本發(fā)明涉及運動平臺控制領域，具體涉及一種基于雙占空柱塞氣液缸驅動的運動平臺及控制方法。

背景技術：

隨著科技的發(fā)展，精密定位和位移技術在國防工業(yè)、微電子工程、航空航天和生物工程等領域都起著不可替代的作用。它直接影響了整個機械行業(yè)的技術發(fā)展，決定了機械加工精度和產品的質量性能，進而影響到設備的可靠性與穩(wěn)定性。大量光學儀器對高精度的位移平臺有很高的要求以外，工作環(huán)境的這類位移機構也提出了更高的要求，比如潤滑條件、安裝空間和振動等；在光電跟蹤器材中，也對位移平臺提出了很高：要求調節(jié)靈敏度高，響應速度快。

目前直線位移平臺的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和新型驅動裝置等。氣動驅動的有點事節(jié)能、無污染、高速高效和易于控制的特點，液壓驅動具有較大的功率重量比、結構簡單緊湊、剛性好、可實現(xiàn)任意位置的開停、能在很大調整范圍內實現(xiàn)無極調速等優(yōu)點。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，本發(fā)明提供一種基于雙占空柱塞氣液缸驅動的運動平臺及控制方法。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于雙占空柱塞氣液缸驅動的運動平臺，包括移動平臺部分、氣缸部分、檢測部分及控制部分；

所述移動平臺部分，包括靜平臺，所述靜平臺上平行安裝兩個導軌，所述導軌上設置滑塊，滑塊上安裝運動平臺，運動平臺隨著導軌進行直線前后移動，運動平臺通過連接件與兩端的側板連接，構成一個移動平臺；

所述氣缸部分，包括兩個平行安裝的氣液缸，所述兩個氣液缸的活塞桿末端分別連接氣液缸萬向節(jié)，兩個氣液缸萬向節(jié)分別連接運動平臺兩端的側板，兩個氣液缸活塞桿伸出的方向平行，且伸出的方向相反；

所述檢測部分，包括用于測量運動平臺位移的直線位移傳感器，所述直線位移傳感器安裝在靜平臺上，所述直線位移傳感器的伸桿末端連接直線位移傳感器萬向節(jié)，所述直線位移傳感器萬向節(jié)與其中一個側板連接，所述直線位移傳感器的伸桿的伸出量與氣液缸的活塞桿伸出量相同，直線位移傳感器檢測的運動平臺的位移信息經過A/D轉換卡輸入到工控計算機中得到相應控制信息；

所述控制部分，包括氣動控制回路及液體控制回路，所述氣動控制回路包括D/A轉換卡、I/O輸出卡、氣動比例閥、氣泵、減壓閥、氣動三聯(lián)件及兩位五通換向閥構成；

所述液體控制回路與兩個氣液缸的油缸連接，包括用于實現(xiàn)油路切換的兩個油路開關閥及節(jié)流閥；

所述氣泵輸出高壓氣體經過氣動三聯(lián)件后，分別經過減壓閥得到氣源，所述計算機得到相應控制信息后發(fā)送到D/A轉換卡及I/O輸出卡，通過D/A轉換卡控制氣動比例閥，I/O輸出卡控制油控開關閥及兩位五通換向閥，進一步控制氣源流量；控制后的氣源流量通過兩位五通換向閥控制兩個氣液缸活塞桿的運動方向。

所述液體控制回路包括補油杯。

所述氣源包括驅動氣源Ps1、驅動氣源Ps2及背壓氣源Ps0，所述驅動氣源Ps1及驅動氣源Ps2連接兩位五通換向閥的兩個端口，所說背壓氣源Ps0經過單向閥后連接兩位五通換向閥的一個端口。

兩個導軌通過支撐座平行安裝在靜平臺上，所述支撐座為梯形結構，每根導軌上設置兩個滑塊。

兩個氣液缸的活塞桿的變化量相同，所述氣液缸的缸體前面用前腳座固定，后面用后腳座固定。

所述氣液缸為占空柱塞氣液缸，其氣缸部分采用活塞桿，液缸部分采用柱塞桿。

一種基于雙占空柱塞氣液缸驅動的運動平臺的控制方法，包括如下步驟：

第一步根據(jù)運動平臺在工作空間運行的軌跡和姿態(tài)，得到兩個氣液缸活塞桿應運行的軌跡及運動狀態(tài)；

第二步將直線位移傳感器檢測的氣液缸活塞桿位移信號，經過通道A/D轉換卡輸入到工控計算機，并與規(guī)劃得到的氣液缸運動軌跡進行求取偏差經過處理后得到反饋控制信號；

第三步將得到的反饋控制信號經過I/O輸出卡和D/A轉換卡輸出相應的開關控制量輸出到相應的開關閥和氣動比例控制閥，控制氣液缸活塞桿的輸出動作，從而實現(xiàn)運動平臺的期望運動要求；

第四步如果對運動平臺進行定位控制，根據(jù)運動平臺需要的運動指定位置，通過氣液控制回路控制使得氣液缸活塞桿運動使得平臺到達指定位置，從而達到工作平臺的定位控制要求，通過氣液缸的控制使平臺的控制精度更高。

本發(fā)明的有益效果：

(1)氣體具有較好的壓縮性，系統(tǒng)具有良好的柔性，系統(tǒng)的結構簡單，兩個氣液缸的油腔相同，油液互補，減去了一般的氣液缸控制線路中的氣液轉換器的使用，大大簡化系統(tǒng)，節(jié)省成本；

(2)兩氣液缸雙向氣動快速運動，雙向切換油節(jié)流，油開關閥打開，快速運動，油關閥，則節(jié)流，速度減慢，采用油開關閥串聯(lián)節(jié)流閥還可以有效調節(jié)節(jié)流閥；

(3)只使用一個氣動控制回路，即可控制兩個氣動占空柱塞氣液缸的運動

(4)兩個氣液缸同時驅動，增加了平臺的驅動力，使得響應速度更迅速

(5)氣液缸的使用引入高剛度，大粘度的油的介質到氣動回路中，使得結構運動更加平穩(wěn)，速度更均勻，更容易控制，定位精度更高；

(6)氣缸氣液聯(lián)動回路，采用氣動比例閥進行伺服控制，氣液聯(lián)動回路結構簡單，成本低廉，可靠性高，控制精度高；

(7)采用氣液聯(lián)動控制回路，使之系統(tǒng)具有結構簡單、效率高、無污染的優(yōu)點。

附圖說明

圖1a是本發(fā)明的雙占空柱塞式氣液缸驅動直線運動平臺裝置總體裝配圖；

圖1b是隱藏顯示運動平臺部分的結構示意圖；

圖1c是隱藏顯示運動平臺的運動平臺的俯視圖；

圖2是本發(fā)明的雙占空柱塞式氣液缸驅動直線運動平臺隱藏顯示運動平臺部分示意圖；

圖3是運動平臺、側板及平臺連接件的結構示意圖；

圖4是氣液缸、前腳座、后腳座及氣液缸萬向節(jié)的裝配示意圖；

圖5是氣液缸的結構示意圖；

圖6是控制部分的結構示意圖；

圖7是導軌支撐座、導軌和滑塊的裝配圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1a-圖1c、圖2、圖3及圖4所示，一種基于雙占空柱塞氣液缸驅動的運動平臺，包括移動平臺部分、氣缸部分、檢測部分及控制部分；

如圖7所示，所述移動平臺部分，包括靜平臺，靜平臺設置兩個相互平行的導軌支撐座8，導軌支撐座8承托起整個移動平臺的重量，導軌支撐座上安裝導軌9，兩導軌平行安裝，安裝時須保證一定平行度，以減少摩擦；每個導軌9上的有兩個滑塊10，兩個滑塊10之間間隔一定距離，保證運動平臺11運動時，滑塊不會移出導軌行程，滑塊在導軌上直線移動，滑塊上方安裝運動平臺，運動平臺和滑塊通過螺釘固定安裝，能夠使平臺直線前后移動，兩個側板12位于運動平臺11的兩端，并通過平臺連接件13固定構成一個移動平臺。側板一共有兩個，具體安裝在運動平臺的兩端，通過四個平臺連接件13連接，考慮移動平臺和側板之間的受力關系，選用四個螺釘緊固的平臺連接件。

所述氣缸部分，包括兩個平行安裝的氣液缸1、14，本發(fā)明氣液缸選用占空柱塞式氣液缸，所述氣液缸的活塞桿末端分別連接氣液缸萬向節(jié)4，移動平臺的兩個側板分別通過氣液缸萬向節(jié)4連接兩個氣液缸的活塞桿，兩個氣液缸活塞桿伸出的方向平行，且伸出的方向相反，這樣通過氣液缸運動控制推動側板的運動；側板與運動平臺用連接件連接，相對固定，側板運動時運動平臺也跟隨運動設其中一個氣液缸伸出活塞桿的方向為正向，當該氣液缸正向運動時，另一氣缸活塞桿回收，同時驅動平臺正向運動，反之亦然。

所述檢測部分，包括用于測量運動平臺位移的直線位移傳感器5，所述直線位移傳感器5通過固定架6固定在靜平臺上，所述直線位移傳感器5的伸桿末端連接直線位移傳感器萬向節(jié)7，所述直線位移傳感器萬向節(jié)7與其中一個側板12固定，所述直線位移傳感器的伸桿的伸出量與氣液缸的活塞桿伸出量相同，用于測量側板的移動，即測量運動平臺的位移，直線位移傳感器萬向節(jié)7和上述的氣液缸萬向節(jié)4能夠消除安裝誤差，減小摩擦力；直線位移傳感器檢測的運動平臺的位移信息經過A/D轉換卡輸入到工控計算機中得到相應控制信息，經過I/O控制卡輸出開關量到相應的油控開關閥及換向閥和經過D/A轉換卡輸出到氣動比例閥20，控制氣液缸的運動，從而控制動平臺的運動。

如圖6所示，所述控制部分，兩個氣液缸共用一套氣液控制回路包括氣動控制回路及液體控制回路，所述氣動控制回路包括D/A轉換卡、I/O輸出卡、氣動比例閥20、氣泵15、減壓閥17、氣動三聯(lián)件16及兩位五通換向閥19構成。

所述氣泵15輸出高壓氣體經過氣動三聯(lián)件16后，分別經過減壓閥17得到氣源，所述計算機得到相應控制信息后發(fā)送到D/A轉換卡控制氣動比例閥，進一步控制氣源流量；控制后的氣源流量通過兩位五通換向閥控制兩個氣液缸活塞桿的運動方向；

所述液體控制回路與兩個氣液缸的油缸連接，包括用于實現(xiàn)油路切換的兩個油路開關閥22、23及節(jié)流閥21。

導軌支撐座8一共兩個，兩個支撐座撐起整個移動平臺的重量，支撐座用梯形結構上大下小，能夠增加支撐座的穩(wěn)定性，支撐座上安裝960mm的直線導軌9，每根導軌上安裝兩個滑塊10，一共四個滑塊10與運動平臺11固定，設計支撐座一定高度使得上平臺與氣液缸高度上留有一定的安全空隙。

氣液缸萬向節(jié)和直線位移傳感器萬向節(jié)的選型都有相應直徑的尺寸，直線位移傳感器萬向節(jié)則采用KPC直線位移傳感器中配套的萬向節(jié)，氣液缸的萬向節(jié)可采用浙江神寶氣動設備有限公司的氣缸擺動萬向浮動接頭，根據(jù)本實例中的氣液缸活塞缸尺寸20mm，應選用M20*1.5的氣缸擺動萬向浮動接頭。

本實施例中兩個200mm氣液缸，兩個氣液缸的作用可以互換，兩個氣液缸的氣路是并聯(lián)的但方向不同，一個氣液缸的活塞伸長，另一個氣液缸的活塞縮短，兩個氣液缸活塞桿同時驅動負責將驅動力傳遞到運動平臺位移做功上，兩個氣液缸1平行反向安裝，缸體前面用前腳座2固定，后用后腳座3固定，兩個腳座的尺寸是根據(jù)氣液缸1設計，兩腳座的安裝使得氣液缸能夠嚴格水平放置，兩個氣缸之間相距氣液缸1(兩個)選型為直徑63mm，該氣液缸為占空柱塞形式氣液缸，氣缸部分采用活塞桿，液缸部分采用柱塞桿，伸出桿長200mm

兩個氣液缸用同一套氣液聯(lián)動通路；氣源Ps1、Ps2為驅動氣源，氣源Ps0為背壓氣源，它們給氣液缸提供能量產生運動，此處氣源用的是具有穩(wěn)定氣壓的清潔氣體，三個氣源是氣泵輸出的高壓氣體經過氣動三聯(lián)件后，分別經過三個減壓閥后得到相應氣壓的氣源，氣壓根據(jù)實際控制設定參數(shù)。

氣源Ps1、Ps2為驅動氣源，氣源Ps0為背壓氣源，三個氣源是氣泵15產生的高壓氣體經過氣動三聯(lián)件16后經過三個減壓閥17后，氣源Ps1、Ps2為驅動氣源連接氣動兩位五通換向閥19的兩個端口，其中背壓氣源Ps0經過一個單向閥18后連接兩位五通換向閥19的一兩個端口。

兩位五通換向閥19用來控制氣液缸活塞桿的運動方向，即運動平臺的運動方向；

油路控制閥包括節(jié)流閥21、兩個油路開關閥22、23，油路開關閥23實現(xiàn)油路的切換，它的作用是使得氣液缸中油腔通過占空柱塞排除的油液通過節(jié)流閥排入到另一個氣液缸中，增加系統(tǒng)的阻尼和節(jié)流調速；油路開關閥22用來控制節(jié)流油路的通斷，也可以調節(jié)節(jié)流閥21通流截面積，調節(jié)阻尼大小，當油路開關閥22關閉時，節(jié)流油路切斷，整個氣液缸的活塞實現(xiàn)定位。補油杯24用來給油路補油，當油腔油路泄漏時及時補充油液保證氣液缸正常工作，補油杯24串聯(lián)一個單向閥使得外界油液只進不出，單向閥用在油路中控制補油通路的通斷，當氣液缸長期不工作時，可以斷開通路，避免浪費；兩個油腔之間的油路通路相互流通的實現(xiàn)靠的是氣液缸的反向設計，當一個氣液缸伸長活塞桿時，油液被壓出，而另一個氣液缸縮短吸回油液，由于兩活塞桿的變化量相等，因此兩油腔的總油量保持穩(wěn)定的一個數(shù)值，油液通路是氣液驅動的關鍵；考慮到油路和密封件等的油液泄漏故增加一個補油杯24。

油路開關閥22、23的控制可以使得油缸中的油停止或者緩慢移動，發(fā)揮油液的阻尼效果，油路開關閥23用來實現(xiàn)油路的切換，選擇加不加入油的節(jié)流作用，油路開關閥22用來控制油路的通斷，同時也可以調節(jié)油路的開口，調節(jié)阻尼大?。换钊爝M時，油路開關閥22、23通電，不加入油的節(jié)流作用，活塞工進時，油路開關閥23斷電，油路開關閥22通電，加入油的節(jié)流作用。

如圖5所示，1-1，1-6和1-10分別為氣液缸的左端蓋，中間透蓋，右端透端蓋；1-2和1-8為氣液缸的氣缸的兩個氣腔缸筒和一個油腔缸筒；1-3為活塞；1-5為占空柱塞桿；1-9位油腔的排氣孔(排出油腔的空氣后，通過螺釘和密封圈密封)；1-4，1-7和1-11分別為左、中、右三個端蓋或透蓋的密封圈。

一種基于雙占空柱塞氣液缸驅動的運動平臺的控制方法，包括

第一步根據(jù)運動平臺在工作空間運行的軌跡和姿態(tài)，得到兩個氣液缸活塞桿應運行的軌跡及運動狀態(tài)；

第二步將直線位移傳感器檢測的氣液缸活塞桿位移信號，經過通道A/D轉換卡輸入到工控計算機，并與規(guī)劃得到的氣液缸運動軌跡進行求取偏差經過處理后得到反饋控制信號；

第三步將得到的反饋控制信號經過I/O輸出卡和D/A轉換器輸出相應的開關控制量輸出到相應的開關閥和氣動比例控制閥，控制氣液缸活塞桿的輸出動作，從而實現(xiàn)動平臺的期望運動要求；

第四步如果對運動平臺進行定位控制，根據(jù)運動平臺需要的運動指定位置，通過氣液控制回路控制使得氣液缸活塞桿運動使得平臺到達指定位置，從而達到工作平臺的定位控制要求，通過氣液缸的控制使平臺的控制精度更高。

本實例中選擇的氣動三聯(lián)件16由空氣過濾器(型號：AF30-03)、減壓閥(型號：AR25-03)和油霧分離器(型號：AFM30-03)通過2個隔板(型號：Y300T)組裝在一起，并帶有壓力表(型號：G36-10-01)一個，由日本SMC氣液聯(lián)動公司生產；氣泵15由上海捷豹壓縮機制造有限公司生產的型號為FB-0.017/7的靜音空氣壓縮機；單向閥18可選用日本SMC氣動公司生產的AK2000型氣動單向閥；

兩位五通換向閥19可選日本SMC氣動公司生產的型號為VK3120的換向閥；氣動比例閥20可選由日本SMC氣動公司生產，型號：ITV2050-212L；油路開關閥22、23及節(jié)流閥21集成在一起組成氣－液單元，氣－液單元是將氣液轉換器與閥單元緊湊地一體化，日本SMC氣動公司生產的型號為CC63-200S115G氣－液轉換單元中的三個閥；補油杯24可選用馬克斯邁/MXM的MXM-Y200，能夠實現(xiàn)自動補油；三個氣源Ps1、Ps2和Ps0由氣壓減壓閥實現(xiàn)，可選用日本SMC氣動公司生產的AR2000-02型氣動減壓閥，并帶有一個壓力表(型號：G36-10-01)。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。