一種用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置及測量方法
【專利摘要】一種用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置及測量方法，屬于全物理仿真測量領域。所述測量裝置由氣路部分、垂向運動部分、測量部分和測量補償部分構成。本發明氣路部分通過調整氣壓補償垂向重力，垂向運動部分通過控制運動直線電機帶動伺服機構垂向運動，測量部分通過直線光柵測得未補償前的位移，測量補償部分通過控制補償直線電機帶動電容傳感器基板運動到未補償前的位移附近，通過使用激光干涉儀標定后的直線光柵，使電容傳感器補償直線光柵的測量誤差。從而提高了測量裝置的分辨率。相比于現有技術，本發明具有結構簡單、控制方便的優點。
【專利說明】一種用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于全物理仿真測量領域，涉及一種環境受限的高精度伺服機構的測量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]在當今時代，各國紛紛搶占太空資源，航空航天技術不斷發展，同時也帶動了仿真領域的不斷進步。全物理仿真是航天器投入使用前必須進行的一個關鍵環節。如何更好的模擬外太空的無摩擦微重力的復雜環境，并在此條件下，如何提高航天設備的精度都是全物理仿真領域必須要解決的重點問題。
[0003]201020135260.7公開了一種直線電機驅動的氣懸浮運動平臺，在花崗巖基座上設置有Y軸運動平臺，采用承重氣墊使平臺氣浮，并通過直線電機控制其水平面上運動，只采用直線光柵測量其位移，降低了控制精度，限制了使用范圍。
【發明內容】
[0004]為了在某些不適合高精度傳感器安裝的環境下提高其測量精度，本發明提供了 一種用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置及測量方法，采用直線光柵和電容傳感器復合測量，通過直線光柵測量其運動控制位移粗略值，再通過控制電容傳感器基板位置達到某一經過標定的直線光柵位移處，通過調整電容傳感器的位移量提高運動控制的分辨率。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置，包括氣路部分、垂向運動部分、測量部分和測量補償部分，其中:
[0007]所述的的垂向運動部分由基座、內套筒、外套筒、上平面、運動直線電機以及垂向運動控制器組成；內套筒的下端與基座無縫固聯，外套筒的上端與上平面無縫固聯，外套筒的下端套于內套筒上部的外面，內套筒與外套筒之間可以微小摩擦相互滑動，運動直線電機的定子固聯在內套筒中，運動直線電機的動子一端與上平面固聯，垂向運動控制器固定在定子上，通過垂向運動控制器控制運動直線電機垂向運動；
[0008]所述的氣路部分位于垂向運動部分外部，由高壓氣瓶、開關閥、比例閥、氣壓控制器組成，高壓氣瓶安裝在基座上面，高壓氣瓶與內套筒之間連接有開關閥，比例閥與內套筒相連，氣壓控制器與比例閥連接，高壓氣瓶為氣源，通過開關閥為機構內部提供高壓氣體，比例閥為排氣閥，通過氣壓控制器控制其排出腔內氣體，各部件之間通過耐壓管線連接；
[0009]所述的測量部分位于垂向運動部分內部，由直線光柵和測量讀數頭組成，直線光柵固聯在外套筒的內側壁上，測量讀數頭固定在運動直線電機定子的頂端；
[0010]所述的測量補償部分位于垂向運動部分內部，由補償直線電機、讀數頭、電容傳感器、電容傳感器基板和測量補償控制器組成，補償直線電機的定子固聯在內套筒中，讀數頭固定在補償直線電機定子的頂端，測量補償控制器固定在補償直線電機的定子上，電容傳感器與電容傳感器基板正面平行相對，電容傳感器基板固定在補償直線電機的動子頂端，通過測量補償控制器控制補償直線電機垂向運動補償位移。
[0011]本發明中，內外套筒之間通過形成氣膜以微小摩擦運動。
[0012]本發明中，在機構安裝完成后，用高精度的激光干涉儀對直線光柵進行標定。
[0013]利用上述測量裝置進行位移測量的方法，具體步驟如下:
[0014]一、在測量裝置安裝完成后，通過高精度的激光干涉儀對直線光柵進行標定，減小了直線光柵制造中產生的非線性因素；
[0015]二、打開開關閥，通過高壓氣瓶為內套筒腔部提供恒壓氣體，并通過氣壓控制器調節比例閥開度使外套筒部分得到重力補償，同時氣壓在內外套筒之間形成氣膜，保證其可以相對微小摩擦運動，減輕了直線電機的負重；
[0016]三、垂向運動部分通過控制運動直線電機帶動伺服機構垂向運動，在控制運動直線電機達到目標位置的過程中，當達到直線光柵的測量精度以后，暫停運動直線電機，然后控制補償直線電機帶動電容傳感器的基板運動到目標位置的上一個經過激光干涉儀標定的直線光柵位移處，然后以此為電容傳感器的基板位置，控制運動直線電機運動，通過電容傳感器測得的位移量對實際位置進行精調，達到測量精度后，標定后的基板位移值和電容傳感器的位移值之和即是最終的實際位移。此位移值相對于只使用直線光柵測得的位移值有更高的分辨率。
[0017]本發明氣路部分通過調整氣壓補償垂向重力，垂向運動部分通過控制運動直線電機帶動伺服機構垂向運動，測量部分通過直線光柵測得未補償前的位移，測量補償部分通過控制補償直線電機帶動電容傳感器基板運動到未補償前的位移附近，通過使用激光干涉儀標定后的直線光柵，使電容傳感器補償直線光柵的測量誤差。從而提高了測量裝置的分辨率。相比于現有技術，本發明具有結構簡單、控制方便的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限如此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0020]如圖1所示，本發明提供的用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置包括氣路部分，垂向運動部分，測量部分和測量補償部分，其中:
[0021]垂向運動部分由基座9、內套筒4、外套筒3、上平面2、運動直線電機動子10、運動直線電機定子12以及垂向運動控制器11組成。內套筒4的下端與基座9無縫固聯，外套筒3的上端與上平面2無縫固聯，外套筒3的下端套于內套筒4上部的外面，內套筒4與外套筒3之間相互滑動，運動直線電機定子12固聯在內套筒4中，運動直線電機動子10—端與上平面2固聯，垂向運動控制器11固定在運動直線電機定子12上，通過垂向運動控制器11控制運動直線電機垂向運動；
[0022]所述的氣路部分位于垂向運動部分外部，由高壓氣瓶1、開關閥5、比例閥7、氣壓控制器8組成，高壓氣瓶I安裝在基座9上面，高壓氣瓶I與內套筒4之間連接有開關閥5，比例閥5與內套筒4相連，氣壓控制器8與比例閥5連接，高壓氣瓶I為氣源，通過開關閥5為機構內部提供高壓氣體，比例閥7為排氣閥，通過氣壓控制器8控制其排出腔內氣體，各部件之間通過耐壓管線連接。
[0023]測量部分由直線光柵6和測量讀數頭16組成。直線光柵6固聯在外套筒3的內側壁上，測量讀數頭16固定在運動直線電機定子12的頂端。
[0024]測量補償部分由補償直線電機定子15、補償直線電機動子19、讀數頭17、電容傳感器13、電容傳感器基板14和測量補償控制器18組成。補償直線電機定子15固聯在內套筒4中并與運動直線電機定子12平行設置，讀數頭17固定在補償直線電機定子15的頂端，測量補償控制器18固定在補償直線電機定子15上，電容傳感器13與電容傳感器基板14正面平行相對，電容傳感器基板14固定在補償直線電機動子19頂端，通過測量補償控制器18控制補償直線電機垂向運動補償位移。
[0025]在使用前，需要用高激光激光干涉儀對直線光柵進行標定，激光干涉儀和直線光柵相對平行放置，通過激光干涉儀依次對直線光柵每一個大刻度進行標定，兩個相鄰刻度之間不超過電容傳感器的量程。通過標定，減小了直線光柵的測量誤差。
[0026]通過氣壓控制器控制比例閥開度，補償其垂向重力，然后控制運動直線電機上下運動達到直線光柵的測量精度附近，然后控制補償直線電機帶動電容傳感器基板垂向運動，達到最接近運動直線電機的直線光柵測量位移經過標定的位移處，然后保證補償直線電機不動，控制運動直線電機運動，其測量值采用直線光柵和電容傳感器復合測量，如此便提高了其控制分辨率。
【權利要求】
1.一種用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置，其特征在于所述測量裝置由氣路部分、垂向運動部分、測量部分和測量補償部分構成，其中: 所述的的垂向運動部分由基座、內套筒、外套筒、上平面、運動直線電機以及垂向運動控制器組成；內套筒的下端與基座無縫固聯，外套筒的上端與上平面無縫固聯，外套筒的下端套于內套筒上部的外面，運動直線電機的定子固聯在內套筒中，運動直線電機的動子一端與上平面固聯，垂向運動控制器固定在定子上； 所述的氣路部分位于垂向運動部分外部，由高壓氣瓶、開關閥、比例閥、氣壓控制器組成，高壓氣瓶安裝在基座上面，高壓氣瓶與內套筒之間連接有開關閥，比例閥與內套筒相連，氣壓控制器與比例閥連接； 所述的測量部分位于垂向運動部分內部，由直線光柵和測量讀數頭組成，直線光柵固聯在外套筒的內側壁上，測量讀數頭固定在運動直線電機定子的頂端； 所述的測量補償部分位于垂向運動部分內部，由補償直線電機、讀數頭、電容傳感器、電容傳感器基板和測量補償控制器組成，補償直線電機的定子固聯在內套筒中，讀數頭固定在補償直線電機定子的頂端，測量補償控制器固定在補償直線電機的定子上，電容傳感器與電容傳感器基板正面平行相對，電容傳感器基板固定在補償直線電機的動子頂端。
2.根據權利要求1所述的用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置，其特征在于所述氣路部分的各部件之間通過耐壓管線連接。
3.一種利用權利要求1-2任一權利要求所述的用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置進行位移測量的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、在測量裝置安裝完成后，通過高精度的激光干涉儀對直線光柵進行標定，減小了直線光柵制造中產生的非線性因素； 二、打開開關閥，通過高壓氣瓶為內套筒腔部提供恒壓氣體，并通過氣壓控制器調節比例閥開度使外套筒部分得到重力補償，同時氣壓在內外套筒之間形成氣膜，保證其可以相對微小摩擦運動，減輕了直線電機的負重； 三、垂向運動部分通過控制運動直線電機帶動伺服機構垂向運動，在控制運動直線電機達到目標位置的過程中，當達到直線光柵的測量精度以后，暫停運動直線電機，然后控制補償直線電機帶動電容傳感器的基板運動到目標位置的上一個經過激光干涉儀標定的直線光柵位移處，然后以此為電容傳感器的基板位置，控制運動直線電機運動，通過電容傳感器測得的位移量對實際位置進行精調，達到測量精度后，標定后的基板位移值和電容傳感器的位移值之和即是最終的實際位移。
4.根據權利要求3所述的利用用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置進行位移測量的方法，其特征在于所述直線光柵的標定方法如下:將激光干涉儀和直線光柵相對平行放置，通過激光干涉儀依次對直線光柵每一個大刻度進行標定。
5.根據權利要求4所述的利用用于高精度垂向伺服機構的游標式測量裝置進行位移測量的方法，其特征在于所述兩個相鄰刻度之間不超過電容傳感器的量程。
【文檔編號】G01B11/02GK104019749SQ201410277186
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】劉楊, 劉啟循, 陳興林, 李宗哲, 李欣, 陳震宇, 范文超 申請人:哈爾濱工業大學