双气缸驱动的同步运动控制装置的制作方法

本实用新型涉及一种同步运动控制装置，尤其是一种双气缸驱动的同步运动控制装置，属于同步运动控制领域。

背景技术：

气缸驱动与其他电动执行器相比有较多的优势，如：1)对使用者的要求较低；2) 输出力大，因此可适应大负载；3)适应性强；4)动作迅速、反应快。而机械接触式无杆气缸与普通气缸相比又有一定的优势，如：1)在同样行程下可缩小1/2安装位置。 2)不需设置防转机构；3)适用于缸径10～80mm，最大行程在缸径≥40mm时可达7m；4)速度高，标准型可达0.1～0.5m/s；高速型可达到0.3～3.0m/s。

扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手等，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。其中的非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，已经广泛用于轿车领域。

磁流变阻尼器，当线圈内的电流增大，节流孔内磁场就会增强，磁流变液流过节流孔的阻力随之增大，使得阻尼器输出的阻尼力增大，反之，电流减小，阻尼力也减小。因此通过对输入电流的调节，即可控制阻尼器阻尼力的大小。目前应用十土木工程领域的MR阻尼器都要求配置可靠的供电系统。但是，在桥梁结构和建筑结构抗震减振时，不方便或不能保证可靠的供电，从而制约了MR阻尼器在这些领域的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种双气缸驱动的同步运动控制装置，该装置采用双气缸驱动直线移动机构使旋转运动机构直线移动，同时旋转运动机构将薄膜材料卷开，并在直线移动机构上设置光栅尺，在旋转运动机构上设置扭矩传感器，充分考虑了同步直线移动对旋转运动的影响，以及旋转运动变化时受到的影响。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

双气缸驱动的同步运动控制装置，包括两个直线移动机构、旋转运动机构和控制组件；所述旋转运动机构上设有扭矩传感器，且旋转运动机构设置在两个直线移动机构上，用于卷开薄膜材料；两个直线移动机构相隔一定距离且平行对称布置，每个直线移动机构的一侧设有光栅尺，且每个直线移动机构采用气缸驱动，用于带动旋转运动机构直线移动；所述控制组件分别与直线移动机构、旋转运动机构、扭矩传感器、光栅尺连接。

进一步的，每个直线移动机构包括气缸、活塞和连接板，所述气缸与活塞连接，用于驱动活塞直线移动，所述光栅尺设置在连接板的一侧，所述活塞通过连接板连接光栅尺的读数头，所述旋转运动机构固定在两个直线移动机构的连接板上。

进一步的，所述旋转运动机构包括力矩电机、滚筒、阻尼器、第一负载平台、第二负载平台、第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器，所述第一负载平台和第二负载平台分别设置在两个直线移动机构上，所述力矩电机固定在第一负载平台上，所述扭矩传感器和阻尼器固定在第二负载平台上，所述力矩电机通过第一联轴器与滚筒的一端连接，用于带动滚筒旋转，所述滚筒的另一端通过第二联轴器与扭矩传感器的一端连接，所述扭矩传感器的另一端通过第三联轴器与阻尼器连接，所述薄膜材料卷绕在滚筒中间轴段，且薄膜材料的末端固定。

进一步的，所述滚筒两端的轴依次套设有轴承和轴承座，滚筒一端的轴承座固定在第一负载平台上，滚筒另一端的轴承座固定在第二负载平台上。

进一步的，所述控制组件包括计算机、运动控制卡、运算放大器、驱动器、气动驱动部件、第一比例控制阀和第二比例控制阀，所述计算机与控制控制卡连接，所述运动控制卡分别与运算放大器、驱动器、第一比例控制阀、第二比例控制阀、扭矩传感器、光栅尺连接，所述运算放大器与阻尼器连接，所述驱动器与旋转运动机构连接，所述气动驱动部件分别与第一比例控制阀、第二比例控制阀连接，所述第一比例控制阀和第二比例控制阀分别与两个直线移动机构连接。

进一步的，所述气动驱动部件包括气源、气泵和气动三联件，所述气源、气泵和气动三联件依次连接，所述气动三联件分别与第一比例控制阀、第二比例控制阀连接。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述支撑平台包括基板，所述直线移动机构和光栅尺固定在基板上表面，所述薄膜材料的末端通过固定架固定在基板上表面。

进一步的，所述薄膜材料的末端绑在固定架的上端圆柱部分，所述固定架的下端固定在基板上表面。

进一步的，所述支撑平台还包括四个支撑脚，所述四个支撑脚与基板的下表面固定连接，且四个支撑脚围成的平面上设有一支撑板。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型采用两个气缸进气分别驱动两个直线移动机构来控制旋转运动机构直线移动，以及控制旋转运动机构将薄膜材料卷开，使薄膜材料受力处于合适范围内，有效控制铺开薄膜材料，使薄膜材料处于正常工作状态，在直线移动机构上设置光栅尺，能够根据光栅尺检测的运动状态参数来控制两个气缸的气体进气参数，使得旋转运动机构按一定运动规律直线移动，从而实现双气缸同步直线移动；在旋转运动机构上设置扭矩传感器，能够根据扭矩传感器检测的扭矩信号来控制旋转运动机构的调节力矩和转速。

2、本实用新型的两个直线移动机构中，通过控制两个气缸的气体进气参数，推动两个活塞按一定运动规律直线移动，从而实现双气缸同步直线移动，这种控制方式简单、清洁、高效、准确。

3、本实用新型的旋转运动机构中，利用扭矩传感器采集所受扭矩数据，能直接反映滚筒受力状态，可与设定的阻尼器作比较，得出反馈结果控制力矩电机调节力矩和转速，这种控制方式适用于旋转运动的同步控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的同步运控控制装置总体结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的同步运控控制装置的主视图。

图3为本实用新型实施例1的同步运控控制装置的俯视图。

图4为本实用新型实施例1的同步运控控制装置的右视图。

图5为本实用新型实施例1的第一直线移动机构的结构示意图。

图6为本实用新型实施例1的第二直线移动机构的结构示意图。

图7为本实用新型实施例1的旋转运动机构卷开薄膜材料的示意图。

图8为本实用新型实施例1的旋转运动机构中力矩电机部分的局部示意图。

图9为本实用新型实施例1的旋转运动机构中扭矩传感器和阻尼器部分的局部示意图。

图10为本实用新型实施例1的同步运控控制装置的同步控制流程图。

其中，1-第一直线移动机构，101-第一气缸，102-第一活塞，103-第一连接板，2- 第二直线移动机构，201-第二气缸，202-第二活塞，203-第二连接板，3-旋转运动机构， 301-力矩电机，302-滚筒，303-阻尼器，304-第一负载平台，305-第二负载平台，306- 第一联轴器，307-第二联轴器，308-第三联轴器，309-第一轴承，310-第一轴承座，311- 第二轴承，312-第二轴承座，4-薄膜材料，5-第一光栅尺，6-第二光栅尺，7-扭矩传感器，8-支撑平台，801-基板，802-支撑脚，803-支撑板，9-固定架，10-计算机，11-运动控制卡，12-运算放大器，13-驱动器，14-第一比例控制阀，15-第二比例控制阀，16- 气源，17-气泵，18-气动三联件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图4所示，本实施例提供了一种双气缸驱动的同步运动控制装置，该装置包括第一直线移动机构1、第一直线移动机构2、旋转运动机构3和控制组件，旋转运动机构3设置在第一直线移动机构1和第一直线移动机构2上，用于卷开薄膜材料4；第一直线移动机构1和第一直线移动机构2相隔一定距离且平行对称布置，第一直线移动机构1的一侧设有第一光栅尺5，第二直线移动机构1的一侧设有第二光栅尺6，旋转运动机构3上设有扭矩传感器7，控制组件分别与直线移动机构1、旋转运动机构 2、第一光栅尺5、第二光栅尺6、扭矩传感器7连接。

如图1～图5所示，所述第一直线移动机构1包括第一气缸101、第一活塞102和第一连接板103，第一气缸101与第一活塞102连接，用于驱动第一活塞102直线移动，该直线移动可以往复进行，第一光栅尺5设置在第一连接板103的一侧，本实施例的第一光栅尺5设置在第一连接板103的左侧，第一活塞102通过第一连接板103连接第一光栅尺5的读数头。

如图1～图4、图6所示，所述第一直线移动机构2包括第二气缸201、第二活塞 202和第二连接板203，第二气缸201与第二活塞202连接，用于驱动第二活塞202直线移动，该直线移动可以往复进行，第二光栅尺6设置在第二连接板203的一侧，本实施例的第二光栅尺6设置在第二连接板203的左侧，第二活塞202通过第二连接板 203连接第二光栅尺6的读数头。

第一光栅尺5的读数头随第一活塞102移动而移动，以检测第一活塞102的运动状态参数，第二光栅尺6的读数头随第二活塞202移动而移动，以检测第二活塞102 的运动状态参数，通过控制组件得出控制运算结果，控制第一活塞102和第二活塞202 同步直线移动。

在本实施例中，所述第一气缸101和第二气缸201完全一致，均为机械接合式无杆气缸，品牌为日本的SMC，型号MY1B50-1600，缸径50mm，行程1600mm，使用空气作流体，动作方式双作用，使用压力0.1-0.8MPa，环境和流体温度5-60℃；第一光栅尺5和第二光栅尺6完全一致，品牌为西班牙的FAGOR，MKT系列，测量长度 1600mm，精确度±10μm，分辨率5μm，输出信号TTL，电源5V且100mA。

如图1～图4、图7～图9所示，所述旋转运动机构3包括力矩电机301、滚筒302、阻尼器303、第一负载平台304、第二负载平台305、第一联轴器306、第二联轴器307 和第三联轴器308，第一负载平台304固定在第一直线移动机构1的第一活塞102上，第二负载平台305固定在第二直线移动机构2的第二活塞202上，第一活塞102和第二活塞202直线移动后，可以带动第一负载平台304和第二负载平台305同时进行直线移动，力矩电机301固定在第一负载平台304上，扭矩传感器7和阻尼器303固定在第二负载平台305上，力矩电机301通过第一联轴器306与滚筒302的一端连接，具体地，力矩电机301的输出法兰用带轴和键的法兰盘固定，该法兰盘的轴通过第一联轴器306与滚筒302一端的轴连接；滚筒302的另一端通过第二联轴器307与扭矩传感器7的一端连接，具体地，滚筒302另一端的轴通过第二联轴器307与扭矩传感器7的一端连接；扭矩传感器7的另一端通过第三联轴器308与阻尼器303连接，具体地，扭矩传感器7的另一端通过第三联轴器308与阻尼器303的轴连接，薄膜材料4 卷绕在滚筒302中间轴段，且薄膜材料4的末端固定，通过控制第一气缸101、第二气缸201进气分别驱动第一活塞102、第二活塞202来控制滚筒302直线移动和控制力矩电机301的扭矩和阻尼器303和阻尼来控制滚筒302旋转运动的同步，使薄膜材料4 受力处于合适范围内；力矩电机301自带编码器，形成闭环控制，准确控制输出力矩，力矩传递给滚筒302旋转以卷开薄膜材料4，滚筒302继续传递力矩至扭矩传感器7，再传递到阻尼器303阻碍相对运动以抑制转动，以便与设定扭矩作比较，利用扭矩传感器7检测滚筒302实际扭矩和阻尼器303给定扭矩之差，反馈信号给力矩电机301 和阻尼器303以调节扭矩，实现对滚筒302扭矩的控制。

进一步地，为了使滚筒302可以稳定旋转，滚筒302一端的轴依次套设有第一轴承309和第一轴承座310，即第一轴承309在第一轴承座310内，滚筒302另一端的轴依次套设有第二轴承311和第二轴承座312，即第二轴承311在第二轴承座312内，第一轴承座310固定在第一负载平台304上，第二轴承座312固定在第二负载平台305 上，滚筒302在第一轴承座310内的第一轴承309，以及在第二轴承座312内的第二轴承311旋转，以卷开薄膜材料4。

在本实施例中，力矩电机301采用苏州赫罗斯机电科技有限公司的，型号 DDA160-168，连续扭矩28.8N，连续功率367.2W，连续电流6A，扭矩常数4.8，电机常数1.84，最大负载扭矩25Nm；第一轴承309和第二轴承311完全一致，均为深沟滚珠轴承，型号B6001ZZ，内径12mm，外径28mm，厚度8mm，其相应配套第一轴承座310第二轴承座312完全一致，均为T型轴承座BGHKSA6001ZZ-40；第一联轴器 306、第二联轴器307和第三联轴器308完全一致，均为螺塞固定型十字形联轴器，品牌为米思米，型号CPO40-12-16，容许扭矩9Nm，容许偏角3°，容许偏心3.0mm，惯性力矩2.3×10^-6kgm2；薄膜材料4采用铜铟镓硒电池板；扭矩传感器7采用广州哲远电子有限公司的DTNJ-901动态扭矩传感器，测量范围0-100Nm，输出信号0-12v，方波频率，带载电流≥20mA，激励电压12V直流电流，响应频率100μs。

为了支撑第一直线移动机构1和第二直线移动机构2进行工作，本实施例的同步运动控制装置还包括支撑平台8，支撑平台8包括基板801，第一气缸101、第二气缸 201、第一光栅尺5和第二光栅尺6固定在基板801上表面，薄膜材料4的末端通过固定架9固定在基板801上表面，具体地，薄膜材料4的末端通过五根绳子绑在固定架9 的上端圆柱部分，固定架9的下端固定在基板801上表面；进一步地，为了使整个装置更稳固，所述支撑平台8还包括四个支撑脚802，四个支撑脚802与基板801的下表面固定连接，且四个支撑脚802围成的平面上设有一支撑板803。

如图1所示，虚线指示了各个设备之间的连线关系，实线表示了管道连接关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向，所述控制组件包括计算机10、运动控制卡11、运算放大器12、驱动器13、气动驱动部件、第一比例控制阀14和第二比例控制阀15，计算机10与控制控制卡11连接，运动控制卡11分别与运算放大器12、驱动器13、第一比例控制阀14、第二比例控制阀15、第一光栅尺5、第二光栅尺6、扭矩传感器7连接，运算放大器12与阻尼器303连接，驱动器13采用伺服驱动器，其与力矩电机301连接；气动驱动部件分别与第一比例控制阀14、第二比例控制阀15 连接，具体地，气动驱动部件包括气源16、气泵17和气动三联件18，气源16、气泵 17和气动三联件18依次连接，气动三联件18分别与第一比例控制阀14、第二比例控制阀15连接，第一比例控制阀14与第一气缸101的进气口和出气口连通，而第二比例控制阀15与第二气缸201的进气口和出气口连通，气源16通过气泵17打入气动三联件18进行处理得到干净且高压的气体，气体再分别经过第一比例控制阀14、第二比例控制阀15进行流量、压力等控制处理，通过计算机10对运动控制卡11控制第一比例控制阀14和第二比例控制阀15，使处理后的高压气体以一定的状态参数分别进入第一气缸101和第二气缸201，推动第一活塞102和第二活塞202，带动第一负载平台304 和第二负载平台305同时进行直线移动。

本实施例的检测原理为：第一光栅尺5检测第一活塞102的运动状态参数，即检测第一负载平台304的运动状态参数，第二光栅尺6检测第二活塞202的运动状态参数，即检测第二负载平台305的运动状态参数，将采集到的模拟信号传给运动控制卡 11进行A/D转换等处理；扭矩传感器7两端的轴分别与滚筒302一端的轴和阻尼器303 的轴相连接，可完成输入轴与输出轴之间扭矩的比较和信号传出；当第一负载平台304、第二负载平台305的直线移动与薄膜材料4卷开的旋转运动不同步时，会导致滚筒302 受到的力矩发生变化，而阻尼器303连接到扭矩传感器7的输出轴产生的是给定的扭矩比较值，扭矩传感器7检测实际滚筒302的扭矩与给定扭矩的差值，将信号传递到运动控制卡11进行A/D转换等处理。

本实施例的控制原理为：运动控制卡11汇集来自第一光栅尺5、第二光栅尺6和扭矩传感器7采集到的模拟量，进行A/D转换成数字量，送到计算机10进行控制算法运算，将得出的结果送回运动控制卡11，进行D/A转换重新把数字量转换回模拟量，分别传给第一比例控制阀14、第二比例控制阀15、驱动器13和运算放大器12，使第一比例控制阀14和第二比例控制阀15调节高压气体的流量、压力等参量，以驱动第一活塞102和第二活塞202同步直线移动，为旋转运动机构的旋转运动控制作基础；同时，使驱动器13和运算放大器12根据扭矩传感器7检测的扭矩分别调节力矩电机 301的力矩、转速等参量和阻尼器303的阻尼，通过两者的同时对扭矩的控制，将滚筒 302受到的扭矩控制在合适范围内，从而使薄膜材料4受到的拉力处于合适范围内，实现平台的直线移动与滚筒的旋转运动的同步控制。

本实施例中，气动三联件18包括空气过滤器、减压阀和油雾器，采用日本SMC 的，型号AC40，最高使用压力1MPa，设定压力范围0.05-0.85MPa，过滤精度5m，使用油透平一号油(ISO VG32)；第一比例控制阀14和第二比例控制阀15完全一致，均为日本SMC的5通电气比例阀，型号VER2000，最高使用压力1MPa，迟滞3％F.S.，重复精度3％F.S.，灵敏度0.5％F.S.，线性度3％F.S.；计算机10的CPU型号为 core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可插入运动控制卡11；运动控制卡11选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；运算放大器12采用德州仪器公司的，型号OPA541，电压范围10-80V，输入电容5pF，增益带宽乘积1.6MHz，峰值电流10A。

如图1～图10所示，本实施例还提供了一种同步运动控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、气源16通过气泵17进入气动三联件18，由气动三联件18进行处理得到纯净且高压的气体，该气体进入第一气缸101和第二气缸201，驱动第一活塞102和第二活塞202直线移动，从而使第一负载平台304和第二负载平台305同时进行直线移动；力矩电机301带动滚筒302旋转，卷开薄膜材料4；

步骤二、第一光栅尺5检测第一活塞102的运动状态，即检测第一负载平台304 的运动状态，得到相应的运动信号，第二光栅尺6检测第二活塞202的运动状态，即检测第二负载平台305的运动状态，得到相应的运动信号；扭矩传感器7检测滚筒302 的扭矩，得到扭矩信号；

步骤三、将采集的运动信号和扭矩信号送入运动控制卡11进行A/D转换处理，使模拟量转换成数字量，再送入计算机10；

步骤四、将送入计算机10的信号进行控制算法运算，得到控制结果，传回运动控制卡11，进行D/A转换处理，重新获得模拟信号；

步骤五、将模拟信号分别传给第一比例控制阀14、第二比例控制阀15、驱动器13 和运算放大器12，第一比例控制阀14和第二比例控制阀15分别调节高压气体的流量、压力等气体参量，以控制第一活塞102和第二活塞202的运动状态，以实现双气缸的同步直线移动；驱动器13调节力矩电机301转速、力矩等参量，改变滚筒302的旋转运动状态以适应直线移动；运算放大器12将反馈信号放大传到阻尼器303，以调节阻尼器303的阻尼，即调节扭矩传感器7的给定扭矩，为下一次扭矩检测作准备；

步骤六、通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到直线移动和旋转运动的同步运动控制效果。

综上所述，本实用新型采用两个气缸进气分别驱动两个直线移动机构来控制旋转运动机构直线移动，以及控制旋转运动机构将薄膜材料卷开，使薄膜材料受力处于合适范围内，有效控制铺开薄膜材料，使薄膜材料处于正常工作状态，在直线移动机构上设置光栅尺，能够根据光栅尺检测的运动状态参数来控制两个气缸的气体进气参数，使得旋转运动机构按一定运动规律直线移动，从而实现双气缸同步直线移动；在旋转运动机构上设置扭矩传感器，能够根据扭矩传感器检测的扭矩信号来控制旋转运动机构的调节力矩和转速。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。