专利名称：一种大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大质量构件运动控制领域，尤其涉及大质量构件的绕虚轴回转运动控制。
背景技术：
空间上某一物体，想使其绕其自质心转动且质心位置不发生改变，可在其质心处 装一根固定转轴，并驱动其绕转轴转动。在工程应用中，如果空间上这一物体的质量和尺寸很大，或者功能和结构复杂，则 在其质心处安装转轴会实施困难，因为1.若物体质量和尺寸很大，则需要的转轴的尺寸 相应也会变得很大，制造和加工会有困难，且所需的驱动力相应增大；2.若某物体是实现 特定功能的装置，则在其质心处安装转轴会破坏该装置，使得其功能无法实现，目前暂无解 决该技术问题的技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用于各种形状和结 构的大质量构件、易于工业实施，并可采用位置差补的方法使大质量构件的质心位置相对 大地坐标保持不变的大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法。还提供一种结构紧凑、体 积小、精度高、效率高、通用性强的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法，包括如下步骤1)安装首先安装固定所述大质量构件；2)回转驱动驱动所述质心为0的大质量构件沿圆心为A点、半径为R的圆弧转 动一段弧长，所述大质量构件的质心0在水平方向上的偏移量为ΔΧ，在竖直方向上的偏移 量为ΔΥ;3)差补驱动所述步骤2) “回转驱动”的同时，驱动所述大质量构件做水平差补 运动和竖直差补运动，令大质量构件在回转运动过程中其质心0相对大地坐标位置保持不 变，所述水平差补运动方向与所述步骤2) “回转驱动”中的所述水平偏移方向相反，所述水 平差补运动的位移量为ΔΧ，所述竖直差补运动方向与所述步骤2) “回转驱动”中的所述竖 直偏移方向相反，所述竖直差补运动的位移量为ΔΥ。作为本发明的方法的进一步改进所述大质量构件做回转运动时，所述一段弧长的值是由传感器测量获取的，再根 据所述一段弧长的值、已知的A点和0点之间间距L和圆弧的半径R计算得到所述水平方 向上的偏移量和所述竖直方向上的偏移量。本发明还提出一种技术方案一种大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，包括圆弧导轨、滑块、回转驱动机构、 回转工作台、控制单元和用于安装所述大质量构件的载物工作台，所述滑块设在所述圆弧导轨上，所述滑块的上端与所述载物工作台下方相连，所述滑块的下端与所述回转驱动机 构连接固定，所述圆弧导轨和所述回转驱动机构固定在所述回转工作台上，所述回转驱动 机构与所述控制单元相连，其特征在于，所述回转工作台下设有可令所述大质量构件的质 心在完成回转运动过程时相对大地坐标位置保持不变的差补驱动机构，所述差补驱动机构 与所述控制单元相连。作为本发明的装置的进一步改进所述差补驱动机构包括竖直驱动单元、水平驱动单元，所述竖直驱动单元的一端装设于水平驱动单元上，所述竖直驱动单元的另一端与所述回转工作台的底部相连。所述回转驱动机构包括回转驱动电机、蜗杆以及与所述蜗杆配合的蜗轮，所述回 转驱动电机与所述控制单元和所述蜗杆相连，所述蜗轮与所述滑块连为一体。所述圆弧导轨处设有用于测量回转运动时所述滑块在所述圆弧导轨上转动弧长 的柔性磁栅尺，所述柔性磁栅尺与所述控制单元相连。所述水平驱动单元包括水平底座、水平驱动缸、水平导轨、水平运动平台以及用于 测量所述水平驱动缸在差补运动中运动行程的水平距离传感器，所述水平驱动缸和所述水 平导轨装设在所述水平底座上，所述水平导轨的设置方向与所述水平驱动缸伸缩端的伸缩 方向平行，所述水平驱动缸伸缩端与所述水平运动平台相连，所述水平运动平台与所述竖 直驱动单元相连，所述水平驱动缸、所述水平距离传感器与所述控制单元相连。所述竖直驱动单元包括竖直基座、竖直驱动电机、齿轮组、竖直丝杆、丝杆螺母、竖 直导轨、以及用于测量所述丝杆螺母在差补运动中运动行程的竖直距离传感器，所述竖直 驱动电机通过所述齿轮组与所述竖直丝杆相连，所述丝杆螺母套设在所述竖直丝杆上，所 述丝杆螺母与所述回转工作台相连，所述竖直导轨设置方向与所述竖直丝杆方向平行，所 述竖直驱动电机、所述竖直丝杆、所述竖直导轨均固定在所述竖直基座上，所述竖直基座与 所述水平运动平台相连，所述竖直驱动电机、所述竖直距离传感器与所述控制单元相连。与现有技术相比，本发明的优点在于(1)本发明的大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法，采用驱动大质量构件沿 圆心为A点、半径为R的圆弧做回转运动，其回转轴是位于A点处的一根垂直于圆弧平面的 虚拟轴，适用于各种形状和结构的大质量构件、易于工业实施；采用对水平方向上的偏移量 ΔΧ与竖直方向上的偏移量Δ Y进行反向差补运动的控制方法，使大质量构件绕虚轴回转 运动时其自质心位置相对大地坐标不变。(2)本发明的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，结构紧凑、体积小、精度高、通 用性强；采用圆弧导轨和滑块的结构，可实现任意高精度圆弧回转运动，且在负载相同的情 况下，可使驱动功率大幅下降；在回转工作台下设置差补驱动机构，可以大质量构件在绕虚 拟轴回转运动时其质心相对于大地坐标保持不变；回转驱动机构采用驱动电机加蜗轮蜗杆 的形式，结构紧凑、传动平稳、精度高；在圆弧导轨处设置柔性磁栅尺、可以测得滑块运动的 弧长，从而计算得到水平方向上的偏移量和竖直方向上的偏移量，为差补驱动提供数据；通 过竖直距离传感器和水平距离传感器可测得回转工作台在差补运动的位移，所得数据传送 至控制单元，从而控制差补驱动机构的运动，并使装置的工作更可靠，位移更精准。
图1是本发明的控制方法的流程示意图；图2是本发明的实施例的原理示意图；图3是本发明的实施例的主视结构示意图；图4是本发明的实施例的回转驱动机构的主视结构示意图；图5是本发明的实施例的回转驱动机构的立体结构示意图；图6是本发明的实施例的水平驱动单元的主视结构示意图；图7是本发明的实施例的水平底座的俯视结构示意图；图8是本发明的实施例的竖直驱动单元主视结构示意图。图中各标号表示1、载物工作台；2、大质量构件；3、滑块；4、圆弧导轨；401柔性磁栅尺；5、回转驱 动机构；501、回转驱动电机；502、蜗杆；503、蜗轮；6、回转工作台；7、差补驱动机构；701、 竖直驱动单元；702、竖直距离传感器；703、水平驱动单元；704、水平距离传感器；705、竖 直基座；706、竖直导轨；707、齿轮组；708、竖直丝杆；709、丝杆螺母；710、竖直驱动电机； 711、水平底座；712、水平驱动缸；713、水平导轨；714、水平运动平台；8、控制单元。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明实施例作详细的说明。如图1、图2所示，本发明的大质量构件变半径俯仰运动的控制方法，包括下列步骤1)安装首先安装固定大质量构件2 ；2)回转驱动驱动质心为0的大质量构件2沿圆心为A点、半径为R的圆弧转动 弧长C。3)计算偏移量步骤2) “回转驱动”的同时，由传感器测量获取的弧长C的值，再 根据弧长C的值、和圆弧导轨4的半径R计算得到大质量构件2在回转运动中绕虚拟轴的 转动角度α的值，其中α = C-180/π R0根据角度α的值、已知的A点和0点之间间距 L和圆弧导轨4的半径R计算得到水平方向上的偏移量ΔΧ和竖直方向上的偏移量ΔΥ，其 中Δ X = Lsin α , Δ Y = Lsin α · sin α。4)差补驱动驱动大质量构件2做水平差补运动和竖直差补运动，令大质量构件2在回转运动过程中其质心0相对大地坐标位置保持不变，水平差补运动方向与步骤2) “回 转驱动”中的水平偏移方向相反，水平差补运动的位移量为ΔΧ，竖直差补运动方向与步骤 2) “回转驱动”中的竖直偏移方向相反，竖直差补运动的位移量为ΔΥ。本实施例中如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本发明的大质量构件绕虚拟轴回转运 动的装置，包括载物工作台1、圆弧导轨4、滑块3、回转驱动机构5和回转工作台6，大质量 构件2安装在载物工作台1上，滑块3设在圆弧导轨4上，滑块3的上端与载物工作台1下 方相连，滑块3的下端与回转驱动机构5连接固定，圆弧导轨4和回转驱动机构5固定在回 转工作台6上，回转驱动机构5与控制单元8相连。回转驱动机构5带动滑块3与载物工 作台1 一起沿圆弧导轨4滑动，实现大质量构件2绕虚拟轴的回转运动，其回转轴是位于A 点处的一根垂直于圆弧导轨4平面的虚拟轴，采用这种结构方式可使装置适用于各种形状和结构的大质量构件2、且易于工业实施。回转驱动机构5包括回转驱动电机501、蜗杆502以及与蜗杆502配合的蜗轮503， 回转驱动电机501与控制单元8和蜗杆502相连，蜗轮503与滑块3连为一体。控制单元8 控制回转驱动电机501驱动蜗杆502转动，从而带动蜗轮503和滑块3沿圆弧导轨4滑动，
结构紧凑、传动平稳、精度高。
圆弧导轨4处设有用于测量回转运动时滑块3在圆弧导轨4上转动弧长的柔性磁 栅尺401，柔性磁栅尺401与控制单元8相连。柔性磁栅尺401用于测量滑块3在回转运动 中的转动弧长C的值，再根据弧长C的值和圆弧导轨4的半径R计算得到大质量构件2在 回转运动中绕虚拟轴的转动角度α的值，根据角度α的值、已知的A点和0点之间间距L， 计算得到水平方向上的偏移量ΔΧ和竖直方向上的偏移量△ Y，为控制单元8控制差补驱动 提供位移数据。回转工作台6下设有差补驱动机构7，差补驱动机构7与控制单元8相连。差补驱 动机构7包括竖直驱动单元701、水平驱动单元703。差补驱动机构7用于使大质量构件2 的质心在完成回转运动过程时相对大地坐标位置保持不变。水平驱动单元703包括水平底座711、水平驱动缸712、水平导轨713、水平运动平 台714以及用于测量水平驱动缸712在差补运动中运动行程的水平距离传感器704，水平驱 动缸712和水平导轨713装设在水平底座711上，水平导轨713的设置方向与水平驱动缸 712伸缩端的伸缩方向平行，水平驱动缸712伸缩端与水平运动平台714相连，水平运动平 台714与竖直驱动单元701相连。控制单元8控制水平驱动缸712伸缩端做伸缩运动，使 水平运动平台714沿水平导轨713在水平底座711上运动，实现水平方向上的差补运动。竖直驱动单元701包括竖直基座705、竖直驱动电机710、齿轮组707、竖直丝杆 708、丝杆螺母709、竖直导轨706、以及用于测量丝杆螺母709在差补运动中运动行程的竖 直距离传感器702，竖直驱动电机710通过齿轮组707与竖直丝杆708相连，丝杆螺母709 套设在竖直丝杆708上，丝杆螺母709与回转工作台6相连，竖直导轨706设置方向与竖直 丝杆708方向平行，竖直驱动电机710、竖直导轨706、竖直丝杆708均固定在竖直基座705 上。竖直基座705与水平运动平台714相连，使竖直驱动单元701及固定在其上的回转工 作台6可随水平运动平台714 —起在水平方向上运动。竖直驱动电机710与控制单元8相 连，控制单元8控制竖直驱动电机710转动，通过齿轮组707带动竖直丝杆708转动，丝杆 螺母709和回转工作台6沿丝杆上下移动，实现竖直方向上的差补运动。水平距离传感器704和竖直距离传感器702与控制单元8相连，用于在回转运动 中向控制单元8反馈水平驱动单元703和竖直驱动单元701的位移量，从而控制水平驱动 单元703和竖直驱动单元701的启动和停止，使差补驱动单元的运动更可靠、精准。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，例如差补驱动机构7 的水平和竖直两向差补增加为三向差补，应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法，包括如下步骤1)安装首先安装固定所述大质量构件(2)；2)回转驱动驱动所述质心为O的大质量构件(2)沿圆心为A点、半径为R的圆弧转动一段弧长，所述大质量构件(2)的质心O在水平方向上的偏移量为ΔX，在竖直方向上的偏移量为ΔY；3)差补驱动所述步骤2)“回转驱动”的同时，驱动所述大质量构件(2)做水平差补运动和竖直差补运动，令大质量构件(2)在回转运动过程中其质心O相对大地坐标位置保持不变，所述水平差补运动方向与所述步骤2)“回转驱动”中的所述水平偏移方向相反，所述水平差补运动的位移量为ΔX，所述竖直差补运动方向与所述步骤2)“回转驱动”中的所述竖直偏移方向相反，所述竖直差补运动的位移量为ΔY。
2.根据权利要求2所述的大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法，其特征在于，所 述大质量构件(2)做回转运动时，所述一段弧长的值是由传感器测量获取的，再根据所述 一段弧长的值、已知的A点和0点之间间距L和所述圆弧的半径R计算得到所述水平方向 上的偏移量和所述竖直方向上的偏移量。
3.一种大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，包括圆弧导轨(4)、滑块(3)、回转驱动 机构(5)、回转工作台(6)、控制单元(8)和用于安装所述大质量构件(2)的载物工作台 (1)，所述滑块(3)设在所述圆弧导轨(4)上，所述滑块(3)的上端与所述载物工作台(1)下 方相连，所述滑块(3)的下端与所述回转驱动机构(5)连接固定，所述圆弧导轨(4)和所述 回转驱动机构(5)固定在所述回转工作台(6)上，所述回转驱动机构(5)与所述控制单元 (8)相连，其特征在于，所述回转工作台(6)下设有可令所述大质量构件(2)的质心在完成 回转运动过程时相对大地坐标位置保持不变的差补驱动机构(7)，所述差补驱动机构(7) 与所述控制单元(8)相连。
4.根据权利要求3所述的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，其特征在于，所述差 补驱动机构(7)包括竖直驱动单元(701)、水平驱动单元(703)，所述竖直驱动单元(701) 的一端装设于水平驱动单元(703)上，所述竖直驱动单元(701)的另一端与所述回转工作 台(6)的底部相连。
5.根据权利要求3或4所述的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，其特征在于，所 述回转驱动机构(5)包括回转驱动电机(501)、蜗杆(502)以及与所述蜗杆(502)配合的蜗 轮(503)，所述回转驱动电机(501)与所述控制单元(8)和所述蜗杆(502)相连，所述蜗轮 (503)与所述滑块(3)连为一体。
6.根据权利要求3或4所述的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，其特征在于，所述 圆弧导轨(4)处设有用于测量回转运动时所述滑块(3)在所述圆弧导轨(4)上转动弧长的 柔性磁栅尺(401)，所述柔性磁栅尺(401)与所述控制单元(8)相连。
7.根据权利要求4所述的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，其特征在于，所述水 平驱动单元(703)包括水平底座(711)、水平驱动缸(712)、水平导轨(713)、水平运动平 台(714)以及用于测量所述水平驱动缸(712)在差补运动中运动行程的水平距离传感器 (704)，所述水平驱动缸(712)和所述水平导轨(713)装设在所述水平底座(711)上，所述 水平导轨(713)的设置方向与所述水平驱动缸(712)伸缩端的伸缩方向平行，所述水平驱 动缸(712)伸缩端与所述水平运动平台(714)相连，所述水平运动平台(714)与所述竖直驱动单元(701)相连，所述水平驱动缸(712)、所述水平距离传感器(704)与所述控制单元 ⑶相连。
8.根据权利要求4所述的大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，其特征在于，所述 竖直驱动单元(701)包括竖直基座(705)、竖直驱动电机(710)、齿轮组(707)、竖直丝杆(708)、丝杆螺母(709)、竖直导轨(706)、以及用于测量所述丝杆螺母(709)在差补运动中 运动行程的竖直距离传感器(702)，所述竖直驱动电机(710)通过所述齿轮组(707)与所 述竖直丝杆(708)相连，所述丝杆螺母(709)套设在所述竖直丝杆(708)上，所述丝杆螺母(709)与所述回转工作台(6)相连，所述竖直导轨(706)设置方向与所述竖直丝杆(708)方 向平行，所述竖直驱动电机(710)、所述竖直丝杆(708)、所述竖直导轨(706)均固定在所述 竖直基座(705)上，所述竖直基座(705)与所述水平运动平台(714)相连，所述竖直驱动电 机(710)、所述竖直距离传感器(702)与所述控制单元(8)相连。
全文摘要
本发明公开了一种大质量构件绕虚拟轴回转运动的控制方法及装置，采用驱动大质量构件沿圆心为A点、半径为R的圆弧做回转运动，并采用对水平方向上的偏移量ΔX与竖直方向上的偏移量ΔY进行反向差补运动的控制方法，使大质量构件绕虚轴回转运动时其自质心位置相对大地坐标不变。大质量构件绕虚拟轴回转运动的装置，包括圆弧导轨、滑块、回转驱动机构、回转工作台、控制单元和载物工作台，所述回转工作台下设有可令所述大质量构件的质心在完成回转运动过程时相对大地坐标位置保持不变的差补驱动机构，所述差补驱动机构与所述控制单元相连。本发明具有结构紧凑、体积小、精度高、通用性强的优点。
文档编号G05B19/02GK101846981SQ20101013216
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者吴学忠, 崔红娟, 席翔, 肖定邦, 谢立强, 辛华, 陈志华, 陶溢 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学