一种实现旋转台转轴摇摆运动的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实现转轴摇摆运动的装置和方法，特别涉及一种通过步进电机及传动装置实现转轴摇摆运动的装置和方法，属于旋转台摇摆运动控制领域。
【背景技术】
[0002]旋转台摇摆运动一般有转轴直接驱动和使用减速机构两种方案，转轴直接驱动精度高，但是通常需要大扭矩电机，会导致旋转台体积较大以及成本很高;使用减速机构常见的是采用两种传动装置，一种是减速机的方式，该方式存在着空程误差，导致摇摆精度不高；另一种是凸轮传动方式，该方式不易调整频率和振幅，且凸轮易磨损，使用不方便。在算法上，通常采取定时定位方式，定时间隔一般大于10毫秒，转轴启动和停止一般采用正弦平滑的方式，主要问题是采样点较少，当频率大于等于10赫兹时，波形失真度较大，启动和停止不平稳。
【发明内容】
[0003]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种实现旋转台转轴摇摆运动的装置和方法，摇摆精度高，容易调整频率和振幅，摇摆启动和停止平稳，且不需要大扭矩电机，使用方便，成本低。
[0004]本发明的技术解决方案为:一种实现旋转台转轴摇摆运动的装置，包括传动装置、步进电机、驱动单元和控制器；
[0005]其中步进电机通过传动装置与转轴相连，控制器实时计算转轴摇摆运动的振幅并输出给驱动单元，驱动单元实时将转轴摇摆运动的振幅转换为驱动信号输出给步进电机，步进电机在所述驱动信号作用下转动，通过传动装置带动旋转台转轴进行摇摆运动。
[0006]所述传动装置采用挠性传动装置实现，所述挠性传动装置包括弧形块、钢丝绳、弹性机构和传动轮，弧形块与转轴的框架固定连接，弹性机构设置在弧形块的一侧，传动轮固联在步进电机的轴上，钢丝绳缠在传动轮上，钢丝绳的两个自由端交叉后，一端与弹性机构连接，另一端固定连接在弧形块的固定端，固定端位于弧形块上与弹性机构对称的另一侧；所述弹性机构用于为钢丝绳施加一定的预紧力。
[0007]所述弹性机构包括弹簧、固定片、滑动片和预紧螺钉，弹簧放置在固定片和滑动片之间，固定片和滑动片通过可旋转的预紧螺钉连接，通过预紧螺钉的旋转实现弹簧压缩量的调节。
[0008]所述控制器通过PMAC运动控制卡实现。
[0009]利用所述装置实现旋转台转轴摇摆运动的方法，包括如下步骤:
[0010]步骤一:控制器根据用户输入的半径rl、圆心01和起点Si，每隔时间间隔tl，利用两轴圆弧插补算法得到当前时刻转轴摇摆运动的振幅输出给驱动单元，通过步进电机和传动装置实现转轴的启动，其中丨1为伺服周期，半径^=40/2，圆心01 = (40/2 40/2)，起点81=(O，A0/2)，AO为转轴摇摆运动的最大振幅；
[0011]步骤二:当转轴启动时间达到T/4时，控制器根据用户输入的半径r2、圆心02和起点s2，每隔时间间隔tl，利用两轴圆弧插补算法得到当前时刻转轴摇摆运动的振幅输出给驱动单元，通过步进电机和传动装置实现转轴的摇摆，其中T为转轴摇摆运动的周期，半径r2=A0，圆心 02 = (0，0)，起点82 =(厶0，厶0/2);
[0012]步骤三:在转轴停止摇摆的前T/4时刻，控制器根据用户输入的半径r3、圆心03和起点s3，每隔时间间隔tl，利用两轴圆弧插补算法得到当前时刻转轴摇摆运动的振幅输出给驱动单元，通过步进电机和传动装置实现转轴的停止，从而完成旋转台转轴的摇摆运动，其中半径『3=40/2，原点03 =(厶0/2，厶0/2)，83 =(厶0，厶0/2)。
[0013]所述两轴圆弧插补算法实现方式如下:
[0014](6.1)控制器根据用户输入的半径、圆心和起点进行圆弧运动位置解算；
[0015](6.2)将圆弧运动的位置实时投影到X轴和Y轴，得到X轴和Y轴的运动函数；
[0016](6.3)将当前时刻X轴的投影值作为当前时刻转轴摇摆运动的振幅输出给驱动单元，Y轴的投影值不输出，实现两轴圆弧插补。
[0017]所述步骤(6.2)中，得到X轴和Y轴的运动函数如下:
[0018]转轴摇摆运动的启动阶段，X轴运动函数为At = 0.5*Ao*COS (*t_3i) +0.5*A0
[0019]转轴摇摆运动的摇摆阶段，X轴运动函数At = Ao*SIN(23T*f*t)
[0020]转轴摇摆运动的停止阶段，X轴运动函数At = 0.5*A()*C0S(23T*2*f*t-3T)+0.5*Ao[0021 ] 转轴摇摆运动的启动阶段，Y轴运动函数At = 0.5*Ao*SIN(23i*2*f*t-pi)+0.5*Ao[0022 ] 转轴摇摆运动的摇摆阶段，￥轴运动函数At = Ao*COS (2Ji*f *t)
[0023]转轴摇摆运动的停止阶段，Y轴运动函数At = 0.5*A()*SIN(23T*2*f*t-3T)+0.5*Ao
[0024]其中At为t时刻转轴摇摆运动的振幅，Ao为预先设定的转轴摇摆运动的最大振幅，f为转轴摇摆运动的频率。
[0025]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0026](I)本发明通过控制器控制步进电机及传动装置实现，结构简单、紧凑，不需要大扭矩电机，使用方便，成本大大低于直接驱动方案。
[0027](2)本发明采用挠性传动装置进行传动，钢丝绳采用一端固连，另一端使用由弹簧固定片组成的弹性装置，可以对弹簧的预紧力进行定量调节，达到理想的传动效果，同时本发明的挠性传动装置结构简单、成本低廉，易于实现，同时没有空程误差，大大提高了传动精度。
[0028](3)本发明采用圆弧插补算法实现，一方面转轴摇摆运动的频率和振幅容易调整，另一方面使运算时间间隔从毫秒级提高到微秒级，使摇摆精度与直接驱动方案相当，极大地提高了摇摆精度，尤其在摇摆频率大于等于1Hz时，波形失真度小于1%。
[0029](4)本发明通过采用两轴圆弧插补算法使得转轴摇摆的启动和停止阶段均通过半幅倍频余弦曲线与摇摆阶段的正弦曲线连接，使摇摆启动和平稳更平滑，同时避免了在启动和停止阶段引入高次(大于2次)谐波，减少了对被测产品的影响。
[0030](5)本发明控制器通过PMAC运动控制卡实现，PMAC运动控制卡的伺服周期为62.5微秒，有效保证了转轴的摇摆精度和失真度。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明转轴摇摆运动装置示意图；
[0032]图2为本发明的挠性传动装置示意图；
[0033]图3为本发明的两轴圆弧运动示意图；
[0034]图4为本发明的X轴运动轨迹示意图；
[0035]图5为本发明的Y轴运动轨迹示意图。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，本发明提出了一种实现旋转台转轴摇摆运动的装置，包括传动装置2、步进电机3、驱动单元4和控制器5的转轴摇摆运动装置，其中步进电机3通过传动装置2与转轴I相连，控制器5实时计算转轴摇摆运动的振幅并转换为脉冲信号输出给驱动单元4，驱动单元4实时将转轴摇摆运动的振幅转换为驱动信号输出给步进电机3，步进电机3在所述驱动信号作用下转动，从而通过传动装置2带动旋转台转轴I进行正弦摇摆运动。
[0037]为了进一步提高摇摆精度并降低成本，本发明的传动装置可以采用挠性传动装置实现，如图2所示，本发明的挠性传动装置包括弧形块21、钢丝绳22、弹性机构23和传动轮24，弧形块21与转轴I的框架固定连接，弹性机构23设置在弧形块21的一侧，传动轮24固联在步进电机3的轴上，钢丝绳22缠在传动轮24上，钢丝绳22的两个自由端交叉后，一端与弹性机构23连接，另一端固定连接在弧形块21的固定端25处，固定端25位于弧形块21与弹性机构23对称的另一侧;弹性机构23用于为钢丝绳22施加一定的预紧力，弹性机构23由弹簧231、固定片232、滑动片233和预紧螺钉234组成，弹簧231放置在固定片232和滑动片233之间，通过旋转预紧螺钉234，使滑动片233向固定片232移动，弹簧231被压缩，由于弹簧231的压缩量与预紧力大小成正比，所以规定弹簧的压缩量就可以规定预紧力。
[0038]本发明控制器5通过PMAC运动控制卡实现，外围可以采用工控机配合，工控机接收用户输入的信息，并输出给PMAC运动控制卡，PMAC运动控制卡根据用户输入的信息计算转轴摇摆运动的振幅并输出。PMAC运动控制卡的伺服周期为62.5微秒，能够极大地提升摇摆精度和失真度。
[0039]本发明提出了一种利用上述装置实现旋转台转轴摇摆运动的方法，包括如下步骤:
[0040]步骤一:转轴摇摆运动的启动阶段:
[0041]控制器5根据用户输入的半径rl、圆心01和起点Si，每隔时间间隔tl，利用两轴圆弧插补算法得到当前时刻转轴摇摆运动的振幅输出给驱动单元4，通过步进电机3和传动装置2实现转轴I的启动，其中tl为伺服周期。AO为转轴摇摆运动的最大振幅，半径rl=A0/2，圆心01 = (AO/2，A0/2)，起点si = (O，A0/2)；
[0042]步骤三:转轴摇摆运动的摇摆阶段:
[0043]当转轴I启动时间达到T/4时，控制器5根据用户输入的半径r2、圆心02和起点s2，每隔时间间隔tl，利用两轴圆弧插补算法得到当前时刻转轴摇摆运动的振幅输出给驱动单元4，通过步进电机3和传