專利名稱：閉環(huán)定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于溫盤驅(qū)動(dòng)器伺服磁道錄寫的閉環(huán)定位裝置。它屬于信息存貯技術(shù)。
為了適應(yīng)大、中容量、小型溫盤驅(qū)動(dòng)器的制造，國(guó)外在70年代后期開始出現(xiàn)伺服磁道錄寫設(shè)備。閉環(huán)高精密定位裝置是其中的重要組成部分之一。美國(guó)Pioneer Research公司，HELIOS及THREE PHOENIX等公司的高精密定位機(jī)構(gòu)，多數(shù)采用激光傳感器作為位置檢測(cè)元件，運(yùn)動(dòng)件采用靜壓氣浮導(dǎo)軌。因此價(jià)格昂貴，日本也有人研制，例如，M.SASAKI，Y.MIURA，T.UENO《Servo Track Writer for Magnetic Disk Drive》，International Sympesium on Design and Synthesis，July 11-13，1984 TOKYO 801。它采用激光傳感器檢測(cè)位置，直接利用溫盤驅(qū)動(dòng)器的音圈電機(jī)及導(dǎo)軌，但不具有通用性。張繼山著《伺服磁道錄寫設(shè)備精密機(jī)械設(shè)計(jì)與調(diào)試》“計(jì)算機(jī)技術(shù)”1988年第5期，它不適用于5.25英寸及3.5英寸的溫盤。
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不能解決的問(wèn)題，在滿足相同功能的條件下，研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，性能好，價(jià)格低的閉環(huán)高精密定位裝置。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)方案如

圖1、圖2所示。步進(jìn)電機(jī)(1)(步距角為0.9°)通過(guò)波紋管聯(lián)軸器(2)驅(qū)動(dòng)絲桿(3)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)帶動(dòng)螺母(4)、球形鉸鏈(5)推動(dòng)粗定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(6)及精定位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座(7)一起由滾珠導(dǎo)軌導(dǎo)向作直線運(yùn)動(dòng)，位移量為2μm/步，通過(guò)楔塊(9)推動(dòng)頂桿(8)帶動(dòng)平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)移動(dòng)，至此完成相定位。緊接啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(17)，通過(guò)波紋管聯(lián)軸器(18)驅(qū)動(dòng)絲桿(19)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)螺母(20)，精定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(8)及固定其上的楔塊(9)直線移動(dòng)，其位移量可調(diào)節(jié)，例如0.05μm/步。楔塊(9)推動(dòng)頂桿(8)使平導(dǎo)軌精定位滑臺(tái)(9)作微量移動(dòng)，分辨率為0.1μm的光柵立即檢測(cè)，產(chǎn)生目標(biāo)值與實(shí)際值的差值信號(hào)再次啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(17)移動(dòng)楔塊(9)推動(dòng)頂桿(8)使平導(dǎo)軌精定位滑臺(tái)(12)作微量調(diào)整，以達(dá)到精定位目的。
平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)移動(dòng)采用帶彈性予加載的平面滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)(圖3、4)。它具有導(dǎo)向精度高、摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，運(yùn)轉(zhuǎn)輕便、靈活、無(wú)爬行，發(fā)熱小，定位精度高。
精密平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)與定位驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)頂桿(11)相連，驅(qū)動(dòng)裝置與平導(dǎo)軌安裝的誤差不影響平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度。
平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)的定位用粗、精分開定位。粗定位指快速運(yùn)動(dòng)到目的位置附近，經(jīng)微調(diào)，使精定位到達(dá)目的位置上，縮短定位時(shí)間，提高了效率。
精定位驅(qū)動(dòng)裝置用斜角可調(diào)的楔塊機(jī)構(gòu)，滿足不同分辨率的要求，一般分辨率在0.01-0.1μm范圍。
用波紋管聯(lián)軸器，解決絲桿與步進(jìn)電機(jī)軸不同心所引起的問(wèn)題。
為了消除絲桿與螺母付的空間，用彈簧恒力消隙機(jī)構(gòu)(如圖5)。
本閉環(huán)定位裝置的工作簡(jiǎn)況參見圖1和圖2(圖1是圖2的俯視簡(jiǎn)圖)。當(dāng)所需直線運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)確定定后，本裝置按粗定位和精定位依次執(zhí)行，然后由光柵檢測(cè)此時(shí)的實(shí)際位置，轉(zhuǎn)由閉環(huán)控制，直至達(dá)到目標(biāo)位置。其具體傳動(dòng)過(guò)程如下。按所需移動(dòng)的距離，算出粗、精定位驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)走的步數(shù)，先啟動(dòng)粗定位步進(jìn)電機(jī)(1)，通過(guò)波紋管彈性聯(lián)軸器(2)驅(qū)動(dòng)絲桿(3)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)帶動(dòng)螺母(4)，球形鉸鏈(5)、粗定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(6)、精定位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座(7)一起移動(dòng)，通過(guò)楔塊(9)推動(dòng)頂桿(11)，帶動(dòng)平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)移動(dòng)，緊接啟動(dòng)精定位步進(jìn)電機(jī)(17)，通過(guò)波紋管聯(lián)軸器(18)驅(qū)動(dòng)絲桿(19)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)帶動(dòng)螺母(20)，精定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(8)及固定其上的楔塊(9)移動(dòng)，楔塊(9)通過(guò)其斜面推動(dòng)頂桿(11)帶動(dòng)平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)作微量移動(dòng)。然后由分辨率為0.1μm的光柵位置傳感器檢測(cè)此時(shí)的實(shí)際位置，求出目標(biāo)值與實(shí)際值二者之差，并發(fā)出差值信號(hào)再次啟動(dòng)精定位步進(jìn)電機(jī)(17)，使楔塊(9)移動(dòng)，導(dǎo)致平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)作微量調(diào)整，直至達(dá)到目標(biāo)位置，經(jīng)美國(guó)裴普公司生產(chǎn)的HP5528A雙頻激光干涉系統(tǒng)檢測(cè)，本裝置的定位精度為±0.15μm。
精密平導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3、圖4所示(圖4為圖3的俯視簡(jiǎn)圖)。它只作唯一直線運(yùn)動(dòng)的性能是由兩部分結(jié)構(gòu)所保證的。一部分是由下方的四塊位于同一水平面的承導(dǎo)件(21)(它們與平導(dǎo)軌的基座(15)固定在一起)、上方的四塊位于同一水平面的運(yùn)動(dòng)件(22)(它們與精定位導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)固定在一起并正好與承導(dǎo)件(21)相對(duì)應(yīng))及放置在承導(dǎo)件(21)和運(yùn)動(dòng)件(22)之間的若干鋼球(23)所組成。這樣就結(jié)束了整個(gè)平導(dǎo)軌(它由平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)和平導(dǎo)軌基座(15)等所組成)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。在運(yùn)動(dòng)件(22)的上方安裝了四個(gè)帶彈簧加載的滾動(dòng)軸承(24)，向下施力以確保(21)、(22)、(23)三者緊密接觸，以構(gòu)成力封閉。另一部分是由兩塊基側(cè)面垂直于水平面的運(yùn)動(dòng)件(25)(它們與精定位導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)固定在一起)及固定于基座(15)上的二個(gè)特制的滾動(dòng)軸承(26)所組成，在軸承(26)相對(duì)的另一邊還有兩個(gè)靠彈簧加載的滾動(dòng)軸承(27)以構(gòu)成力封閉，它又約束了整個(gè)平導(dǎo)軌的二個(gè)自由度。至此，這兩部分共約束了五個(gè)自由度只剩下唯一的沿直線運(yùn)動(dòng)的自由度。本導(dǎo)軌具有制造簡(jiǎn)單、導(dǎo)向精度高，摩擦系數(shù)小、且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，因而運(yùn)動(dòng)輕便、靈活、無(wú)爬行，定位精度高。經(jīng)檢測(cè)其直線度可達(dá)①在40mm行程內(nèi)垂直方向的直線度為1.5″(0.29μm)②在40mm行程內(nèi)水平方向的直線度為1″(0.19μm)精定位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)粗、精步進(jìn)電機(jī)走完規(guī)定的步數(shù)后光柵位置傳感器便檢測(cè)出此時(shí)平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)的實(shí)際位置并發(fā)出差值信號(hào)以再次啟動(dòng)精定位步進(jìn)電機(jī)(17)，通過(guò)固聯(lián)在(17)上的波紋管聯(lián)軸器(18)驅(qū)動(dòng)絲桿(19)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)帶動(dòng)螺母(20)，精定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(8)及固定其上的楔塊(9)移動(dòng)，楔塊(9)的斜角大小依精定位分辨率大小的需要而設(shè)計(jì)。例如本機(jī)構(gòu)中絲桿(18)螺距為1mm，步進(jìn)電機(jī)(16)的步距角為0.9°，楔塊(9)的斜度為1∶50，因此步進(jìn)電機(jī)每走一步就推動(dòng)平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)移動(dòng)0.05μm。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，響應(yīng)時(shí)間快，穩(wěn)定性好。
自制的新型波紋管彈性聯(lián)軸器如圖5所示。波紋管(28)采用先進(jìn)焊接技術(shù)與聯(lián)接套(29、30)焊成一體，聯(lián)接套(29、30)分別與步進(jìn)電機(jī)軸和絲桿軸聯(lián)接，從而簡(jiǎn)化了制造工藝又解決了電機(jī)軸與絲桿軸必須嚴(yán)格同心的難題。
為消除絲桿(3)與螺母(4)之間存在的軸向游隙，本裝置采用了彈簧恒力消隙機(jī)構(gòu)(圖6)粗定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(6)上固定二個(gè)小尺寸的滾動(dòng)軸承(31)，擺桿(32)繞固定在基座上的軸(33)擺動(dòng)，擺桿(32)由拉簧(34)施加拉力，此力通過(guò)擺桿(32)、滾動(dòng)軸承(31)使得粗定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(6)始終有一向右的力作用，亦即螺母(4)始終緊貼在絲桿(3)的固定側(cè)面上。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為，拉簧(34)施加在滑臺(tái)(6)上的力的大小不隨粗定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)(6)移動(dòng)的行程大小變化而改變。因此它使螺母(4)與絲桿(3)之間的接觸力保持不變，摩擦力恒定，減少了磨損，即使磨損后因有拉力存在也保證了螺母(4)與絲桿(3)之間的緊密接觸，消除了空回。
本裝置如除去反饋系統(tǒng)不用，配上測(cè)量頭，還可作為長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器使用，其測(cè)量值由光柵數(shù)顯箱顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.精密平導(dǎo)軌采用了形狀簡(jiǎn)單的平面型式，制造簡(jiǎn)單，易于達(dá)到高精度，滾動(dòng)體經(jīng)精選，保證了尺寸一致性，因而導(dǎo)軌具有高的導(dǎo)向精度，極小的摩擦，確保在毫微米級(jí)移動(dòng)中無(wú)爬行現(xiàn)象，而無(wú)需采用體積大，價(jià)格貴的靜壓氣浮導(dǎo)軌。
2.精定位導(dǎo)軌與驅(qū)動(dòng)裝置僅靠一頂桿相聯(lián)系，避開了許多傳動(dòng)元件帶來(lái)的誤差和振動(dòng)影響，保證了精定位導(dǎo)軌的精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。
3.驅(qū)動(dòng)裝置粗、精分開，既保證了快速移動(dòng)又保證了精微的位移調(diào)整。
4.采用楔塊調(diào)節(jié)精定位時(shí)的分辨率，既簡(jiǎn)單又可靠。
5.采用自制的波紋管聯(lián)軸器，既便于安裝，降低加工的精度要求，又便于裝配、隔離電機(jī)振動(dòng)。
6.采用彈簧恒力消隙機(jī)構(gòu)，既消除了絲桿、螺母付的空回，又減輕了絲桿-螺母的磨損。
圖1、圖2是傳動(dòng)方案和結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中1是步進(jìn)電機(jī)，2是波紋管聯(lián)軸器，3是粗定位驅(qū)動(dòng)絲桿，4是粗定位驅(qū)動(dòng)螺母，5是球形鉸鏈，6是粗定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)，7是精定位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座，8是精定位驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)，9是精定位楔塊，10是滾動(dòng)軸承，11是頂桿，12是精密平導(dǎo)軌滑臺(tái)，13是標(biāo)尺光柵，14是指示光柵，15是精定位導(dǎo)軌基座，16是粗定位驅(qū)動(dòng)底座，17是精定位步進(jìn)電機(jī)，18是是波紋管聯(lián)軸器，19是精定位驅(qū)動(dòng)絲桿，20是精定位驅(qū)動(dòng)螺母。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3、圖4是精密平導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中21是承導(dǎo)件，22是運(yùn)動(dòng)件，23是鋼球，24是彈力加載滾動(dòng)軸承，25是運(yùn)動(dòng)件，26是特制滾動(dòng)軸承，27是彈力加載滾動(dòng)軸承。
圖4是圖3的俯視圖。
圖5是波紋管聯(lián)軸器。圖中28是波紋管，29，30是聯(lián)接套。
圖6是恒力消隙系統(tǒng)。圖中31是滾動(dòng)軸承，32是擺桿，33是軸，34是拉簧。
權(quán)利要求
1.一種用于溫盤驅(qū)動(dòng)器伺服磁道錄寫的閉環(huán)定位裝置，其特征在于平導(dǎo)軌滑臺(tái)(12)上裝標(biāo)尺光柵(13)，標(biāo)尺光柵與不動(dòng)的指示光柵(14)組成光柵位置檢測(cè)傳感器，步進(jìn)電機(jī)(1、16)，波紋管彈性聯(lián)軸器(2、17)，絲桿(3、19)三者相聯(lián)，螺母(4、20)，球形鉸鏈(5)，滑臺(tái)(6、8)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座(7、16)，平導(dǎo)軌底座(15)，楔塊(9)，頂桿(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位裝置，其特征在于4塊位于同一水平面的承導(dǎo)件(21)與基座(15)固定在一起，承導(dǎo)件(21)與運(yùn)動(dòng)件(22)間有28個(gè)鋼球(23)，運(yùn)動(dòng)件(22)上方有4個(gè)帶彈簧加載的滾動(dòng)軸承(24)，2塊運(yùn)動(dòng)件(25)與滑臺(tái)(12)固定在一起，基座(15)上有2個(gè)園弧滾動(dòng)軸承(26)，2個(gè)靠彈簧加載的滾動(dòng)軸承(27)組成平導(dǎo)軌。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位裝置，其特征在于由光柵位置傳感器，滑臺(tái)(12)，步進(jìn)電機(jī)(16)，波紋管聯(lián)軸器(17)，絲桿(18)，螺母(19)，滑臺(tái)(8)，楔塊(9)組成閉環(huán)系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位裝置，其特征在于波紋管(28)與聯(lián)接套(29、30)連成一體，聯(lián)接套(26、27)與步進(jìn)電機(jī)軸及絲桿軸相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位裝置，其特征在于滑臺(tái)(6)上固定2個(gè)滾動(dòng)軸承(31)，擺桿(32)，軸(33)，拉簧(34)使螺母(4)與絲桿(3)保持單面接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位裝置，其特征在于28個(gè)鋼球之間的球徑尺寸誤差是0.2μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定位裝置，其特征在于根據(jù)分辨率0.1至0.01μm調(diào)整楔塊(9)的斜度。
全文摘要
本發(fā)明用于溫盤驅(qū)動(dòng)器伺服磁道錄寫裝置的閉環(huán)定位裝置。該裝置的精密平導(dǎo)軌滑臺(tái)，依次由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)，在40mm行程內(nèi)垂直方向的直線度為1.5(角)秒(0.29μm)，在水平方向的直線度為1(角)秒(0.19μm)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，用絲桿、螺母副恒力消除機(jī)構(gòu)與波紋管聯(lián)軸器用分辨率0.1μm的光柵傳感器作為位置檢測(cè)。在完成相同功能的條件下，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G11B5/596GK1066526SQ9110300
公開日1992年11月25日 申請(qǐng)日期1991年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月6日
發(fā)明者倪漿銘, 黃益森, 余勝生, 周敬利, 徐有青 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)