專利名稱：一種壓電-電液混合驅動臂及其控制方法
技術領域：
本發明屬于驅動臂技術領域，更具體地說，涉及一種采用壓電-電液混合伺服驅動的大范圍納米級定位驅動臂。
背景技術：
隨著現代科學技術的不斷發展，航空航天宇航技術、生物工程、微電子工程、納米科學與技術等各個領域，對定位裝置的行程和精度提出了更高的要求，例如，在國防工業中大量復雜自由曲面零部件的加工與測量，在工業自動化中半導體、平板顯示器等加工都需要大范圍高精度且快速響應實時連續可調的精密定位裝置。目前的精密定位裝置多采用旋轉伺服電機驅動和精密滾珠絲杠傳動的方案或部分采用直線電機直接驅動的方法，其定位精度一般局限在微米級。以壓電陶瓷驅動器為代表的微定位平臺，其定位精度能夠達到納 米級，但行程微小，通常只能達到幾十微米。如何解決大范圍和高精度之間的矛盾，實現大范圍運動系統的高精度定位已成為當今精密數控加工和精密測量等領域急需突破的重要關鍵技術之一。目前，一種常見的解決方法就是采用雙驅動源(宏/微驅動)定位機構(孫立寧，董為，杜志江；中國機械工程第16卷第I期2005年I月上半月；宏/微雙重驅動機器人系統的研究現狀與關鍵技術)。雙驅動源定位機構是采用宏/微雙驅動機構以實現大范圍、納米級的定位機構。宏機構一般米用電機結合滾珠絲杠或直線電機或液壓氣動；微機構一般米用壓電驅動器驅動柔性鉸鏈機構。如，專利申請號200510010286. 2 “宏/微雙重驅動的大行程高速納米級精度的平面定位系統”、專利申請號200510010287. 7 “宏/微驅動的兩自由度高加速度高精度的并聯定位系統”均采用宏驅動的直線音圈電機結合微驅動的壓電驅動器的平面定位平臺；專利申請號200710307716.6 “大運動范圍宏微雙重驅動定位平臺”采用直線電機為宏驅動結合壓電陶瓷微驅動器的定位平臺；專利申請號200410013686.4 “宏/微雙重驅動的微小型機器人移動定位平臺”采用電機結合壓電驅動器的定位平臺；專利申請號200410013627. 7 “六自由度宏/微雙重驅動納米級定位大行程柔性并聯機器人”宏驅動采用壓電馬達驅動，微驅動采用壓電陶瓷，能在厘米級的運動范圍內得到納米級的分辨率和運動精度。電液伺服系統易于實現直線運動的速度位移及力控制，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大等優點，在航空、航天、交通、工程機械等領域得到了廣泛的應用。在精密加工和測量的定位系統中，電液伺服系統能保證微米級的定位精度。而壓電陶瓷驅動器具有響應速度快、工作頻率寬、便于控制、體積小等優點，在精密機械、微定位等領域得到了廣泛的應用。在微定位系統中，壓電陶瓷驅動器能保證納米級的定位精度。因此，如果可以有效結合電液伺服系統與壓電陶瓷驅動器的優點，采用壓電-電液混合驅動即可以實現并大范圍、高精度定位
發明內容
I.本發明要解決的問題
針對現有技術中驅動臂不可同時實現大范圍和高精度定位的不足，本發明提供一種壓電-電液混合驅動臂及其控制方法，它可以有效解決所述的技術問題，實現驅動臂的高精度定位要求且同時滿足當代精密加工和精密測量的技術需求。2.技術方案
本發明的目的通過以下技術方案實現
本發明的一種壓電-電液混合驅動臂，它包括工業計算機、功率放大器、光柵傳感器、壓電驅動器、連接桿和輸出桿，它還包括液壓缸、三位四通電液伺服閥、液壓泵和油箱。所述的液壓缸的缸體位置固定，缸體內水平方向的活塞桿自由端固定有壓電驅動 器，該壓電驅動器內設置有位移傳感器，由于壓電驅動器具有遲滯、蠕變非線性特性，因此內置位移傳感器，實現壓電驅動器的伺服控制，保證其線性輸出精度。所述的壓電驅動器另一端與輸出桿連接；所述的光柵傳感器的標尺光柵固定安裝在液壓缸的缸體上，光柵傳感器的指示光柵經連接桿安裝在輸出桿上；所述的光柵傳感器、壓電驅動器均與工業計算機的輸入端連接；所述的工業計算機的輸出端通過所述的功率放大器與所述的壓電驅動器連接。由工業計算機輸出的電壓控制信號經功率放大器放大后，控制壓電驅動器的輸出位移，并經位移傳感器實時檢測后反饋給工業計算機。光柵傳感器實時測量輸出桿的位移，并反饋給工業計算機。工業計算機根據光柵傳感器的反饋值控制液壓缸和壓電驅動器的輸出位移，從而實現輸出桿的大范圍精密定位。所述的液壓缸的缸體內的左、右腔分別與所述的三位四通電液伺服閥管道連接，所述三位四通電液伺服閥的下端油路管道伸入油箱，該油路管道上設置有液壓泵，所述的三位四通電液伺服閥的電氣R端和L端均與工業計算機連接。工業計算機通過控制三位四通電液伺服閥的通電電壓大小和方向，從而控制液壓缸的輸出位移。本發明的一種所述的壓電-電液混合驅動臂的控制方法，其步驟為
(1)所述的工業計算機將輸出桿的位移理論值與測量輸出桿實際位移的光柵傳感器的測量值進行比較，計算兩者的差值T，工業計算機根據差值T控制三位四通電液伺服閥的通電電壓大小和方向，從而控制液壓缸活塞桿的輸出位移，具體控制過程如下
A)當差值T的絕對值>宏定位與微定位的切換值，且輸出桿的位移理論值>光柵傳感器的測量值，需要增加輸出桿的位移，即液壓缸活塞桿向右運動，工業計算機輸出控制信號的使得三位四通電液伺服閥的L端通電，R端斷電，三位四通電液伺服閥左移使得液壓油路P與A相通、B與E相通，液壓油經P — A流入液壓缸的左腔，推動液壓缸活塞桿向右運動，而液壓缸的右腔液壓油經B — E流入油箱；
B)當差值T的絕對值>宏定位與微定位的切換值，且輸出桿的位移理論值<光柵傳感器的測量值，同理，則需要減少輸出桿的位移，即液壓缸活塞桿向左運動，工業計算機輸出控制信號的使得三位四通電液伺服閥的R端通電，L端斷電，三位四通電液伺服閥右移使得液壓油路P與B相通、A與E相通，液壓油經P — B流入液壓缸的右腔，推動液壓缸活塞桿向左運動，而液壓缸的左腔液壓油經A — E流入油箱；
(2)當液壓缸活塞桿的輸出位移經步驟(I)的控制調整后，差值T的絕對值<宏定位與微定位的切換值，此時，三位四通電液伺服閥的通電電壓為零，保持在中位，鎖定液壓缸活塞桿的輸出位移；同時，根據差值T，工業計算機開始控制壓電驅動器的輸出位移，當差值T的絕對值 < 精度設定值時，說明壓電驅動器已經運動到位，結束整個工作過程。3.有益效果
相比于現有技術，本發明的有益效果是
(1)本發明的技術方案中采用電液伺服系統與壓電驅動器相結合的定位方法，結合了電液伺服系統易于實現直線運動的速度位移及力控制，控制精度高、響應速度快、輸出功率大等優點及壓電驅動器的響應速度快、工作頻率寬、便于控制、體積小的優點，提供了一種壓電-電液混合伺服驅動臂，采用壓電-電液混合定位，它可以實現驅動臂的大范圍、高精度定位以滿足當代精密加工和精密測量等領域的需求；
(2)本發明的控制方法中，采用工業計算機設置壓電驅動器及液壓缸的輸出位移，并根據光柵傳感器的反饋值控制液壓缸和壓電驅動器的輸出位移，宏驅動采用液壓驅動，微驅動采用壓電驅動，有效提高了本發明的精度； (3 )本發明設計合理，工作可靠，具有較大的推廣價值。
圖I為本發明的結構原理 圖2為本發明的控制原理圖。圖中標號1、工業計算機；2、功率放大器；3、輸出桿；4、壓電驅動器；5、連接桿；6、位移傳感器；7、光柵傳感器；8、液壓缸；9、三位四通電液伺服閥；10、液壓泵；11、油箱。
具體實施例方式下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步描述，但本發明的具體實施方式
不限于此。凡依本發明的創造精神及特征、模式和實現本發明功能的都在本發明的保護范圍之內。實施例I
根據如圖I所示的本發明的結構原理圖，本實施例的壓電一電液混合驅動臂可采用如下的具體產品部件型號
(i )電液伺服部分
液壓泵10 =ATOS的PVPC型軸向柱塞泵；
液壓缸 8 B137CK 系列油缸 P/10-32/22/500，行程 500mm ；
三位四通電液伺服閥9 :力士樂四通伺服方向閥RC-29-564。(ii)壓電驅動部分
壓電驅動器4 :德國PI的壓電陶瓷驅動器P-845. 60，額定輸出位移90um ;內置SGS精密位移傳感器，實現I. Snm閉環控制精度；
功率放大器2 :德國PI的E-505. 00功率放大模塊。(iii)檢測部分
光柵傳感器7 =Micro E Systems的M II 4800，分辨率為lnm。根據上述所選用的部件，按照圖I所示的結構原理圖，本發明的各部件的結構關系如下液壓缸8的缸體位置固定，缸體內水平方向的活塞桿自由端固定有壓電驅動器4，該壓電驅動器4內設置有精密位移傳感器6，壓電驅動器4另一端與輸出桿3連接；光柵傳感器7的標尺光柵固定安裝在液壓缸8的缸體上，光柵傳感器7的指示光柵經連接桿5安裝在輸出桿3上；光柵傳感器7、壓電驅動器4均與工業計算機I的輸入端連接；同時，工業計算機I的輸出端通過所述的功率放大器2與壓電驅動器4連接。液壓缸8的缸體內的左、右腔分別與三位四通電液伺服閥9管道連接，三位四通電液伺服閥9的下端油路管道伸入油箱11，該油路管道上設置有液壓泵10，三位四通電液伺服閥9的電氣R端和L端均與工業計算機I連接。結合圖2所示的本發明的控制原理圖，以精度設定值為10nm、宏定位與微定位的切換值為50um、驅動臂的運動行程為200_為例說明本發明的具體工作過程
(I)工業計算機I將輸出桿3的位移理論值與測量輸出桿3實際位移的光柵傳感器7的測量值進行比較，計算兩者的差值T，工業計算機I根據差值T控制三位四通電液伺服閥9的通電電壓大小和方向，從而控制液壓缸8活塞桿的輸出位移，具體控制過程如下
A)當差值T的絕對值>宏定位與微定位的切換值，且輸出桿3的位移理論值>光柵傳感器7的測量值，需要增加輸出桿3的位移增加，即液壓缸8活塞桿向右運動，工業計算機I輸出控制信號的使得三位四通電液伺服閥9的L端通電，R端斷電，三位四通電液伺服閥9左移使得液壓油路P與A相通、B與E相通，液壓油經P — A流入液壓缸8的左腔，推動液壓缸8活塞桿向右運動，而液壓缸8的右腔液壓油經B — E流入油箱；
B)當差值T的絕對值>宏定位與微定位的切換值，且輸出桿3的位移理論值<光柵傳感器7的測量值，同理，則需要減少輸出桿3的位移減少，即液壓缸8活塞桿向左運動，工業計算機I輸出控制信號的使得三位四通電液伺服閥9的R端通電，L端斷電，三位四通電液伺服閥9右移使得液壓油路P與B相通、A與E相通，液壓油經P — B流入液壓缸8的右腔，推動液壓缸8活塞桿向左運動，而液壓缸8的左腔液壓油經A-E流入油箱11 ；
(2 )當液壓缸8活塞桿的輸出位移經步驟(I)的控制調整后，差值T的絕對值<宏定位與微定位的切換值50um，此時，三位四通電液伺服閥9的通電電壓為零，保持在中位，鎖定液壓缸8活塞桿的輸出位移；同時，根據差值T，工業計算機I開始控制壓電驅動器4的輸出位移，當差值的絕對值T <精度設定值IOnm時，說明壓電驅動器4已經運動到位，結束整個工作過程。
權利要求
1.一種壓電-電液混合驅動臂，它包括工業計算機(I)、功率放大器(2)、光柵傳感器(7)、壓電驅動器(4)、連接桿(5)和輸出桿(3)，其特征在于，它還包括液壓缸(8)、三位四通電液伺服閥(9)、液壓泵(10)和油箱(11)； 所述的液壓缸(8)的缸體位置固定，缸體內水平方向的活塞桿自由端固定有壓電驅動器(4)，該壓電驅動器(4)內設置有位移傳感器(6)，所述的壓電驅動器(4)另一端與輸出桿(3)連接；所述的光柵傳感器(7)的標尺光柵固定安裝在液壓缸(8)的缸體上，光柵傳感器(7)的指示光柵經連接桿(5)安裝在輸出桿(3)上；所述的光柵傳感器(7)、壓電驅動器(4)均與工業計算機(I)的輸入端連接，所述的工業計算機(I)的輸出端通過所述的功率放大器(2)與所述的壓電驅動器(4)連接； 所述的液壓缸(8)的缸體內的左、右腔分別與所述的三位四通電液伺服閥(9)管道連接，所述三位四通電液伺服閥(9)的下端油路管道伸入油箱(11)，該油路管道上設置有液壓泵(10)，所述的三位四通電液伺服閥(9)的電氣R端和L端均與工業計算機(I)連接。
2.—種權利要求I所述的壓電-電液混合驅動臂的控制方法，其步驟為 (1)所述的工業計算機(I)將輸出桿(3)的位移理論值與測量輸出桿(3)實際位移的光柵傳感器(7)的測量值進行比較，計算兩者的差值T，工業計算機(I)根據差值T控制三位四通電液伺服閥(9)的通電電壓大小和方向，從而控制液壓缸(8)活塞桿的輸出位移，具體控制過程如下 A)當差值T的絕對值>宏定位與微定位的切換值，且輸出桿(3)的位移理論值>光柵傳感器(7)的測量值，需要增加輸出桿(3)的位移，即液壓缸(8)活塞桿向右運動，工業計算機(I)輸出控制信號的使得三位四通電液伺服閥(9)的L端通電，R端斷電，三位四通電液伺服閥(9)左移使得液壓油路P與A相通、B與E相通，液壓油經P — A流入液壓缸(8)的左腔，推動液壓缸(8)活塞桿向右運動，而液壓缸(8)的右腔液壓油經B — E流入油箱(11)； B)當差值T的絕對值> 宏定位與微定位的切換值，且輸出桿(3)的位移理論值 < 光柵傳感器(7)的測量值，同理，則需要減少輸出桿(3)的位移，即液壓缸(8)活塞桿向左運動，工業計算機(I)輸出控制信號的使得三位四通電液伺服閥(9)的R端通電，L端斷電，三位四通電液伺服閥(9)右移使得液壓油路P與B相通、A與E相通，液壓油經P — B流入液壓缸(8)的右腔，推動液壓缸(8)活塞桿向左運動，而液壓缸(8)的左腔液壓油經A — E流入油箱(11); (2)當液壓缸(8)活塞桿的輸出位移經步驟(I)的控制調整后，差值T的絕對值<宏定位與微定位的切換值，此時，三位四通電液伺服閥(9)的通電電壓為零，保持在中位，鎖定液壓缸(8)活塞桿的輸出位移；同時，根據差值T，工業計算機(I)開始控制壓電驅動器(4)的輸出位移，當差值T的絕對值<精度設定值時，說明壓電驅動器(4)已經運動到位，結束整個工作過程。
全文摘要
本發明公開了一種壓電-電液混合驅動臂及其控制方法，屬于驅動臂技術領域。本發明包括工業計算機、功率放大器、光柵傳感器、壓電驅動器、連接桿和輸出桿，它還包括液壓缸、三位四通電液伺服閥、液壓泵和油箱；缸體內水平方向的活塞桿自由端固定有壓電驅動器，該壓電驅動器內設置有位移傳感器，壓電驅動器另一端與輸出桿連接；光柵傳感器的標尺光柵固定安裝在液壓缸的缸體上，光柵傳感器的指示光柵經連接桿安裝在輸出桿上；光柵傳感器、壓電驅動器均與工業計算機連接，所述的工業計算機通過所述的功率放大器與所述的位移傳感器連接。本發明的技術方案可以有效實現驅動臂的高精度定位要求且同時滿足當代精密加工和精密測量的技術需求。
文檔編號F15B21/08GK102889272SQ20121039802
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者許有熊, 朱松青, 韓亞麗, 陳茹雯, 劉娣, 郝飛 申請人:南京工程學院