基于电磁力补偿的消除惯性力影响的气浮随动装置

摘要

一种基于电磁力补偿的消除惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴、气浮套和长距离导轨气浮滑轮，气浮套套装在气浮轴上，气浮套有两个，气浮套均与贮气套密封连接，贮气套上套装吊挂绳，运动件吊装在吊挂绳上；加速度传感器安装在所述运动件上；电磁力产生机构包括电磁铁和永磁体，电磁铁装在安装座内上，永磁体装在贮气套上，永磁体正对电磁铁。本发明有效消除惯性力影响、控制精度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及气浮随动装置，尤其是一种消除惯性力影响的气浮随动装置。 

背景技术

目前采用的吊挂方式是将重物(运动件)通过吊挂绳直接吊挂在直线导轨上的滑块上，滑块跟着运动件随动。但在高精度测量时，直线导轨与滑块间的摩擦力会对运动件的空间位置和运动产生附加作用力的影响。另一方面，由于运动件连接到滑块上，滑块及其它吊挂随动部件都有质量，在随动部件跟随运动件运动过程中会产生惯性力，该惯性力就会附加到运动件上。 

为了实现长距离无摩擦运动，专利申请号为CN 201010165536.0的“用于超长距离跟随吊点运动轨迹的无摩擦气浮装置”提供了一种用于超长距离跟随吊点运动轨迹的无摩擦气浮装置，该专利将轴向长距离无摩擦移动嫁接到一般运动精度的滑块导轨组件上，即可实现气浮套在短气浮轴随运动件作大位移移动。但是，带来了新问题，两个气浮套与贮气套组成的气浮随动装置的质量很大，在运动件加速或减速运动时，气浮随动装置与其它吊挂随动部件的惯性力影响不能忽略，此时仅仅被动跟随不能满足精密同步跟随吊点运动轨迹的要求，需要测量出跟随误差，设法去除该惯性力的影响。 

发明内容

为了克服已有气浮随动装置的不能消除惯性力影响、控制精度较低的不足，本发明提供一种有效消除惯性力影响、控制精度较高的基 于电磁力补偿的消除惯性力影响的气浮随动装置。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种基于电磁力补偿的消除惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴、气浮套和长距离导轨气浮滑轮，所述气浮套套装在所述气浮轴上，所述气浮套有两个，所述气浮套均与贮气套密封连接，所述贮气套与气浮轴之间为贮气腔，所述气浮轴的轴心开有进气通道，所述进气通道的一端连接主供气管，所述进气通道的另一端与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管与各个气浮套的进气口连通；所述贮气套上套装吊挂绳，所述运动件吊装在所述吊挂绳上；所述气浮随动装置还包括用于检测吊挂绳与贮气套之间是否出现倾斜的加速度传感器和用于抵消惯性力影响的电磁力产生机构，所述加速度传感器安装在运动件上，所述电磁力产生机构包括电磁铁和永磁体，所述电磁铁装在安装座内上，所述永磁体装在贮气套上，所述永磁体正对所述电磁铁。 

进一步，所述电磁铁装在安装座左端，所述永磁体装在贮气套右端。当然，也可以采用其他方式。 

再进一步，所述气浮轴的两端分别套装安装座，所述安装座与所述滑台固定连接，所述滑台连接到长距离直线导轨上，光栅尺装在贮气套中间位置，光栅尺读数头装在安装座中间位置，所述光栅尺读数头正对光栅尺。 

本发明的技术构思为：气浮随动装置根据运动件吊点位置无摩擦随动，通过光栅尺检测贮气套位置，如果安装座上的光栅尺读数头读出的位置值不等于零，则主动控制电机等驱动源，通过同步带控制滑 台移动，保证贮气套与安装座的相对位移为零，即位于安装座的中心位置。 

气浮随动装置与运动件加速度相同时，认为运动一致跟随。如果运动件沿直线导轨方向运动，由于气浮随动装置的质量较大，跟随运动过程中虽然没有摩擦力的影响，但是运动件加速或减速运动（启动或停止）时却不可避免的要受到自身惯性力的影响，出现滞后或超前。根据贴在运动件上的加速度传感器测出其加速度，然后由电磁铁提供一个相同方向的磁力F=m,使气浮随动装置的加速度与运动件的加速度相同，从而补偿气浮随动装置惯性力的影响，保证气浮随动装置对运动件的一致跟随。 

本发明很好的解决了由于超长距离随动的气浮装置中增加了气浮随动装置的质量，因此产生的惯性力不能简单忽略，进而单纯靠被动跟随不能同步运动的问题。本发明通过嵌入式微处理器控制电磁铁产生与惯性力大小相等方向相反的力，使气浮随动装置主动跟随运动件运动，达到精密同步运动的目的。 

本发明的有益效果主要表现在： 

为了实现气浮随动装置在短气浮轴上根据运动件吊点位置作长距离无摩擦随动，将轴向长距离无摩擦移动嫁接到一般运动精度的滑块导轨组件上，通过光栅尺检测贮气套位置，由主动控制电机等驱动源控制滑块移动，保证贮气套与安装座的相对位移为零，这样就能够保证运动件在长距离移动情况下始终保持无摩擦。但是由于增加了气浮随动装置的质量，因此产生的惯性力不能简单忽略，单纯靠被动跟随不能一致跟随。本专利根据运动件上的加速度传感器测得的加速度值， 由嵌入式微处理器控制电磁铁产生与惯性力大小相等方向相反的力，使气浮随动装置主动跟随运动件运动，达到补偿气浮随动装置惯性力的目的。 

附图说明

图1是采用电磁力补偿气浮随动装置的惯性力的机械结构图。 

图2是采用电磁力补偿气浮随动装置的惯性力的方法的控制图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。 

参照图1和图2，一种基于电磁力补偿的消除惯性力影响的气浮随动装置，包括气浮轴10和气浮套2，所述气浮套2套装在所述气浮轴10上，所述气浮套2有两个，所述气浮套2均与贮气套1密封连接，所述安装座8装在所述气浮轴10两端，所述贮气套1与所述气浮套2构成气浮随动装置，所述气浮随动装置通过掉挂绳12与运动件13随动；所述消除惯性力影响的气浮随动装置还包括长距离直线导轨6，所述长距离直线导轨6安装在工字梁17两侧，工字梁17上安装滑台5，所述滑台5与所述安装座8固定连接。所述贮气套1与气浮轴10之间为贮气腔，所述气浮轴10的轴心开有进气通道，连接主供气管7，并与所述贮气腔连通，所述贮气腔设有出气口，所述出气口通过连接气管15与各个气浮套2的进气口连通。 

所述位置传感器光栅尺3安装在贮气套中间位置，光栅尺读数头4装在安装座中间位置，用以判断气浮随动装置偏离气浮轴中间位置是否达到设定值。 

所述电磁铁9安装在所述安装座8上，所述永磁体11安装在所述 贮气套1。加速度传感器14安装在运动件13上。 

气浮套与贮气套间通过O型圈对贮气套密封。 

本实施例中，当运动件13沿与气浮轴10轴向平行的方向短距离移动时，随即拖动贮气套1与气浮套2组成的气浮随动装置在气浮轴10上轴向移动。当位置传感器光栅尺3检测到贮气套1与安装座8的相对位移大于设定值后，主动控制电机16，通过同步带控制滑台5按贮气套1相同运动方向移动，从而保证贮气套1与气浮套2组成的气浮随动装置始终位于安装座的中间位置。对于长距离移动的场合，主动控制电机7通过同步带带动滑台移动，由于气浮套与气浮轴之间无摩擦运动的特性，滑台的移动过程并不对气浮套2和贮气套1及运动件13的空间位置及运动造成影响。 

当运动件13沿与气浮轴 10轴向平行的方向移动时，由于气浮随动装置的质量较大，拖动气浮随动装置移动时不能忽略其惯性力的影响，如果气浮随动装置不能一致跟随，则吊挂绳12不再垂直于贮气套1，出现倾斜，倾斜角度为α。加速度传感器可以灵敏地测出倾斜角度α的大小，并把该角度值传给带PID控制的嵌入式微处理器，嵌入式微处理器据此计算出控制电磁铁9的电流的大小与方向，安装座8左端的电磁铁9对贮气套1右端的永磁体11产生与贮气套1和气浮套2 组成的气浮随动装置惯性力相反的推力或吸力，气浮随动装置向左或向右运动，从而减小自身惯性力对跟随运动的影响，即减小吊挂绳与贮气套之间的倾斜角度α，最终使吊挂绳与贮气套重新保持垂直。 

具体的控制算法如下： 

需要补偿的惯性力为F=-ma 

已知电磁铁线圈的匝数N，铁芯横截面积S，则电磁铁的吸力F计算公式推导如下： 

其中S为铁芯横截面，μ₀为真空磁导率， 为磁通，对于直流电磁铁， 所以， 

其中I为通过电磁铁线圈的电流，N为电磁铁线圈的匝数，R_m为电磁铁的磁阻，和铁芯与衔铁之间的间歇有关，由于机构已经保证该间歇变化很小，所以认为是常量。 

使电磁铁的磁力与需要补偿的惯性力大小相等，方向相反，则 

$>\frac{1}{{2\mu }_0}\frac{I^2{N}^{2}1}{R_m^2}\frac{1}{S}=\mathrm{ma},$>

$>I=\sqrt{\frac{{2\mu }_0{R}_m^2\mathrm{Sma}}{N^2}}$>

当光栅尺检测到的安装座与贮气套的相对位移为零时，加速度传感器测出运动件的加速度a，并把该值传给带PID控制的嵌入式微处理器，PID的参数根据上述理论推导出的公式整定。嵌入式微处理器根据整定过的PID参数计算出控制电磁铁的电流的大小与方向，安装座左端的电磁铁对贮气套右端的永磁铁产生与惯性力相反的推力或吸力，推或拉贮气套运动，从而弥补惯性力的影响，使气浮随动装置与运动件一致跟随。控制系统原理详见附图2。