直线移动装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102149944 A (43)申请公布日 2011.08.10 CN 102149944 A *CN102149944A* (21)申请号 201080002611.X (22)申请日 2010.03.09 2009-055289 2009.03.09 JP F16H 19/04(2006.01) (71)申请人 三菱重工业株式会社 地址 日本东京都 (72)发明人 内田丰一 (74)专利代理机构 中原信达知识产权代理有限 责任公司 11219 代理人 苏卉 车文 (54) 发明名称 直线移动装置 (57) 摘要 本发明的直线移动装置 (1) 具有 ： 设置了多 个。

2、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。

3、驱动。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.03.14 (86)PCT申请的申请数据 PCT/JP2010/001651 2010.03.09 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/103803 JA 2010.09.16 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 11 页 CN 102149946 A1/1 页 2 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。

4、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 ； 以及 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， 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使上 述从动马达旋转驱动。 2. 根据权利要求 1 所述的直线移动装置， 其特征在于， 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， 上述主动马达及上述从动马达 通过滑动模式控制来控制驱动力。 4. 根据权利要求 3 所述的直线移动装置， 其。

5、特征在于， 上述主动马达及上述从动马达 根据驱动时的上升时间来预测与上述各马达连接的马达负载， 在滑动模式控制下通过提供 用于条件判断的超平面或切换直线的倾角来控制驱动力。 5. 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。 6. 根据权利要求 1 所述的直线移动装置， 其特征在于， 上述直线移动装置还具有 ： 与上述齿条平行地延伸的轨道 ； 以及 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。 7. 根据权利要求 6 所述的直线移动装置， 其特征在于， 上述直线移动装置还具有控制器， 上述控制器根据从上述线性编码器获。

6、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。 权 利 要 求 书 CN 102149944 A CN 102149946 A1/6 页 3 直线移动装置 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。

7、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。 0004 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，。

8、 齿轮 105 的齿顶形成逐渐离开辊 106 的外形轨迹的啮入。 0005 专利文献 1 ： 日本特开平 10-184842 号公报 发明内容 0006 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。 0007 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。 0008 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。

9、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。 0009 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。

10、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。 0010 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 说 明 书 CN 102149944 A CN 102149946 A2/6 页 4 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。

11、简单。 0011 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。 0012 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。

12、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。 0013 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。

13、产生较大驱动力， 也可进行高精度的定位。 附图说明 0014 图 1 是本实施方式中的直线移动装置的立体图。 0015 图 2 是本实施方式中的直线移动装置的正面图。 0016 图 3 是本实施方式中的直线移动装置的侧面图。 0017 图 4 是本实施方式中的直线移动装置的控制框图。 0018 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。 0019 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。 0020 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。

14、从动马达的位置 - 速度曲线。 0021 图 8 表示说明滑动模式的公式。 0022 图 9 表示说明滑动模式的其他公式。 0023 图 10 是表示应用滑动模式控制的实例的图。 0024 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。 0025 附图标记 0026 1 直线移动装置 0027 10 工作台 0028 13 齿条 0029 13T 齿 0030 15 线性编码器 说 明 书 CN 102149944 A CN 102149946 A3/6 页 5 0031 20 移动台车 0032 22 主动马达 0033 23 从动马达 0034 24 主动小齿。

15、轮 0035 25 从动小齿轮 0036 30 控制器 具体实施方式 0037 以下根据附图所示的实施方式详细说明本发明。 0038 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。 0039 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。 0040 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。 0041 在齿条 13 上， 在其长边方向上连续设置多个齿 13T。。

16、齿条 13 的齿 13T 的齿形是直 线。 0042 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。 0043 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， 。

17、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。 0044 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 23。

18、S 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。 0045 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。 0046 台车下板 21 的下表面上， 在与工作台 10 的轨道。

19、 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 说 明 书 CN 102149944 A CN 102149946 A4/6 页 6 动。 0047 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。 0048 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。

20、、 从动马达23的旋转驱动， 从而控制移动台车 20 的移动、 停止。 0049 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。 0050 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。

21、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。 0051 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。 0052 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。

22、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。 0053 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。。

23、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。 0054 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。 0055 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。

24、动小齿轮 25 的状态。 0056 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。 0057 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 说 明 书 CN 102149。

25、944 A CN 102149946 A5/6 页 7 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。 0058 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。

26、 具有 2 台马达， 所以驱动力较大， 且可高精度地 进行定位。 0059 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。 0060 相对于参数的变动保持稳健 (robust) 的可变构造控制 (Variabl。

27、e Structure 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， 虽然控制系统简单， 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。 0061 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。 0062 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。

28、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。 0063 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。 0064 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。

29、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。 0065 在适应滑动模式中， 伺服驱动器为 PI 控制系统 (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 、 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。 0066 设马达旋转角为 ， 对 进行一次微分， 则得。

30、到公式 (11)。 0067 通过公式 (12) 得到公式 (13)。 0068 对该公式 (13) 进行拉普拉斯变换求出 (t)， 则成为公式 (14)。此外， L-1表示拉 普拉斯变换。 0069 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 说 明 书 CN 102149944 A CN 102149946 A6/6 页 8 公式 (16) 所示。 0070 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。

31、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。 0071 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。

32、通过不使用减速器的马达进行的直接驱动方式。 0072 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。 0073 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。 说 明 书 CN 102149944 A CN 102149946 A1/11 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 。

33、102149944 A CN 102149946 A2/11 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A3/11 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A4/11 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A5/11 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A6/11 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A7/11 页 15 图 7 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A8/11 页 16 图 8 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A9/11 页 17 图 9 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A10/11 页 18 图 10 说 明 书 附 图 CN 102149944 A CN 102149946 A11/11 页 19 图 11 说 明 书 附 图 CN 102149944 A 。