CN103837339A - 一种动态伺服力驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态伺服力驱动系统。所述系统包括机械本体、电机、力传感器、A/D转换器、控制器、伺服驱动器。机械本体中包含一前加载盘和一后加载盘，前后加载盘间设置若干弹簧，后加载盘固定在机械本体中滚珠丝杠的螺母上。电机可驱动滚珠丝杠，后者带动后加载盘，使前后加载盘相对运动而压缩弹簧以产生加载力。加载时控制器根据设定力和力传感器信号控制伺服驱动器驱动电机，实现按设定力精确加载。本发明采用并联压缩弹簧，使输出力成倍增加；压缩弹簧固定在可沿固定支座滚动的加载盘上，行程取决于滚珠丝杠的长度；具有输出力大、行程大的特点；控制器采用带扰动观测器的自适应滑模控制算法可实现外界干扰下的动态高精度加载。

Description

一种动态伺服力驱动系统

技术领域

本发明涉及一种动态伺服力驱动系统。可应用于数控机床主轴、导轨等功能部件可靠性试验中载荷谱的施加、工况模拟、静刚度测试等。还可以应用于需要大加载力、大行程的加载测试方面。

背景技术

 数控机床可靠性评定中，需要对主轴按照一定的载荷谱施加载荷。为了模拟机床实际运行状态，加载装置不仅需要在主轴上施加一定大小的力,还要能够模拟主轴和工作台间的相对运动。通常可以采用气缸或液压缸加载。但是前者需要气源；后者需要一套液压站，噪声大，易污染。中国专利（专利号201110075629.9）提出了一种可测力电动伺服加载装置，该装置通过伺服电机驱动滚珠丝杠，由滚珠丝杠推动加载头实现加载，弹簧的作用不是产生加载力而是起到预紧作用。

已有技术中利用压缩弹簧产生加载力的力驱动器或加载装置，压缩弹簧的一端相对机座固定不动，另一端在外力的推动下产生压缩形成弹力实现加载。在需要同时实现加载力和大行程移动的场合，受弹簧自身尺寸、强度等限制，弹簧本身产生的压缩量有限，不能满足大行程运动。而且已有的基于压缩弹簧产生加载力的力驱动器或加载装置多采用一个压缩弹簧，输出力大小有限。控制方法多采用比例积分微分（PID）控制，抗外界干扰能力差，动态输出力精度不高。

发明内容

为了解决PID控制抗外界干扰能力差，动态输出力精度不高的问题，本发明提供一种动态伺服力驱动系统，其基于压缩弹簧和伺服电机，具有行程大、输出力范围宽、可实现动态加载的特点。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明的动态伺服力驱动系统，其特点是，所述的驱动系统含有机械本体、力传感器、A/D转换器、控制器、伺服驱动器；所述的机械本体包括支座、伺服电机驱动组件、轴承组件、滚珠丝杠组件、压缩弹簧组件、导轨组件、加载头组件；其中，所述的伺服电机驱动组件含有伺服电机、导板、同步带、从同步带轮，轴承组件含有轴承端盖、轴承套筒、轴承座、轴承组，滚珠丝杠组件包含丝杠、丝杠螺母，压缩弹簧组件含有弹簧、导杆、前加载盘、后加载盘，导轨组件含有动导轨条、静导轨条，加载头组件含有过渡套筒、力传感器、加载头，轴承组包含三组推力角接触球轴承; 其连接关系是，所述的支座一端设置有电机安装板，支座的底面为平面，支座柱状圆筒内孔圆周上均布设置有用于固定静导轨条的三个矩形槽，支座柱状圆筒中轴线与支座底面平行；所述的丝杠设置在支座的中轴线上；电机安装板上设置有导板和导槽，导板与支座上的导向槽间隙配合，伺服电机固定连接在电机安装板上的导板上；所述圆环状的后加载盘中轴线上有一中心孔，后加载盘上沿中轴线圆周均匀设置有数个通孔，外圆周面均布设置三个矩形槽；所述的圆环状的前加载盘中轴线上有一中心孔，在前加载盘沿中轴线的圆周上设置有与后加载盘位置对应的通孔；伺服电机轴上的主同步带轮通过同步带驱动从同步带轮；所述的从同步带轮通过键与丝杠连接；轴承组的内圈与丝杠的轴端为过渡配合；轴承组的外圈与轴承套筒的内孔为间隙配合；轴承套筒的外圆与轴承座间隙配合，并通过螺钉与轴承座连接；所述的轴承座与支座的内圆面配合，通过螺钉与支座连接；所述的轴承端盖压紧在轴承组的内圈，通过螺钉与轴承套筒连接；所述的丝杠的上的丝杠螺母的外圆柱面与后加载盘的中心孔间隙配合；所述的后加载盘外圆周上的三个均匀设置的矩形槽上对应安装有三个动导轨条；所述的静导轨条嵌入在后加载盘的矩形槽内，所述的动导轨条与静导轨条之间安装有滚珠；所述的丝杠螺母通过螺钉与所述的压缩弹簧组件中的后加载盘连接；所述的后加载盘与前加载盘之间通过导杆连接；导杆的外围设置有弹簧；前加载盘与设置在滚珠丝杠外围的过渡套筒的一端连接；过渡套筒的另一端与力传感器一端连接；传感器另一端与加载头连接；所述的支座、丝杠、前加载盘、后加载盘、导杆为同轴设置；

所述的控制器通过A/D转换，接受力传感器的力信号，力信号通过与设定力的偏差在控制器内部计算得到控制信号；控制信号经伺服驱动器放大后驱动机械本体中的伺服电机旋转，伺服电机通过同步带驱动从皮带轮，从皮带轮带动滚珠丝杠旋转，进而通过丝杠螺母驱动压缩弹簧组件中的后加载盘，前加载盘和后加载盘之间发生相对运动压缩弹簧产生加载力。

所述的导杆一端通过内螺纹与前加载盘的通孔固定连结，贯穿于压缩弹簧，导杆另一端与后加载盘沿圆周均布的孔间隙配合，并通过螺母压紧在后加载盘上。

所述的轴承组能够替换为含有径向轴承和止推轴承组成的轴承组。

所述压缩弹簧组件与支座之间通过导轨组件形成运动副，运动副是滚动运动副或滑动运动副。

所述的伺服电机驱动组件和丝杠之间采用同步带传动或联轴器传动。

所述的丝杠能够采用梯形螺杆替代。

所述的动态伺服力驱动系统采用力矩控制模式，控制算法采用带扰动观测器的自适应滑模控制。

本发明中，所述的压力传感器通过过渡套筒同前加载盘连接，载荷直接通过压力传感器施加在待加载目标上。所述的压缩弹簧穿在导杆上，直接作用于后加载盘，力驱动器产生的加载力由弹簧压缩产生。所述的导杆和后加载盘通过螺纹连接，并可通过螺纹调整弹簧的预压量，弹簧、前加载盘、过渡套筒、压力传感器的重量由导杆支撑。所述的后加载盘与基座之间通过导轨条、滚动体形成滚动副，可沿支座孔轴向运动。所述的角接触球轴承组通过轴承套筒和轴承端盖固定在轴承座上。所述的伺服电机通过导板固定在基座上，导板可以通过调整螺钉沿支座上的矩形槽滑动，实现同步带轮间距调整和同步带预紧。所述的压力传感器和采用带干扰观测器的自适应滑模控制算法的控制器能够实现按给定大小的力实现精确加载。

本发明具有以下优点：

1.    本发明中，由前加载盘、弹簧、后加载盘组成的加载组件能够在加载的过程中相对支座轴向移动，可移动的行程取决于滚珠丝杠的长度。具有行程大的优点，避免了传统弹簧加载装置行程受弹簧尺寸、强度的限制。

2.    本发明采用并联压缩弹簧能够实现大输出力，可达10000N以上。

3.    本发明导杆既起到调节弹簧预压量，又起到支撑弹簧、前加载盘的作用。

4.    本发明后加载盘和支座之间通过滚动体形成运动副，变滑动摩擦为滚动摩擦，提高了力的控制精度。

5.    本发明采用伺服电动机和同步带传动，伺服电机位于支座的一侧，具有结构紧凑、体积小的特点。

6.    伺服驱动器采用力矩控制模式，结合带扰动观测器的自适应滑模控制算法能够实现外界干扰动下的动态高精度加载。

附图说明

图1为本发明中的机械本体的结构示意图；

图2为本发明中的机械本体部分的剖视图；

图3本发明中机械本体部分的基座结构示意图；

图4为本发明中机械本体部分前加载盘的结构示意图；

图5为为本发明中机械本体部分导杆的结构示意图；

图6为本发明的系统框图；

图7为本发明的动态力伺服驱动系统在正弦参考力下，不带干扰观测器的自适应滑模控制响应曲线及跟踪误差曲线图；

图8为本发明的动态力伺服驱动系统在正弦参考力下，带干扰观测器的自适应滑模控制响应曲线及跟踪误差曲线图；

图中，1.支座    2.伺服电机     3.调整螺钉     4.锁紧螺母     5.同步带     6.从同步带轮     7.轴承端盖     8.轴承套筒     9.轴承座     10.轴承组     11.滚珠丝杠     12.丝杠螺母     13.螺母     14.滚子组件     15.动导轨条     16.静导轨条     17.压缩弹簧     18.导杆     19.前加载盘     20.过渡套筒     21.力传感器      22.后加载盘     23.导板     24.加载头     25.控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式进行描述。

实施例1

图1为本发明中的机械本体的结构示意图，图2为本发明中的机械本体部分的剖视图，图3本发明中机械本体部分的基座结构示意图，图4为本发明中机械本体部分前加载盘的结构示意图，图5为为本发明中机械本体部分导杆的结构示意图。图6为本发明的系统框图，图7为本发明的动态力伺服驱动系统在正弦参考力下，不带干扰观测器的自适应滑模控制响应曲线及跟踪误差曲线图，图8为本发明的动态伺服驱动力系统在正弦参考力下，本发明中正弦参考力下带干扰观测器的自适应滑模控制响应曲线及跟踪误差曲线图。

在图1~6中，本发明的动态伺服力驱动系统含有机械本体、力传感器、A/D转换器、控制器、伺服驱动器；所述的机械本体包括支座、伺服电机驱动组件、轴承组件、滚珠丝杠组件、压缩弹簧组件、导轨组件、加载头组件；其中，所述的伺服电机驱动组件含有伺服电机2、导板23、同步带5、从同步带轮6，轴承组件含有轴承端盖7、轴承套筒8、轴承座9、轴承组10，滚珠丝杠组件包含丝杠11、丝杠螺母 12，压缩弹簧组件含有弹簧17、导杆18、前加载盘19、后加载盘22，导轨组件含有动导轨条15、静导轨条16，加载头组件含有过渡套筒 20、力传感器21、加载头24，轴承组10包含三组推力角接触球轴承; 其连接关系是，所述的支座1一端设置有电机安装板，支座的底面为平面，支座柱状圆筒内孔圆周上均布设置有用于固定静导轨条16的三个矩形槽，支座柱状圆筒中轴线与支座底面平行；所述的丝杠11设置在支座的中轴线上；电机安装板上设置有导板23和导槽，导板23与支座1上的导向槽间隙配合，伺服电机2固定连接在电机安装板上的导板23上；所述圆环状的后加载盘22中轴线上有一中心孔，后加载盘22上沿中轴线圆周均匀设置有数个通孔，外圆周面均布设置三个矩形槽；所述的圆环状的前加载盘19中轴线上有一中心孔，在前加载盘19沿中轴线的圆周上设置有与后加载盘22位置对应的通孔；伺服电机2轴上的主同步带轮通过同步带5驱动从同步带轮6；所述的从同步带轮6通过键与丝杠11连接；轴承组10的内圈与丝杠11的轴端为过渡配合；轴承组10的外圈与轴承套筒8的内孔为间隙配合；轴承套筒8的外圆与轴承座9间隙配合，并通过螺钉与轴承座9连接；所述的轴承座9与支座1的内圆面配合，通过螺钉与支座1连接；所述的轴承端盖7压紧在轴承组10的内圈，通过螺钉与轴承套筒8连接；所述的丝杠11的上的丝杠螺母12的外圆柱面与后加载盘22的中心孔间隙配合；所述的后加载盘22外圆周上的三个均匀设置的矩形槽上对应安装有三个动导轨条15；所述的静导轨条16嵌入在后加载盘（22）的矩形槽内，所述的动导轨条（15）与静导轨条（16）之间安装有滚珠14；所述的丝杠螺母12通过螺钉与所述的压缩弹簧组件中的后加载盘22连接；所述的后加载盘22与前加载盘19之间通过导杆18连接；导杆18的外围设置有弹簧17；前加载盘19与设置在滚珠丝杠11外围的过渡套筒20的一端连接；过渡套筒20的另一端与力传感器21一端连接；传感器21另一端与加载头24连接；所述的支座1、丝杠11、前加载盘19、后加载盘20、导杆18为同轴设置，如图1~5所示。

所述的控制器25通过A/D转换，接受力传感器21的力信号，力信号通过与设定力的偏差在控制器25内部计算得到控制信号；控制信号经伺服驱动器放大后驱动机械本体中的伺服电机2旋转，伺服电机2通过同步带5驱动从皮带轮6，从皮带轮6带动滚珠丝杠11旋转，进而通过丝杠螺母12驱动压缩弹簧组件中的后加载盘22，前加载盘19和后加载盘22之间发生相对运动压缩弹簧17产生加载力，如图6所示。

导杆18一端通过内螺纹与前加载盘19的通孔固定连结，贯穿于压缩弹簧17，导杆18另一端与后加载盘22沿圆周均布的孔间隙配合，并通过螺母13压紧在后加载盘22上。

所述的一种动态伺服力驱动系统控制算法采用带扰动观测器的自适应滑模控制算法。

本实施例中所述的导杆有六根，导杆18为其中一根。

所述的伺服电机通过螺栓固定在导板23上，导板23同支座1上的导向槽间隙配合，通过调整螺母3可以调节主同步带轮和从同步带轮6之间的中心距。

所述的轴承组10包含3组推力角接触球轴承，其中的2组与剩余的1组背靠背布置。所述的滚动体组件14位于动导轨条15和固定导轨条16之间，通过调整位于支座上的定位螺钉可以调整固定导轨条、滚动体组件、动导轨条之间的相对几何位置，并施加预紧力；并可以通过位于支座1上的紧定螺钉锁紧。在前加载盘压缩弹簧的过程中，导杆18可以相对后加载盘22在小孔中滑动。所述的伺服电机2的额定扭矩应大于                                                

，其中为最大加载力，L为滚珠丝杠的导程，

为传动效率。

本发明的动态伺服力驱动系统可以实现给定载荷谱的精确加载。加载过程中力传感器的信号通过放大、调理、A/D转换进入控制器，在控制器上运行的算法可计算给定参考力的控制信号的计算，由控制信号驱动伺服放大器，从而实现给定力加载。所述的控制算法如下所述：

考虑如下不确定离散系统

          

                 (1)

不确定项和扰动项

满足如下匹配条件

，

，则（1）可以改写为：

           

                    (2)

其中

.

设指令位置信号为

,跟踪误差为

,则切换函数表示为

                             (3)

其中, 

,

,

,

为采样时间间隔.由（4）得：

   (4)

得到控制律为

  (5)

力驱动器在工作时被加载对象通常是运动的，为了提高动态跟踪精度可以引入干扰观测器补偿外界干扰的作用。针对 (1),设计如下带有干扰补偿的滑模控制器

        

                              (6)

其中取式（5）,

,干扰观测器设计为

      (7)

其中,

,为正的实数。

为了减小干扰观测器的抖振，对（7）稍作修改，采用参数自适应算法，令

，则

   (8)  

综上，带扰动观测器的自适应滑模控制律为：

 （9）

图7为给定正弦参考力下没有采用扰动观测器时自适应滑模控制律（5）的跟踪曲线及误差，图8为给定正弦参考力下采用扰动观测器的自适应滑模控制律（9）的跟踪曲线及误差。可以看出，后者的跟踪误差显著小于前者。

 实施例2

本实施例与实施例1结构相同，不同之处在于：所述的滚珠丝杠的驱动方式可以采用伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠直接驱动。所述的滚珠丝杠可以采用梯形螺杆及螺母副实现。所述的后加载盘同支座之间可以采用导向键取代滚动体组件。所述的轴承组是含有推力球轴承或圆柱滚子推力轴承的轴承组。所述的控制器采用单片机、DSP处理器或者工业控制计算机。

综上，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的内容及技术特点已揭示如上，但是熟悉本项技术的人员仍有可能基于本发明所揭示的内容作各种不背离本发明创作精神的替换和修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，凡依本发明的结构及原理所作的等效变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种动态伺服力驱动系统，其特征在于，所述的动态伺服力驱动系统含有机械本体、力传感器、A/D转换器、运动控制器、伺服驱动器；所述的机械本体包括支座、伺服电机驱动组件、轴承组件、滚珠丝杠组件、压缩弹簧组件、导轨组件、加载头组件；其中，所述的伺服电机驱动组件含有伺服电机（2）、导板（23）、同步带（5）、从同步带轮（6），轴承组件含有轴承端盖(7)、轴承套筒(8)、轴承座(9)、轴承组(10)，滚珠丝杠组件包含丝杠(11)、丝杠螺母(12)，压缩弹簧组件含有弹簧（17）、导杆（18）、前加载盘（19）、后加载盘（22），导轨组件含有动导轨条（15）、静导轨条（16），加载头组件含有过渡套筒(20)、力传感器（21）、加载头（24），轴承组（10）包含三组推力角接触球轴承; 其连接关系是，所述的支座（1）一端设置有电机安装板，支座的底面为平面，支座柱状圆筒内孔圆周上均布设置有用于固定静导轨条（16）的三个矩形槽，支座柱状圆筒中轴线与支座底面平行；所述的丝杠（11）设置在支座的中轴线上；电机安装板上设置有导板（23）和导槽，导板（23）与支座（1）上的导向槽间隙配合，伺服电机（2）固定连接在电机安装板上的导板（23）上；所述圆环状的后加载盘（22）中轴线上有一中心孔，后加载盘（22）上沿中轴线圆周均匀设置有数个通孔，外圆周面均布设置三个矩形槽；所述的圆环状的前加载盘（19）中轴线上有一中心孔，在前加载盘（19）沿中轴线的圆周上设置有与后加载盘（22）位置对应的通孔；伺服电机（2）轴上的主同步带轮通过同步带（5）驱动从同步带轮（6）；所述的从同步带轮（6）通过键与丝杠（11）连接；轴承组（10）的内圈与丝杠（11）的轴端为过渡配合；轴承组10的外圈与轴承套筒（8）的内孔为间隙配合；轴承套筒（8）的外圆与轴承座（9）间隙配合，并通过螺钉与轴承座（9）连接；所述的轴承座（9）与支座（1）的内圆面配合，通过螺钉与支座（1）连接；所述的轴承端盖（7）压紧在轴承组（10）的内圈，通过螺钉与轴承套筒（8）连接；所述的丝杠（11）的上的丝杠螺母（12）的外圆柱面与后加载盘（22）的中心孔间隙配合；所述的后加载盘（22）外圆周上的三个均匀设置的矩形槽上对应安装有三个动导轨条（15）；所述的静导轨条（16）嵌入在后加载盘（22）的矩形槽内，所述的动导轨条（15）与静导轨条（16）之间安装有滚珠（14）；所述的丝杠螺母（12）通过螺钉与所述的压缩弹簧组件中的后加载盘（22）连接；所述的后加载盘（22）与前加载盘（19）之间通过导杆（18）连接；导杆（18）的外围设置有弹簧（17）；前加载盘（19）与设置在滚珠丝杠（11）外围的过渡套筒（20）的一端连接；过渡套筒（20）的另一端与力传感器（21）一端连接；传感器（21）另一端与加载头（24）连接；所述的支座（1）、丝杠（11）、前加载盘（19）、后加载盘（20）、导杆（18）为同轴设置；所述的控制器（25）通过A/D转换，接受力传感器（21）的力信号，力信号通过与设定力的偏差在控制器（25）内部计算得到控制信号；控制信号经伺服驱动器放大后驱动机械本体中的伺服电机（2）旋转，伺服电机（2）通过同步带（5）驱动从皮带轮（6），从皮带轮（6）带动滚珠丝杠（11）旋转，进而通过丝杠螺母（12）驱动压缩弹簧组件中的后加载盘（22），前加载盘（19）和后加载盘（22）之间发生相对运动压缩弹簧（17）产生加载力。

2.根据权利要求1所述的一种动态伺服力驱动器系统，其特征在于，所述的导杆（18）一端通过内螺纹与前加载盘（19）的通孔固定连结，贯穿于压缩弹簧（17），导杆（18）另一端与后加载盘（22）沿圆周均布的孔间隙配合，并通过螺母（13）压紧在后加载盘（22）上。

3.根据权利要求1所述的一种动态伺服力驱动系统，其特征在于，所述的轴承组替换为含有径向轴承和止推轴承组成的轴承组。

4.根据权利要求1所述的一种动态伺服力驱动系统，其特征在于，所述压缩弹簧组件与支座（1）之间通过导轨组件形成运动副，运动副是滚动运动副或滑动运动副。

5.根据权利要求1所述的一种动态伺服力驱动系统，其特征在于，所述的伺服电机驱动组件和丝杠（11）之间采用同步带传动或联轴器传动。

6.根据权利要求1所述的一种动态伺服力驱动系统，其特征在于，所述的丝杠（11）采用梯形螺杆替代。

7.  根据权利要求1所述的一种动态伺服力驱动系统，其特征在于，所述的动态伺服力驱动系统的控制算法采用带扰动观测器的自适应滑模控制算法。

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