專利名稱：位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及對各類帶材的橫向跑偏 進(jìn)行糾偏的新型伺服驅(qū)動(dòng)器。適于對塑料薄膜、紙、織物、膠帶、膠片、 金屬箔帶等各類帶材生產(chǎn)中的糾偏控制。
背景技術(shù)：
在諸如軟包裝印刷、塑料薄膜加工生產(chǎn)、紙品、紡織物、膠帶、金屬 箔帶等各類帶材加工、生產(chǎn)過程中，由于機(jī)組中的帶材張力不穩(wěn)、各單元 速度動(dòng)態(tài)同步協(xié)調(diào)性能欠佳、機(jī)械振動(dòng)、軸承磨損等而導(dǎo)致帶材在向前運(yùn) 動(dòng)中伴隨著橫向跑偏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了各類帶材的加工質(zhì)量及生產(chǎn)速度， 甚至造成整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備無法運(yùn)行。
對帶材跑偏進(jìn)行糾偏矯正是各類帶材生產(chǎn)中的基本要求，目前以電動(dòng) 機(jī)為糾偏執(zhí)行元件的系統(tǒng)中，糾偏執(zhí)行器常用直流伺服電動(dòng)機(jī)與絲桿螺母 副配合而構(gòu)成糾偏驅(qū)動(dòng)器，但由于直流伺服電動(dòng)機(jī)工作于速度控制方式， 使得糾偏動(dòng)作的快速性與平穩(wěn)性形成矛盾，制約了糾偏系統(tǒng)性能的提高， 使得目前電機(jī)執(zhí)行式的糾偏系統(tǒng)難以適應(yīng)帶材高速生產(chǎn)場合對高性能糾偏 控制的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有的糾偏執(zhí)行器存在的動(dòng)作快速性與平穩(wěn)性 間的矛盾問題，提供一種基于軟檢測方法的位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器， 利用軟檢測與自學(xué)習(xí)的方法使得無需使用雙軸伸式的執(zhí)行電機(jī)及在電機(jī)的
另一端軸上安裝旋轉(zhuǎn)位移傳感器(PG)或在直線推桿端安裝直線位移傳感 器而能使直流伺服電動(dòng)機(jī)一一滾珠推桿式糾偏執(zhí)行器能工作于快速且平穩(wěn) 的位置跟蹤控制方式的新型糾偏伺服執(zhí)行器。
本發(fā)明包括殼體，殼體下部固定設(shè)置有底座，殼體的后蓋板外側(cè)面固 定設(shè)置有電機(jī)，電機(jī)的動(dòng)力輸出軸伸入殼體內(nèi)。殼體內(nèi)設(shè)置有滾珠絲桿， 滾珠絲桿與電機(jī)的動(dòng)力輸出軸同軸設(shè)置，并通過聯(lián)軸器連接，滾珠絲桿與 殼體通過滾珠軸承連接。殼體內(nèi)設(shè)置有直線導(dǎo)軌，絲桿螺母與直線導(dǎo)軌配 合活動(dòng)連接，并通過直線導(dǎo)軌在圓周方向上限位，絲桿螺母與滾珠絲桿螺 紋連接。絲桿螺母的一端與推桿的底部固定連接。殼體的前端設(shè)置有軸套和前蓋板，推桿穿過軸套和前蓋板設(shè)置，推桿的頂部與連接板通過鉸鏈連 接。推桿為中空，套置在滾珠絲桿外，推桿、滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌平行設(shè) 置。絲桿螺母上固定設(shè)置有磁鋼，殼體上由前到后依次設(shè)置有前限位霍爾 開關(guān)、居中霍爾開關(guān)和后限位霍爾開關(guān)，前限位霍爾開關(guān)、居中霍爾開關(guān) 和后限位霍爾開關(guān)與磁鋼在圓周方向上位置對應(yīng)。編碼盤套置電機(jī)的動(dòng)力 輸出軸外，與聯(lián)軸器固定連接。殼體內(nèi)設(shè)置有槽形光電開關(guān)，槽形光電開 關(guān)與編碼盤位置配合。信號(hào)處理及控制電路板和接線盒設(shè)置在殼體外，前 限位霍爾開關(guān)、居中霍爾開關(guān)、后限位霍爾開關(guān)、槽形光電開關(guān)、電機(jī)和 接線盒均與信號(hào)處理及控制電路板連接。殼體外設(shè)置有保護(hù)罩，信號(hào)處理 及控制電路板和接線盒設(shè)置在保護(hù)罩內(nèi)。
所述的編碼盤為平面圓片型，其平面與電機(jī)的動(dòng)力輸出軸的軸向垂 直。編碼盤中心設(shè)置有軸孔以便電機(jī)的動(dòng)力輸出軸穿過。沿編碼盤圓周方 向間隔設(shè)置有檢測齒和檢測槽，編碼盤的檢測齒和檢測槽數(shù)量和形狀相 同。槽形光電開關(guān)的發(fā)射端和接收端與檢測齒和檢測槽位置對應(yīng)。
所述的信號(hào)處理及控制電路板的印刷電路板上固定設(shè)置有指令連接 件、傳感器連接件、RC濾波器、施密特觸發(fā)器、信號(hào)處理芯片、放大
器、3.3V穩(wěn)壓器、5V穩(wěn)壓器、輸出連接件、電流傳感器、電流濾波器、 電壓濾波器、指令跟隨器。其中，RC濾波器的輸入端與傳感器連接件的 輸出端連接，RC濾波器輸出端與施密特觸發(fā)器的輸入端連接，施密特觸 發(fā)器的輸出端與信號(hào)處理芯片的I/O輸入端連接，指令跟隨器的輸入端與 指令連接件的輸出端連接，信號(hào)處理芯片的PWM輸出端與放大器的輸入 端連接，放大器的輸出端與輸出連接件的輸出端及電壓濾波器的輸入端連 接，電流傳感器的地端與放大器的地端連接，電流傳感器的檢測端與放大 器的COM端及電流濾波器的輸入端連接，電流濾波器的輸出端、電壓濾 波器的輸出端及指令跟隨器的輸出端與信號(hào)處理芯片的AD輸入端連接， 輸出連接件的輸入端與5V穩(wěn)壓器的輸入端及放大器的主電源端連接，5V 穩(wěn)壓器的輸出端與3.3V穩(wěn)壓器的輸入端、放大器的控制電源端、施密特 觸發(fā)器的電源端及指令跟隨器的電源端連接，3.3V穩(wěn)壓器的輸出端與信 號(hào)處理芯片的電源端連接。
本發(fā)明中的電機(jī)、滾珠絲桿螺母副、滾珠軸承、霍爾開關(guān)、槽形光電 開關(guān)，及信號(hào)處理及控制電路板的印刷電路板上的指令連接件、傳感器連 接件、RC濾波器、施密特觸發(fā)器、信號(hào)處理芯片、放大器、3. 3V穩(wěn)壓
5器、5V穩(wěn)壓器、輸出連接件、電流傳感器、電流濾波器、電壓濾波器、 指令跟隨器等均采用的成熟產(chǎn)品，可以通過市場取得。例如電機(jī)采用直 流伺服電動(dòng)機(jī)，滾珠絲桿螺母副采用TBT型滾珠絲桿螺母副、聯(lián)軸器采用
GS型聯(lián)軸器、霍爾開關(guān)采用HK型霍爾接近開關(guān)、槽形光電開關(guān)采用PM-K24-U型光電開關(guān)、指令連接件與傳感器連接件均采用CH2.54型連接 件、施密特觸發(fā)器采用CD40106施密特觸發(fā)器、信號(hào)處理芯片采用 TMS320LF2407A、放大器采用STK6877放大器、3. 3V穩(wěn)壓器采用DF1117-3. 3穩(wěn)壓電源、5V穩(wěn)壓器采用LM7805穩(wěn)壓電源、輸出連接件采用HD-611 型接線端子排、電流傳感器采用精密電阻型傳感器、電流濾波器與電壓濾 波器均采用有源RC濾波器、指令跟隨器采用TLC2262型運(yùn)算放大器。
本發(fā)明的有益效果是采用基于軟檢測方法且具有自學(xué)習(xí)功能的位置 跟蹤方案以克服現(xiàn)有的糾偏執(zhí)行器存在的動(dòng)作快速性與平穩(wěn)性間的矛盾問 題，無需采用電動(dòng)機(jī)與光電編碼器(PG)機(jī)組的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低了造價(jià)、 提高了可靠性，特別是與現(xiàn)有的糾偏驅(qū)動(dòng)器比較具有顯著的性價(jià)比優(yōu)勢， 對提高相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)速度與質(zhì)量都具有重要意義，并有重要的技術(shù) 與經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明在諸如軟包裝印刷、塑料薄膜、紙類生產(chǎn)加工、紡織物、膠 帶、金屬箔帶等各類帶材的加工、生產(chǎn)過程中對帶材邊緣、帶材表面的印 刷圖案邊緣或標(biāo)志線的糾偏控制方面用途廣泛、使用方便。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)正視圖示意圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖示意圖3為編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖4為信號(hào)處理及控制電路板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1與圖2所示，基于軟檢測方法的位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器包 括殼體1，殼體1下部固定設(shè)置有底座16，殼體1的后蓋板12外側(cè)面固 定設(shè)置有電機(jī)11，電機(jī)11的動(dòng)力輸出軸伸入殼體1內(nèi)。殼體1內(nèi)設(shè)置有 滾珠絲桿17，滾珠絲桿17與電機(jī)11的動(dòng)力輸出軸同軸設(shè)置，并通過聯(lián) 軸器13連接，滾珠絲桿17與殼體1通過滾珠軸承14連接。殼體1內(nèi)設(shè) 置有直線導(dǎo)軌18，絲桿螺母15與直線導(dǎo)軌18配合活動(dòng)連接，并通過直線 導(dǎo)軌18在圓周方向上限位，絲桿螺母15與滾珠絲桿17螺紋連接。絲桿
6螺母15的一端與推桿19的底部固定連接。殼體1的前端設(shè)置有軸套20 和前蓋板21，推桿19穿過軸套20和前蓋板21設(shè)置，推桿19的頂部與連 接板22通過鉸鏈連接。推桿19為中空，套置在滾珠絲桿17夕卜，推桿 19、滾珠絲桿17和直線導(dǎo)軌18平行設(shè)置。絲桿螺母15上固定設(shè)置有磁 鋼5，殼體1上由前到后依次設(shè)置有前限位霍爾開關(guān)2、居中霍爾開關(guān)4 和后限位霍爾開關(guān)6，前限位霍爾開關(guān)2、居中霍爾開關(guān)4和后限位霍爾 開關(guān)6與磁鋼5在圓周方向上位置對應(yīng)。編碼盤8套置電機(jī)11的動(dòng)力輸 出軸外，與聯(lián)軸器13固定連接。殼體l內(nèi)設(shè)置有槽形光電開關(guān)9，槽形光 電開關(guān)9與編碼盤8位置配合。信號(hào)處理及控制電路板7和接線盒10設(shè) 置在殼體1夕卜，前限位霍爾開關(guān)2、居中霍爾開關(guān)4、后限位霍爾開關(guān) 6、槽形光電開關(guān)9、電機(jī)11和接線盒IO均與信號(hào)處理及控制電路板7連 接。殼體1外設(shè)置有保護(hù)罩3，信號(hào)處理及控制電路板7和接線盒10設(shè)置 在保護(hù)罩3內(nèi)。
如圖3所示，編碼盤8為平面圓片型，其平面與電機(jī)11的動(dòng)力輸出 軸的軸向垂直。編碼盤8設(shè)置有軸孔8-5以便電機(jī)11的動(dòng)力輸出軸穿 過。沿編碼盤8圓周方向間隔設(shè)置有檢測齒8-2和檢測槽8-3，編碼盤8 的檢測齒8-2和檢測槽8-3數(shù)量和形狀相同。編碼盤8上開有安裝孔8-4 以便將編碼盤8安裝在聯(lián)軸器13上。槽形光電開關(guān)9的發(fā)射端和接收端 與檢測齒8-2和檢測槽8-3位置對應(yīng)。
如圖4所示，信號(hào)處理及控制電路板7的印刷電路板上固定設(shè)置有指 令連接件23、傳感器連接件24、 RC濾波器25、施密特觸發(fā)器26、信號(hào) 處理芯片27、放大器28、 3. 3V穩(wěn)壓器29、 5V穩(wěn)壓器30、輸出連接件 31、電流傳感器32、電流濾波器33、電壓濾波器34、指令跟隨器35。其 中，RC濾波器的輸入端與傳感器連接件的輸出端連接，RC濾波器輸出端 與施密特觸發(fā)器的輸入端連接，施密特觸發(fā)器的輸出端與信號(hào)處理芯片的 I/O輸入端連接，指令跟隨器的輸入端與指令連接件的輸出端連接，信號(hào) 處理芯片的P麗輸出端與放大器的輸入端連接，放大器的輸出端與輸出連 接件的輸出端及電壓濾波器的輸入端連接，電流傳感器的地端與放大器的 地端連接，電流傳感器的檢測端與放大器的COM端及電流濾波器的輸入端 連接，電流濾波器的輸出端、電壓濾波器的輸出端及指令跟隨器的輸出端 與信號(hào)處理芯片的AD輸入端連接，輸出連接件的輸入端與5V穩(wěn)壓器的輸 入端及放大器的主電源端連接，5V穩(wěn)壓器的輸出端與3. 3V穩(wěn)壓器的輸入端、放大器的控制電源端、施密特觸發(fā)器的電源端及指令跟隨器的電源端連接，3. 3V穩(wěn)壓器的輸出端與信號(hào)處理芯片的電源端連接。
工作中，當(dāng)帶材邊緣或標(biāo)志線在放巻過程中出現(xiàn)橫向跑偏時(shí)，跑偏傳感器即輸出相應(yīng)的信號(hào)到糾偏控制器，經(jīng)糾偏控制器的控制算法運(yùn)算后輸出指令到位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器中的接線盒，進(jìn)而輸入到信號(hào)處理及控制板電路板上的指令連接件，并經(jīng)指令跟隨器后輸入到信號(hào)處理芯片的
AD輸入端，而電機(jī)的電樞電流則由電流傳感器、電流濾波器后輸入到信號(hào)處理芯片的AD輸入端，電樞電壓信號(hào)經(jīng)電壓濾波器后輸入到信號(hào)處理芯片的AD輸入端，信號(hào)處理芯片根據(jù)如式(1) 式(3)所示的推桿位移軟檢測算法及糾偏控制算法后經(jīng)信號(hào)處理芯片的PWM輸出端輸出控制信號(hào)到放大器的輸入端連接，經(jīng)放大器的輸出端與輸出連接件的輸出端與電機(jī)連接，進(jìn)而控制推桿的運(yùn)動(dòng)以達(dá)到糾偏的目的。此外，槽形光電開關(guān)的輸出信號(hào)反映了推桿的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)傳感器連接件輸入并依次通過RC濾波器及施密特觸發(fā)器后輸入到信號(hào)處理芯片的I/O輸入端，則信號(hào)處理芯片據(jù)此信號(hào)定時(shí)地對軟檢測算法進(jìn)行校正以提高對推桿運(yùn)動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)軟檢測的精度，這樣就可實(shí)現(xiàn)無需在電機(jī)的另一個(gè)軸端安裝成本高的光電編碼器產(chǎn)品(PG)，而只使用一片簡單廉價(jià)的碼盤與光開關(guān)，不僅降低了整機(jī)造價(jià)，而且減小了體積、提高了可靠性。
通過檢測電機(jī)的電樞電壓u、電樞電流i獲取推桿19位移x的主要軟檢測算法如下
(2)
x(A0 = jc("l) + 7y(&) (3)式(1) _式(3)中的R、 L、 T分別是電機(jī)的電樞電阻、電感、及信號(hào)采用周期，n(k)、 u(k)、 i(k)、 V(k)分別是第k個(gè)采樣時(shí)刻的直流伺服電動(dòng)機(jī)11的轉(zhuǎn)速(rpm)、電樞電壓(V)、電樞電流(A)、及推桿19的線速度(腿/s) ， m為絲桿17的螺距(mm) ， x (k) 、 x (k-1)分別是第k個(gè)采樣時(shí)刻與第k一l個(gè)采樣時(shí)刻的推桿直線位移量的計(jì)算值(mm)。
此外，霍爾開關(guān)2、 4、 6分別用于對推桿進(jìn)行前限位、居中、及后限位的檢測，其信號(hào)經(jīng)傳感器連接件輸入并依次通過RC濾波器及施密特觸發(fā)器后輸入到信號(hào)處理芯片的1/0輸入端，通過信號(hào)處理芯片的判別與控制以實(shí)現(xiàn)對推桿的行程限位保護(hù)及居中操作控制。
例如帶材在放巻過程中，當(dāng)其邊緣或標(biāo)志線出現(xiàn)橫向跑偏時(shí)，跑偏傳感器即輸出相應(yīng)的信號(hào)到糾偏控制器，經(jīng)糾偏控制器的控制算法運(yùn)算后輸出指令使基于軟檢測方法的位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器推動(dòng)放巻機(jī)構(gòu)作與跑偏方向相反的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到糾偏控制的目的。
權(quán)利要求
1、位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器，包括外殼，其特征在于殼體下部固定設(shè)置有底座，殼體的后蓋板外側(cè)面固定設(shè)置有電機(jī)，電機(jī)的動(dòng)力輸出軸伸入殼體內(nèi)；殼體內(nèi)設(shè)置有滾珠絲桿，滾珠絲桿與電機(jī)的動(dòng)力輸出軸同軸設(shè)置，并通過聯(lián)軸器連接，滾珠絲桿與殼體通過滾珠軸承連接；殼體內(nèi)設(shè)置有直線導(dǎo)軌，絲桿螺母與直線導(dǎo)軌配合活動(dòng)連接，并通過直線導(dǎo)軌在圓周方向上限位，絲桿螺母與滾珠絲桿螺紋連接；絲桿螺母的一端與推桿的底部固定連接；殼體的前端設(shè)置有軸套和前蓋板，推桿穿過軸套和前蓋板設(shè)置，推桿的頂部與連接板通過鉸鏈連接；推桿為中空，套置在滾珠絲桿外，推桿、滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌平行設(shè)置；絲桿螺母上固定設(shè)置有磁鋼，殼體上由前到后依次設(shè)置有前限位霍爾開關(guān)、居中霍爾開關(guān)和后限位霍爾開關(guān)，前限位霍爾開關(guān)、居中霍爾開關(guān)和后限位霍爾開關(guān)與磁鋼在圓周方向上位置對應(yīng)；編碼盤套置電機(jī)的動(dòng)力輸出軸外，并與聯(lián)軸器固定連接；殼體內(nèi)設(shè)置有槽形光電開關(guān)，槽形光電開關(guān)與編碼盤位置配合；信號(hào)處理及控制電路板和接線盒設(shè)置在殼體外，前限位霍爾開關(guān)、居中霍爾開關(guān)、后限位霍爾開關(guān)、槽形光電開關(guān)、電機(jī)和接線盒均與信號(hào)處理及控制電路板連接；殼體外設(shè)置有保護(hù)罩，信號(hào)處理及控制電路板和接線盒設(shè)置在保護(hù)罩內(nèi)；所述的編碼盤為平面圓片型，其平面與電機(jī)的動(dòng)力輸出軸的軸向垂直；編碼盤中心設(shè)置有軸孔，沿編碼盤圓周方向間隔設(shè)置有檢測齒和檢測槽，編碼盤的檢測齒和檢測槽數(shù)量和形狀相同，槽形光電開關(guān)的發(fā)射端和接收端與檢測齒和檢測槽位置對應(yīng)；所述的信號(hào)處理及控制電路板的印刷電路板上固定設(shè)置有指令連接件、傳感器連接件、RC濾波器、施密特觸發(fā)器、信號(hào)處理芯片、放大器、3.3V穩(wěn)壓器、5V穩(wěn)壓器、輸出連接件、電流傳感器、電流濾波器、電壓濾波器、指令跟隨器；其中，RC濾波器的輸入端與傳感器連接件的輸出端連接，RC濾波器輸出端與施密特觸發(fā)器的輸入端連接，施密特觸發(fā)器的輸出端與信號(hào)處理芯片的I/O輸入端連接，指令跟隨器的輸入端與指令連接件的輸出端連接，信號(hào)處理芯片的PWM輸出端與放大器的輸入端連接，放大器的輸出端與輸出連接件的輸出端及電壓濾波器的輸入端連接，電流傳感器的地端與放大器的地端連接，電流傳感器的檢測端與放大器的COM端及電流濾波器的輸入端連接，電流濾波器的輸出端、電壓濾波器的輸出端及指令跟隨器的輸出端與信號(hào)處理芯片的AD輸入端連接，輸出連接件的輸入端與5V穩(wěn)壓器的輸入端及放大器的主電源端連接，5V穩(wěn)壓器的輸出端與3.3V穩(wěn)壓器的輸入端、放大器的控制電源端、施密特觸發(fā)器的電源端及指令跟隨器的電源端連接，3.3V穩(wěn)壓器的輸出端與信號(hào)處理芯片的電源端連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及位置跟蹤式糾偏伺服執(zhí)行器。現(xiàn)有技術(shù)難以解決糾偏控制的快速性與平穩(wěn)性的矛盾。本發(fā)明以直流伺服電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件，其動(dòng)力軸經(jīng)聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，絲桿的螺母與套在絲桿外的中空的推桿連接，絲桿螺母與直線導(dǎo)軌配合活動(dòng)連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成推桿的直線運(yùn)動(dòng)；在聯(lián)軸器處安裝有圓形碼盤，碼盤在槽形光電開關(guān)的槽中轉(zhuǎn)動(dòng)以監(jiān)測推桿的運(yùn)動(dòng)，殼體內(nèi)還設(shè)置有三個(gè)分別檢測推桿運(yùn)動(dòng)的前限位、后限位、及居中信號(hào)的霍爾開關(guān)，信號(hào)處理及控制電路板根據(jù)三個(gè)霍爾開關(guān)和光電開關(guān)及來自外部的指令實(shí)現(xiàn)對推桿位移的快速跟蹤控制與保護(hù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、無觸點(diǎn)、可靠性高、糾偏迅速且平穩(wěn)，可廣泛使用于各類帶材生產(chǎn)過程的糾偏控制中。
文檔編號(hào)H02K7/10GK101494405SQ20081016387
公開日2009年7月29日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者玲 盧, 陳德傳 申請人:杭州電子科技大學(xué)