求1所述的一种软位置传感器精密直线进给装置，其特征在于所说的三相功率驱动(A5)为IR2331，光电隔离芯片(A6)为6N137，逆变器(A2)为IRFR254，电压传感器(B1)为WB3V412，电流传感器(B2、B3、B4)为WB11412，数字信号处理芯片(B5)为TMS320F2812，电源芯片(B6)为TPS767D318，静态随机存储器(B7)为IDT71V424，电源基准芯片(B8)为REF3033，键盘芯片(B9)为82C79。
全文摘要
本发明公开了一种软位置传感器精密直线进给装置。永磁直线同步电机定子通过隔磁铝板安装在定子底板上，永磁直线同步电机动子底板下面与永磁直线同步电机定子对应位置，装有永磁直线同步电机动子，动子底板与定子底板两侧通过由直线导轨副滑块和直线导轨组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子与永磁直线同步电机动子间保持气隙，在动子底板与定子底板的一侧分别安装行程开关挡块及行程开关。本发明采用软位置传感器永磁直线同步电机作为直线运动的驱动装置，使进给系统的机械机构大为简化，无需光栅尺或其他位置传感器，极有利于进给系统的运动速度提高，改善系统的动态响应特性，并有利于直线电机进给驱动装置在恶劣环境的工业现场使用。
文档编号G05D3/12GK1588259SQ20041005276
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月9日 优先权日2004年7月9日
发明者傅建中, 陈子辰, 徐月同, 余佩琼 申请人:浙江大学