一種實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸搖擺運動的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸搖擺運動的裝置和方法，特別涉及一種通過步進電機及傳動裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸搖擺運動的裝置和方法，屬于旋轉(zhuǎn)臺搖擺運動控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]旋轉(zhuǎn)臺搖擺運動一般有轉(zhuǎn)軸直接驅(qū)動和使用減速機構(gòu)兩種方案，轉(zhuǎn)軸直接驅(qū)動精度高，但是通常需要大扭矩電機，會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)臺體積較大以及成本很高;使用減速機構(gòu)常見的是采用兩種傳動裝置，一種是減速機的方式，該方式存在著空程誤差，導(dǎo)致?lián)u擺精度不高；另一種是凸輪傳動方式，該方式不易調(diào)整頻率和振幅，且凸輪易磨損，使用不方便。在算法上，通常采取定時定位方式，定時間隔一般大于10毫秒，轉(zhuǎn)軸啟動和停止一般采用正弦平滑的方式，主要問題是采樣點較少，當(dāng)頻率大于等于10赫茲時，波形失真度較大，啟動和停止不平穩(wěn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸搖擺運動的裝置和方法，搖擺精度高，容易調(diào)整頻率和振幅，搖擺啟動和停止平穩(wěn)，且不需要大扭矩電機，使用方便，成本低。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸搖擺運動的裝置，包括傳動裝置、步進電機、驅(qū)動單元和控制器；
[0005]其中步進電機通過傳動裝置與轉(zhuǎn)軸相連，控制器實時計算轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅并輸出給驅(qū)動單元，驅(qū)動單元實時將轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號輸出給步進電機，步進電機在所述驅(qū)動信號作用下轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸進行搖擺運動。
[0006]所述傳動裝置采用撓性傳動裝置實現(xiàn)，所述撓性傳動裝置包括弧形塊、鋼絲繩、彈性機構(gòu)和傳動輪，弧形塊與轉(zhuǎn)軸的框架固定連接，彈性機構(gòu)設(shè)置在弧形塊的一側(cè)，傳動輪固聯(lián)在步進電機的軸上，鋼絲繩纏在傳動輪上，鋼絲繩的兩個自由端交叉后，一端與彈性機構(gòu)連接，另一端固定連接在弧形塊的固定端，固定端位于弧形塊上與彈性機構(gòu)對稱的另一側(cè)；所述彈性機構(gòu)用于為鋼絲繩施加一定的預(yù)緊力。
[0007]所述彈性機構(gòu)包括彈簧、固定片、滑動片和預(yù)緊螺釘，彈簧放置在固定片和滑動片之間，固定片和滑動片通過可旋轉(zhuǎn)的預(yù)緊螺釘連接，通過預(yù)緊螺釘?shù)男D(zhuǎn)實現(xiàn)彈簧壓縮量的調(diào)節(jié)。
[0008]所述控制器通過PMAC運動控制卡實現(xiàn)。
[0009]利用所述裝置實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸搖擺運動的方法，包括如下步驟:
[0010]步驟一:控制器根據(jù)用戶輸入的半徑rl、圓心01和起點Si，每隔時間間隔tl，利用兩軸圓弧插補算法得到當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅輸出給驅(qū)動單元，通過步進電機和傳動裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的啟動，其中丨1為伺服周期，半徑^=40/2，圓心01 = (40/2 40/2)，起點81=(O，A0/2)，AO為轉(zhuǎn)軸搖擺運動的最大振幅；
[0011]步驟二:當(dāng)轉(zhuǎn)軸啟動時間達到T/4時，控制器根據(jù)用戶輸入的半徑r2、圓心02和起點s2，每隔時間間隔tl，利用兩軸圓弧插補算法得到當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅輸出給驅(qū)動單元，通過步進電機和傳動裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的搖擺，其中T為轉(zhuǎn)軸搖擺運動的周期，半徑r2=A0，圓心 02 = (0，0)，起點82 =(厶0，厶0/2);
[0012]步驟三:在轉(zhuǎn)軸停止搖擺的前T/4時刻，控制器根據(jù)用戶輸入的半徑r3、圓心03和起點s3，每隔時間間隔tl，利用兩軸圓弧插補算法得到當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅輸出給驅(qū)動單元，通過步進電機和傳動裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的停止，從而完成旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的搖擺運動，其中半徑『3=40/2，原點03 =(厶0/2，厶0/2)，83 =(厶0，厶0/2)。
[0013]所述兩軸圓弧插補算法實現(xiàn)方式如下:
[0014](6.1)控制器根據(jù)用戶輸入的半徑、圓心和起點進行圓弧運動位置解算；
[0015](6.2)將圓弧運動的位置實時投影到X軸和Y軸，得到X軸和Y軸的運動函數(shù)；
[0016](6.3)將當(dāng)前時刻X軸的投影值作為當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅輸出給驅(qū)動單元，Y軸的投影值不輸出，實現(xiàn)兩軸圓弧插補。
[0017]所述步驟(6.2)中，得到X軸和Y軸的運動函數(shù)如下:
[0018]轉(zhuǎn)軸搖擺運動的啟動階段，X軸運動函數(shù)為At = 0.5*Ao*COS (*t_3i) +0.5*A0
[0019]轉(zhuǎn)軸搖擺運動的搖擺階段，X軸運動函數(shù)At = Ao*SIN(23T*f*t)
[0020]轉(zhuǎn)軸搖擺運動的停止階段，X軸運動函數(shù)At = 0.5*A()*C0S(23T*2*f*t-3T)+0.5*Ao[0021 ] 轉(zhuǎn)軸搖擺運動的啟動階段，Y軸運動函數(shù)At = 0.5*Ao*SIN(23i*2*f*t-pi)+0.5*Ao[0022 ] 轉(zhuǎn)軸搖擺運動的搖擺階段，￥軸運動函數(shù)At = Ao*COS (2Ji*f *t)
[0023]轉(zhuǎn)軸搖擺運動的停止階段，Y軸運動函數(shù)At = 0.5*A()*SIN(23T*2*f*t-3T)+0.5*Ao
[0024]其中At為t時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅，Ao為預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)軸搖擺運動的最大振幅，f為轉(zhuǎn)軸搖擺運動的頻率。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0026](I)本發(fā)明通過控制器控制步進電機及傳動裝置實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，不需要大扭矩電機，使用方便，成本大大低于直接驅(qū)動方案。
[0027](2)本發(fā)明采用撓性傳動裝置進行傳動，鋼絲繩采用一端固連，另一端使用由彈簧固定片組成的彈性裝置，可以對彈簧的預(yù)緊力進行定量調(diào)節(jié)，達到理想的傳動效果，同時本發(fā)明的撓性傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，易于實現(xiàn)，同時沒有空程誤差，大大提高了傳動精度。
[0028](3)本發(fā)明采用圓弧插補算法實現(xiàn)，一方面轉(zhuǎn)軸搖擺運動的頻率和振幅容易調(diào)整，另一方面使運算時間間隔從毫秒級提高到微秒級，使搖擺精度與直接驅(qū)動方案相當(dāng)，極大地提高了搖擺精度，尤其在搖擺頻率大于等于1Hz時，波形失真度小于1%。
[0029](4)本發(fā)明通過采用兩軸圓弧插補算法使得轉(zhuǎn)軸搖擺的啟動和停止階段均通過半幅倍頻余弦曲線與搖擺階段的正弦曲線連接，使搖擺啟動和平穩(wěn)更平滑，同時避免了在啟動和停止階段引入高次(大于2次)諧波，減少了對被測產(chǎn)品的影響。
[0030](5)本發(fā)明控制器通過PMAC運動控制卡實現(xiàn)，PMAC運動控制卡的伺服周期為62.5微秒，有效保證了轉(zhuǎn)軸的搖擺精度和失真度。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為本發(fā)明轉(zhuǎn)軸搖擺運動裝置示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的撓性傳動裝置示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明的兩軸圓弧運動示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明的X軸運動軌跡示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明的Y軸運動軌跡示意圖。
【具體實施方式】
[0036]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸搖擺運動的裝置，包括傳動裝置2、步進電機3、驅(qū)動單元4和控制器5的轉(zhuǎn)軸搖擺運動裝置，其中步進電機3通過傳動裝置2與轉(zhuǎn)軸I相連，控制器5實時計算轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅并轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出給驅(qū)動單元4，驅(qū)動單元4實時將轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號輸出給步進電機3，步進電機3在所述驅(qū)動信號作用下轉(zhuǎn)動，從而通過傳動裝置2帶動旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸I進行正弦搖擺運動。
[0037]為了進一步提高搖擺精度并降低成本，本發(fā)明的傳動裝置可以采用撓性傳動裝置實現(xiàn)，如圖2所示，本發(fā)明的撓性傳動裝置包括弧形塊21、鋼絲繩22、彈性機構(gòu)23和傳動輪24，弧形塊21與轉(zhuǎn)軸I的框架固定連接，彈性機構(gòu)23設(shè)置在弧形塊21的一側(cè)，傳動輪24固聯(lián)在步進電機3的軸上，鋼絲繩22纏在傳動輪24上，鋼絲繩22的兩個自由端交叉后，一端與彈性機構(gòu)23連接，另一端固定連接在弧形塊21的固定端25處，固定端25位于弧形塊21與彈性機構(gòu)23對稱的另一側(cè);彈性機構(gòu)23用于為鋼絲繩22施加一定的預(yù)緊力，彈性機構(gòu)23由彈簧231、固定片232、滑動片233和預(yù)緊螺釘234組成，彈簧231放置在固定片232和滑動片233之間，通過旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺釘234，使滑動片233向固定片232移動，彈簧231被壓縮，由于彈簧231的壓縮量與預(yù)緊力大小成正比，所以規(guī)定彈簧的壓縮量就可以規(guī)定預(yù)緊力。
[0038]本發(fā)明控制器5通過PMAC運動控制卡實現(xiàn)，外圍可以采用工控機配合，工控機接收用戶輸入的信息，并輸出給PMAC運動控制卡，PMAC運動控制卡根據(jù)用戶輸入的信息計算轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅并輸出。PMAC運動控制卡的伺服周期為62.5微秒，能夠極大地提升搖擺精度和失真度。
[0039]本發(fā)明提出了一種利用上述裝置實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸搖擺運動的方法，包括如下步驟:
[0040]步驟一:轉(zhuǎn)軸搖擺運動的啟動階段:
[0041]控制器5根據(jù)用戶輸入的半徑rl、圓心01和起點Si，每隔時間間隔tl，利用兩軸圓弧插補算法得到當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅輸出給驅(qū)動單元4，通過步進電機3和傳動裝置2實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸I的啟動，其中tl為伺服周期。AO為轉(zhuǎn)軸搖擺運動的最大振幅，半徑rl=A0/2，圓心01 = (AO/2，A0/2)，起點si = (O，A0/2)；
[0042]步驟三:轉(zhuǎn)軸搖擺運動的搖擺階段:
[0043]當(dāng)轉(zhuǎn)軸I啟動時間達到T/4時，控制器5根據(jù)用戶輸入的半徑r2、圓心02和起點s2，每隔時間間隔tl，利用兩軸圓弧插補算法得到當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)軸搖擺運動的振幅輸出給驅(qū)動單元4，通過步進電機3和傳