CN102149944B - 直线移动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的直线移动装置(1)具有：设置了多个齿(13T)的直线状齿条(13)；与齿条(13)的齿(13T)啮合的主动小齿轮(24)；在离开主动小齿轮(24)的位置与齿条(13)的齿轮(13T)啮合的从动小齿轮(25)；使主动小齿轮(24)旋转驱动的主动马达(22)；使从动小齿轮(25)旋转驱动的从动马达(23)；以及移动台车(20)，主动马达(22)和从动马达(23)被固定，随着主动马达(22)和从动马达(23)的旋转驱动而沿着齿条(13)移动；在使移动的移动台车(20)停止时，向与移动中的主动马达(22)的驱动方向相反的方向使从动马达(23)旋转驱动。

Description

直线移动装置
技术领域
本发明涉及一种通过将旋转运动变换为直线运动而使台车移动的直线移动装置。
背景技术
作为旋转运动和直线运动的变换装置，使齿条和小齿轮啮合的齿轮齿条副已被公知。齿轮齿条副被用于输送装置、工业机器人、机床、精密仪器等要求高效、高精度、长寿命、高驱动力传递的机械装置。
齿轮齿条副通常在齿条的齿和小齿轮之间设置被称作齿隙的间隙，避免齿之间的咬入。但若设置齿隙，则即使小齿轮已停止，具有惯性的小齿轮也会移动与齿隙对应的量，导致停止时的位置精度变差。
日本专利文献1提出了避免了这一问题的旋转运动和直线运动的变换装置100的方案。该变换装置100如图11所示，通过具有由多个次摆曲线构成的齿型的齿104的齿条105及具有与齿104啮合的多个辊106的小齿轮107，进行旋转运动和直线运动的变换。为了使与齿条105啮合的辊106的中心轨迹描画成次摆曲线的轨迹，齿轮105的齿形被设置为，齿根描画成比辊106的直径大的大致弧形的轨迹。并且，对齿条105和小齿轮107施加预压来使用。进一步，齿轮105的齿顶形成逐渐离开辊106的外形轨迹的啮入。
专利文献1：日本特开平10-184842号公报
发明内容
但专利文献1中，将齿条105的齿形加工为次摆曲线等，因加工精度问题而使成本较高。尤其在长距离输送中，高成本的齿条变长时，难于同时兼顾加工精度和适当的成本。
本发明基于以上课题而出现，其目的在于提供一种即使不使用高成本的形式的齿轮，在停止时也可获得较高位置精度的直线移动装置。
基于以上目的，本发明的直线移动装置对于齿轮驱动用的一个齿条设置独立驱动的一对马达。各马达上安装小齿轮。将一对马达中的一个作为主动马达，另一个作为从动马达。并且，在移动时，主动马达和从动马达被向同一方向旋转驱动；但停止时，向从动马达提供和主动马达的旋转方向相反的驱动力。这样一来，可降低齿隙造成的小齿轮的移动(空动)，进行高精度的定位。
即，本发明的直线移动装置具有：设置了多个齿的直线状齿条；与齿条的齿啮合的主动小齿轮；在离开主动小齿轮的位置与齿条的齿啮合的从动小齿轮；使主动小齿轮旋转驱动的主动马达；使从动小齿轮旋转驱动的从动马达；以及台车，主动马达和从动马达被固定，并随着主动马达和从动马达的旋转驱动而沿着齿条直线移动。并且，本发明的直线移动装置的特征在于，在使移动的台车停止时，向与移动中的主动马达的驱动方向相反的方向使从动马达旋转驱动。此外，在本发明中，将2台马达中、被反向旋转驱动的马达定义为从动马达。
在本发明的直线移动装置中，从台车开始移动时到停止时为止，可同时驱动主动马达和从动马达，但不限于此。即，本发明可在台车开始移动并达到匀速运动后，停止从动马达的驱动。同样地，在这种情况下，在停止台车时，也可使从动马达向与移动中的主动马达的驱动方向相反的方向旋转驱动。由此，可使主动马达及从动马达的控制变得简单。
在本发明的直线移动装置中，在从台车开始移动时到停止时为止同时驱动主动马达和从动马达的情况下，优选通过滑动模式控制来控制主动马达和从动马达，以用于进行高精度、高保持力的定位。在滑动模式控制中，以距最终到达位置的偏差位置和速度提供超平面，因此，可通过任意的控制力来进行定位。此时，为了提高定位后的保持力，在不振荡的程度的可控范围内切换马达控制力即可。
在本发明的直线移动装置中，在从台车开始移动时到停止时为止同时驱动主动马达和从动马达的情况下，如上所述，优选通过滑动模式控制来控制主动马达和从动马达，以用于进行高精度的定位。但在全部区域内执行滑动模式时，对马达的负载变大，因此优选：根据马达起动时的起动特性(例如马达驱动时的上升时间)预测马达负载，提供和马达负载对应的适当超平面或切换直线的倾角，从而控制各马达的驱动力。
根据本发明的直线移动装置，当使正在移动的台车停止时，可向与移动中的主动马达相反的方向使从动马达旋转驱动。这样一来，可降低齿隙的空动，进行高精度的台车定位。并且，根据本发明的直线移动装置，以齿隙为前提时也可进行高精度的台车的定位，因此可将通用的渐开线直齿轮或斜齿轮用于小齿轮，从而可降低装置成本。进一步，本发明的直线移动装置具有2台马达，因此即使产生较大驱动力，也可进行高精度的定位。
附图说明
图1是本实施方式中的直线移动装置的立体图。
图2是本实施方式中的直线移动装置的正面图。
图3是本实施方式中的直线移动装置的侧面图。
图4是本实施方式中的直线移动装置的控制框图。
图5表示在本实施方式的直线移动装置中使移动台车从位置S移动到位置E时的主动马达及从动马达的位置-速度曲线。
图6是本实施方式的直线移动装置的齿条及小齿轮的局部放大图。
图7表示在本实施方式的直线移动装置中使移动台车从位置S移动到位置E时的主动马达及从动马达的位置-速度曲线。
图8表示说明滑动模式的公式。
图9表示说明滑动模式的其他公式。
图10是表示应用滑动模式控制的实例的图。
图11是表示日本专利文献1所公开的旋转运动和直线运动的变换装置的图。
附图标记
1 直线移动装置
10 工作台
13 齿条
13T 齿
15 线性编码器
20 移动台车
22 主动马达
23 从动马达
24 主动小齿轮
25 从动小齿轮
30 控制器
具体实施方式
以下根据附图所示的实施方式详细说明本发明。
本实施方式中的直线移动装置1以齿轮齿条副为基本结构。
直线移动装置1可使移动台车20在工作台10上直线往复运动，且可在任意位置停止。
工作台10具有：矩形的底板11；齿条13，在底板11上沿着移动台车20进行直线往复运动的方向延伸；与齿条13平行地延伸的轨道14；以及与轨道14平行地延伸的线性编码器15。
在齿条13上，在其长边方向上连续设置多个齿13T。齿条13的齿13T的齿形是直线。
轨道14以可自由滑动的方式与移动台车20的滑动器27嵌合，并通过滑动器27支撑移动台车20的负荷。
作为线性编码器15，可使用光学式的线性编码器15。光学式的线性编码器15例如具有：玻璃刻度尺15a；和滑动单元15b，扫描玻璃刻度尺15a，以获得位置信息。所获得的位置信息被传送到下述控制器30。玻璃刻度尺15a铺设在线性编码器15内，滑动单元15b与移动台车20一体化，在玻璃刻度尺15a上进行扫描。线性编码器15用于识别移动台车20的位置，也可使用磁式的线性编码器。并且，可将能够识别进行直线移动的移动台车20的位置的设备替换为线性编码器15进行使用。例如，可广泛适用利用主动马达22及从动马达23的转速来获取位置信息的旋转编码器、激光位移仪、对准标记(target mask)的图像处理法等能够以所需精度来识别位置的设备。
移动台车20具有：台车下板21；主动马达22，放置在台车下板21上，且通过适当的方式被固定；从动马达23；主动小齿轮24，固定在主动马达22的输出轴22S上；以及从动小齿轮25，固定在从动马达23的输出轴23S上。作为主动马达22及从动马达23，例如可使用直驱伺服马达(DD马达)。主动马达22及从动马达23从控制简单的角度而言优选具有同样的特性。主动小齿轮24及从动小齿轮25均是齿形由渐开线构成的齿轮(渐开线齿轮)，与工作台10的齿条13啮合。
主动马达22、从动马达23的上表面上放置台车上板26，并且台车上板26与主动马达22和从动马达23两者固定。这样一来，台车下板21、主动马达22、从动马达23及台车上板26一体构成。
台车下板21的下表面上，在与工作台10的轨道14对应的位置固定滑动器27。滑动器27的下表面具有与移动台车20的移动方向平行地延伸的嵌合槽27h，该嵌合槽27h和轨道14的前端部嵌合。滑动器27在与轨道14的前端部嵌合的状态下沿着轨道14自由滑动。
如图4所示，上述直线移动装置1具有控制移动台车20(主动马达22、从动马达23)的动作的控制器30。
控制器30从线性编码器15获得移动台车20的位置信息，并根据所获得的位置信息来控制设置在移动台车20上的主动马达22、从动马达23的旋转驱动，从而控制移动台车20的移动、停止。
为了使移动台车20移动，控制器30指示主动马达22和从动马达23向同一方向旋转。这样一来，安装在主动马达22上的主动小齿轮24和安装在从动马达23上的从动小齿轮25向同一方向旋转，移动台车20被向轨道14引导的同时进行直线运动。此外，移动台车20在主动马达22和从动马达23顺时针旋转时向右移动，在主动马达22和从动马达23逆时针旋转时向左移动。
图5表示使移动台车20从轨道14上的位置S移动到位置E时的主动马达22和从动马达23的位置-速度曲线。在图5中，实线表示主动马达22及从动马达23被驱动的情况，虚线表示从动马达23未被驱动的情况。
控制器30发出驱动指示后，主动马达22及从动马达23同时开始旋转(以该旋转方向作为正转)，移动台车20随之开始移动。因移动初期需要较大驱动力，因此使主动马达22及从动马达23、即2台马达驱动。
控制器对主动马达22和从动马达23进行驱动控制，以使移动台车20以速度Vc到达位置I1，之后移动台车20以速度Vc进行匀速运动。控制器30根据从线性编码器15接收的移动台车20的位置信息来识别移动台车20的位置。对于从动马达23，如到达位置I2，则控制器30使其停止驱动，而由1台主动马达22使移动台车20移动。这是因为，可通过和移动初期相比较小的驱动力使移动台车20以速度Vc匀速运动。从动马达23，在驱动力消失时偏移齿隙的量，从动小齿轮25与齿条13的齿13T在与驱动时相反一侧的面啮合，因此随着移动台车20的移动而空转。
如移动台车20到达位置I3，则控制器30对正在驱动的主动马达22指示减速，使移动台车20在位置E停止。位置I3及表示减速程度的倾角CE1根据移动台车20开始移动后到达速度Vc的位置I1、表示加速程度的倾角Cs设定。
如移动台车20到达位置I4，则控制器30向正在空转但停止驱动的从动马达23发出指示，以提供与主动马达22反向旋转的驱动力。此时的位置I4及表示加速程度的倾角CE2根据位置I3、CE1确定，但对于CE2，典型的是CE≤-CE1。如允许停止后的抖动，则也可通过主动马达22粗略地定位后，驱动从动马达22并进行最终定位。
图6表示向从动马达23提供反转的驱动力时的、主动小齿轮24及从动小齿轮25的状态。
主动小齿轮24被提供正转(顺时针的箭头)的驱动力D1，从动小齿轮25被提供反转(逆时针的箭头)的驱动力D2。因此，主动小齿轮24(主动马达22)从齿条13受到图中向右的力F1，从动小齿轮25(从动马达23)从齿条13受到图中向左的力F2。力F1和力F2方向相反。
在此若只考虑主动小齿轮24，则即使停止主动马达22的驱动力并使主动小齿轮24停止旋转，因在主动小齿轮24和齿条13之间设有齿隙，所以移动台车20也会因惯性而移动齿隙的量，无法高精度地定位于位置E。在使从动马达23与主动马达22一起正转时也一样。
与之相对，本实施方式的移动台车20中，即使在主动小齿轮24和齿条13之间、进一步在从动小齿轮25和齿条13之间设置齿隙时，由于主动小齿轮24和从动小齿轮25受到方向相反的力，所以在停止后移动台车20也不会移动。因此，直线移动装置1即使将通用的次摆齿轮用于主动小齿轮24及从动小齿轮25，也可将移动台车20高精度地定位于位置E。并且，直线移动装置1因移动台车20具有2台马达，所以驱动力较大，且可高精度地进行定位。
以上，进行如下控制，使得从位置I2到位置I4不向从动马达23提供驱动力。该控制不伴随有对从动马达23从正转到反转的驱动力的控制，因此具有控制十分简单的优点。并且，本发明不限于图5所示的方式的控制。例如如图7所示，也可在从位置S到位置E为止的整个行程在向主动马达22提供驱动力的同时向从动马达23提供驱动力。从高精度的定位而言，此时的控制优选通过滑动模式进行。以下说明滑动模式控制。
相对于参数的变动保持稳健(robust)的可变构造控制(VariableStructure System：VSS)，通过非连续地切换控制构造，可获得所需的性能。可根据该VSS理论进行滑动模式控制，其特征是，虽然控制***简单，但却是相对于控制对象的特性变化保持稳健且低维度的方法。通过将该滑动模式控制应用于主动马达22和从动马达23的定位，可进行相对于负载变动保持稳健且过冲少的高精度的定位。
考虑到DD马达的控制构造，可通过公式(1)获得。此外，公式(1)～公式(9)如图8所示。
公式(1)中的u是马达的控制输入，通过公式(2)获得。若以公式(3)表示超平面，则为了满足作为滑动模式控制的存在条件的公式(4)，需要满足公式(5)。其中，将公式(6)导入公式(5)时，可同时满足达到超平面s＝0的条件及滑动模式的存在条件。
因对DD马达进行速度输入，所以作为控制，根据上述(7)进行位置的比例控制即可。
其中，根据本发明人的研究，如适当设定切换直线s的倾角c，则可进行过冲少、且残留振动小的定位。在此，使倾角c和负荷的关系简单地近似为一次函数，通过负载同定来确定c。负载和倾角c的关系如公式(8)、(9)所示。公式(8)、(9)可称为适应滑动模式。因使负荷和倾角c的关系近似为一次函数，所以虽然产生近似误差，但如图10的例子所示，可不产生过冲地进行定位。并且，位置增益为10倍时也可定位，可具有高刚性。通过这样适当选择切换直线的倾角，对于负载变动，可更加不易受到影响地进行控制。
在适应滑动模式中，伺服驱动器为PI控制***(PI控制：组合了比例动作和积分动作的控制方法)中，设惯性力矩为Ix、粘性系数为η、DC增益为GDC、AC增益为GAC、输入速度为VIN时，成为公式(10)。此外，公式(10)及之后的公式示于图9中。
设马达旋转角为ω，对ω进行一次微分，则得到公式(11)。
通过公式(12)得到公式(13)。
对该公式(13)进行拉普拉斯变换求出ω(t)，则成为公式(14)。此外，L-1表示拉普拉斯变换。
公式(14)的解中，在公式(15)的情况下求取速度为目标速度的1/2的时间时，如公式(16)所示。
对公式(16)进行求解并近似，得到公式(17)。即，变为输入速度的1/2的时间与惯性力矩Ix成正比。因此，如公式(8)、公式(9)所示，测定马达上升时间，根据该时间预测惯性负载，提供最佳超平面的切换直线条件，这虽然是简单的方法，但在优化控制中是很重要的。
以上根据实施方式说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式。例如，主动马达22和从动马达23具有相同的特性，但当主动马达22和从动马达23具有不同特性时，对其分别进行考虑到了不同特性的控制，也可获得本发明的效果。例如主动马达22一侧可使用高分解能力的编码器，或从动马达23一侧可使用与主动马达22一侧相比高减速比的减速机等，其构成可根据所需的定位分解能力或特性进行各种选择。此外，相反地，也可在从动马达23一侧采用通过不使用减速器的马达进行的直接驱动方式。
直线移动装置1的利用方式不受限制，可广泛适用于输送装置、工业机器人、机床、精密仪器等。此时，可以按照使各移动台车20的移动方向以正交方式重叠，使两个直线移动装置1构成可在正交的2个轴上移动的装置。
此外，只要不脱离本发明的主旨，则可适当变更或删除上述实施方式的构成。例如也可使用3台以上的马达，使驱动力容易地倍增与所使用的马达台数对应的量，能够兼顾驱动力和精度。

Claims (3)

1.一种直线移动装置，其特征在于，
具有：设置了多个齿的直线状齿条；
与上述齿条啮合的主动小齿轮；
在离开上述主动小齿轮的位置与上述齿条啮合的从动小齿轮；
使上述主动小齿轮旋转驱动的主动马达；
使上述从动小齿轮旋转驱动的从动马达；
台车，上述主动马达和上述从动马达被固定，并随着上述主动马达和上述从动马达的旋转驱动而沿着上述齿条直线移动；
与上述齿条平行地延伸的轨道；
线性编码器，与上述轨道平行地延伸，并用于识别上述台车的位置；及
控制器，根据从上述线性编码器获得的上述台车的位置信息来控制上述主动马达及上述从动马达的移动及停止，
上述控制器在使移动的上述台车停止时向与移动中的上述主动马达的驱动方向相反的方向对上述从动马达进行旋转驱动，
上述台车具有台车下板和台车上板，
上述主动马达及上述从动马达放置在上述台车下板上，且固定于上述台车下板，
上述台车上板放置于上述主动马达及上述从动马达的上表面，并且与上述主动马达和上述从动马达这两者固定。
2.根据权利要求1所述的直线移动装置，其特征在于，上述控制器进行控制，使得：上述台车开始移动并达到匀速运动后，停止上述从动马达的驱动。
3.根据权利要求1所述的直线移动装置，其特征在于，上述主动小齿轮及上述从动小齿轮是渐开线直齿轮。
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