空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计方案.doc

空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计方案西安科宇工贸有限责任公司目录1任务概述及功能11.1使用条件11.2主要功能22主要技术指标23设计方案33.1系统组成及工作原理33.2结构设计方案43.2.1五维电控运动机构53.2.1.1X轴平移台和Y轴平移台53.2.1.2A轴旋转台73.2.1.3Z轴平移台和B轴旋转台93.2.1.4零件材料选择103.2.1.5关重件选型设计113.2.1.5.1直线导轨113.2.1.5.2滚珠丝杠153.2.1.5.3光栅尺193.2.2三维电控运动机构213.2.3底座223.2.4载荷安装杆233.3电控系统253.3.1控制系统原理253.3.2电机和驱动器273.3.3运动控制器293.3.4电控箱303.3.5限位保护和复位装置303.3.6控制软件313.3.6.1软件开发平台313.3.6.2功能设计313.3.6.3界面设计323.4精度测试方法323.4.1定位精度测试323.4.2重复定位精度测试343.5设计结果353.6关键技术354研制周期及进度安排361 任务概述及功能空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置是在空间等离子体环境地面模拟实验中，为测试载荷提供一组六维和一组三维机械运动和伺服控制的装置。任务要求该装置能够安装测试载荷按照用户指令或预先规定程序模式进行机械运动，并实时显示测试载荷的运动状态和位置信息。该模拟实验是在地面实验舱内进行，要求整个实验过程完全实现自动控制。图 11为该装置的整体使用示意图，六维电控运动机构和三维电控运动机构分别装载测试载荷相向安装在底座的两端，并可以正反向安装。通过电缆与实验舱外的控制系统连接，操作人员通过人机接口控制并获取测试载荷的运动状态和位置信息。图 11 传动与定位装置整体使用示意图1.1 使用条件该装置要求安装在地面实验舱内使用，实验舱的具体应用条件参数如下：n 实验舱尺寸：f3000mm5000mm；n 真空度：510-5Pa（极限），5104Pa（工作）；n 温度：-20C+50C；n 等离子体环境：密度1091012/m3，电子温度0.11eV，离子温度0.050.5 eV；n 磁场：01G；n 电场：01V/m；n 太阳常数：0.31。1.2 主要功能根据任务要求，该装置需要具备以下功能：(1) 能在真空、等离子体、电场和磁场等环境下工作。(2) 六维电控运动机构装载测试载荷实现三维直线平移运动和三维旋转运动，并准确定位。三维直线平移分别为X向、Y向和Z向，三维旋转分别为A向、B向和C向（其中A向旋转轴与Z轴平行，B向旋转轴与X轴平行，C向旋转轴与Z轴垂直）。(3) 两组装置可以在基准底座平台上正反向安装、初始位置在中间。(4) 用户可以通过人机接口输入所需的运动参数控制该装置动作。(5) 三维直线平移距离及三个旋转台旋转角度可以连续测量，并能在计算机软件界面上实时显示。(6) 配备载荷安装杆，可安装在B轴旋转台上。安装杆上可安装两个测试载荷，用户可通过控制软件实现两测试载荷之间的相向运动，运动范围最大为3000mm。（当使用安装杆时，整个装置只启用X向直线平移功能）2 主要技术指标（1） 直线平移机构 承载：5Kg X轴行程：2000mm（两组相向安装总有效行程为4000mm） Y轴行程：2000mm Z轴行程：1000mm 定位精度：0.05mm（每300mm范围内） 重复定位精度：0.01mm 线性分辨率：0.01mm 速度调节范围：在1mm/s100 mm/s范围内连续可调（2） 旋转运动机构 A轴旋转范围：360 B轴旋转范围：360 C轴旋转范围：360 定位精度：0.0125 重复定位精度：0.005 闭环分辨率：1.5 载物台具有多接口安装面3 设计方案3.1 系统组成及工作原理系统组成如图 31所示，由底座、一组六维和一组三维电控运动机构、载荷安装杆、电控箱和专用系统控制软件等组成。底座为整个装置提供良好的安装平台，主要由平台和平台支架组成。六维电控运动机构装载测试载荷实现六个轴的运动，分别由X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台、A轴旋转台、B轴旋转台和C轴旋转台等组成，图 31系统组成载荷安装杆安装在六维电控运动机构的B向旋转台上，装载两个测试载荷实现相对位置平移，主要由驱动装置、传动机构、导向机构和距离测量装置等组成。电控箱用来集成整个装置的硬件控制电路，由模块电源、电机驱动器、多轴控制卡、光栅细分盒等组成。控制软件为用户提供良好的人机界面，用户通过控制软件实现对整个装置的操作控制和数据获取。系统工作原理：测试载荷分别安装在两个载荷安装杆上，启动电控箱上的电源开关，测试人员就可通过配套控制软件控制六维电控运动机构各轴电机动作（包括位移或角度，速度及加速度），实时显示各轴的运动状态。其中X轴、Y轴、Z轴和载荷安装杆的机械工作原理相同，都是采用交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠螺母副传动机构，实现各轴的直线运动，距离测量装置为直线光栅尺，对工作台的移动位置进行实时测量并进行反馈，实现各轴工作台的准确定位。A轴、B轴和C轴的机械传动原理相同，均采用交流伺服电机直接驱动蜗轮蜗杆传动机构，实现工作台的360旋转，角度测量装置为圆光栅，对工作台的转动角度进行实时测量并进行反馈，实现旋转工作台的准确定位。配套控制软件根据各轴光栅尺的位置测量反馈数据进行后台计算处理，可实现两被测载荷相对距离位置输出。3.2 结构设计方案系统机械结构示意图如图 32所示，主要由底座、六维电控运动机构、三维电控运动机构及和两组载荷安装杆等组成。1、底座 2、六维运动机构 3、三维电控运动机构 4、载荷安装杆图 32系统机械结构示意图六维电控运动机构和三维电控运动机构采用对称分布的安装孔位，可根据功能需要进行正反向安装。三维电控运动机构预留扩展接口，用支架替代Y轴和A轴空间位置，其他相关连接件预留安装Y轴和A轴的安装孔，方便以后三维机构到五维机构的扩展。3.2.1 六维电控运动机构六维电控运动机构装载测试载荷实现六个轴的运动，分别由X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台、A轴旋转台、B轴旋转台和C轴旋转台等组成，结构示意如图 33所示。1、X轴平移台 2、Y轴平移台 3、A轴旋转台 4、Z轴平移台 5、B轴旋转台 6、C轴旋转台图 33 六维电控运动机构结构示意图3.2.1.1 X轴平移台和Y轴平移台X轴平移台和Y轴平移台结构示意如图 34所示。Y轴平移台通过螺钉连接可靠的安装在X轴平移台的移动载物台上，当X轴载物台移动时，Y轴平移台也会沿着X轴方向做整体移动。1、X轴平移台 2、Y轴平移台图 34 X向平移台和Y向平移台结构示意图X轴平移台和Y轴平移台结构采用相同结构原理，各平移台均由电机、滚珠丝杠、直线导轨、光栅尺、联轴器、限位传感器等组成，结构原理示意如图 35所示。1、底板 2、直线导轨 3、光栅尺 4、旋转电机 5、联轴器 6、滚珠丝杠图 35 平移台结构原理示意图电机固定在底座上，联轴器一端连接电机轴，另一端连接滚珠丝杠轴，当电机旋转时，联轴器就会将电机扭矩传递给丝杠，滚珠丝杠再将旋转运动传递给螺母，螺母和载物台固接在一起实现直线平移，直线导轨固定在丝杠两侧，对载物台平移起到导向作用。滚珠丝杠两端采用一端固定，另一端支撑的安装方式，固定端采用两个面对面的角接触球轴承进行固定，支撑端采用深沟球轴承进行支撑。光栅尺为位置测量元件，对载物台移动距离进行实时测量和反馈，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅尺固定在底座上，读数头固定在移动部件上，当载物台移动时，读数头和光栅尺就会产生读数变化，反馈到计算机实现闭环控制。平移台两端设置有限位机构，当载物台移动到极限位置时，限位传感器就会接通，此时电机停止旋转，阻止载物台继续前行。3.2.1.2 A轴旋转台A轴旋转台主要由电机、蜗轮蜗杆传动机构、圆光栅、连轴器、轴环等组成，如图 36所示。蜗杆两端通过轴承固定在基座上，蜗轮通过轴系与工作台连接。旋转电机通过联轴器驱动蜗轮蜗杆机构传动，实现工作台转动。1、电机 2、圆光栅 3、蜗轮蜗杆传动机构 4、联轴器5、轴环图 36 旋转台（A轴）结构简图电机水平安装在底座上，联轴器一端连接电机轴，另一端连接蜗杆轴，当电机旋转时，联轴器就会将电机扭矩传递给蜗杆，蜗杆再将旋转运动传递给蜗轮，蜗轮通过轴环与载物台连接，完成电机轴和载物台之间的扭矩传递和运动方向转换，实现载物台绕竖直轴的旋转运动。圆光栅为角度测量元件，当工作台转动时光栅和读数头发生相对转动，实现角度的实时测量和数据反馈。载物台与蜗轮之间的传动采用交叉滚柱轴环RU形结构，外形如图37所示。图37交叉滚柱轴环RU形结构在交叉滚柱轴环中，因圆筒形滚柱在呈90的V形沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直地排列，使得单个轴承就可承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。由于已进行了安装孔的加工， 就不需要固定法兰和支撑座。 另外， 由于采用带座的一体化内外环结构，安装对性能几乎没有影响，因此能够获得稳定的旋转精度和扭矩，适用于外圈和内环旋转。蜗杆两端通过轴承和轴承支座固定在基座上，安装方式如图38所示。图38蜗杆安装方式根据轴承所受载荷的大小、方向和性质，选用接触角较大的角接触球轴承，轴承外形如图39所示。轴承支承部件主要对轴系回转零件起支承作用，并承受径向和轴向作用力，保证轴系部件在工作中能正常地传递轴向力以防止轴系发生轴向窜动而改变工作位置。图39角接触球轴承外形3.2.1.3 Z轴平移台、B轴旋转台和C轴旋转台Z轴平移台和B轴旋转台结构示意如图 310所示。1、Z轴平移台 2、B轴旋转台 3、C轴旋转台图 310 Z轴平移台和B轴旋转台结构示意图B轴旋转台通过螺钉连接安装在Z轴平移台的移动载物台上，当Z轴载物台上下移动时，B轴旋转台也会随着Z轴做上下移动。载荷安装在B轴旋转台的台面上，可实现Z轴方向直线平移和B轴方向的360旋转。Z轴平移台结构原理与X轴平移台结构原理相同，均由底座、电机、联轴器、滚珠丝杠螺母副、直线导轨、载物台、光栅尺和限位机构等几大部分组成，不同的是Z轴平移台需要将平移台底座竖直安装在固定支架上，实现Z轴方向的直线移动，电机采用带制动的伺服电机，防止因掉电或重力下掉。C 轴旋转台安装在Z轴的竖直支撑板上。B、C轴旋转台结构原理与A轴旋转台结构原理相同，此处不再重述。3.2.1.4 零件材料选择（1） 真空材料选择原则对于真空环境中使用的零件，其制作材料有如下要求：n 足够的机械强度和刚度；n 气密性好。要保持一个完好的真空环境，零件材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其他缺陷，有较低的渗透速率和出气速率；n 在工作和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低；n 化学稳定性好；n 热稳定性好。在工作温度范围内，能保持良好的真空性能和机械性能；n 有较好的机械加工性能。（2） 常用真空材料及应用在真空系统设计与制造中常用的金属及合金材料主要有：低碳钢、不锈钢、铜、铝、可伐合金、铸铁等。碳钢和铸铁在低真空工作范围内的应用较为普遍；铝和可伐合金主要应用于中真空工作范围；对于高真空工作范围，不锈钢和铜的应用最为常用。铜主要用来制作喷嘴、电极等小型零件，不锈钢主要用来制作有较高硬度、较高韧性及耐冲击负荷的零件。（3） 本系统拟采用的结构材料根据资料显示，真空度在1.310-4Pa以上的高真空和超高真空系统中，最好选用奥氏体无磁不锈钢（例如1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni9（304）等）材料制作结构零件。这种不锈钢具有优良的抗腐蚀性、放气率低、无磁性、焊接性好、导电率和导热率较低，能够在270C+900C范围内工作，并具有高的强度、塑性及韧性，是目前金属高真空系统中应用的主要结构材料。因此，为了满足实验舱内真空度为510-4Pa要求，本系统的传动与定位装置拟选用奥氏体无磁不锈钢(306)作为主要结构材料。3.2.1.5 关重件选型设计为了满足实验舱内真空度为510-4Pa（工作）和温度范围为20C50C的使用要求，在关重件选型时应充分考虑各零部件润滑系统、制作材料、制作工艺等众多因素给实验环境和零部件本身带来的不良影响，必须严格选用专门针对高真空度和相应温度范围而设计制作的专用类型产品。3.2.1.5.1 直线导轨（1） 类型选择根据直线导轨使用条件和结构精度要求，X轴平移台、Y轴平移台和Z轴平移台均选用日本THK公司研制的LM类HSR型直线导轨，导轨外形如图311所示，导轨特长如下：n 各方向等负荷为使LM 滑块上的4 个作用方向（径向、反径向和侧向）均具有相同的额定负荷，各钢球列被设计成按接触角45配置，因此无论何种姿势都可以使用，用途广泛。n 高刚性因钢球的配置是采用具有良好平衡性的4列排列，所以能施加充分的予压，并且容易地提升4个方向的刚性。n 自动调心能力由于THK独特的圆弧沟槽的正面组合（DF组合）具有自动调心能力，即使施加予压也能吸收安装误差，从而得到高精度、平滑稳定的直线运动。n 出色的耐久性即使在予压或偏置负荷作用之下，钢球的差动滑动量也抑制在最低限度，实现了高耐磨损性和精度的长期维持。图311导轨外形（2） 应对真空环境的措施在真空环境下使用的直线导轨，需要采取措施，以防止气体释放及油脂蒸发，采取措施的措施如下：n 润滑系统使用真空专用油脂，该油脂采用蒸汽压较低的氟化油作为基础油，在真空环境下不易蒸发，确保了油脂的良好润滑能力；n 导轨使用奥氏体不锈钢材料精制而成，具有高抗蚀功能。（3） 导轨选定流程直线导轨选定流程见图 312。图 312导轨选定流程图（4） 选定的型号参数根据以上流程估算，初步选定各平移台直线导轨型号参数如下：n X轴直线导轨（基本额定动负荷：C= 28 KN）（基本额定静负荷：C0= 46.8 KN）n Y轴直线导轨（基本额定动负荷：C= 28 KN）（基本额定静负荷：C0= 46.8 KN）n Z轴直线导轨（基本额定动负荷：C= 21.3 KN）（基本额定静负荷：C0= 31.8 KN）3.2.1.5.2 滚珠丝杠（1） 类型选择根据导轨使用条件和结构精度要求，X轴平移台、Y轴平移台和Z轴平移台均选用日本THK公司研制的BIF型精密滚珠丝杠，滚珠丝杠外形如图 313所示，特长如下：n 驱动扭矩小滚珠丝杠中的钢球在丝杠轴与螺母间滚动，因此能获得高效率。与过去的滑动丝杠相比，所需驱动扭矩仅为前者的三分之一。n 精度高滚珠丝杠在温度控制极为严格的工厂里用最高水平的机器设备进行研磨，直到组装、检查，都实行彻底的质量管理，以保证其精度。n 能微量进给滚珠丝杠由于钢球做滚动运动，起动扭矩极小，不会产生类似滑动运动中易出现的粘滞滑动现象，所以能进行正确的微量进给。n 无游隙高刚性由于滚珠丝杠能够接受预压，轴向间隙能降为零，从而因预压而获得高刚性。n 能高速进给因滚珠丝杠效率高，发热低，从而能进行高速进给。图 313滚珠丝杠外形（2） 应对真空环境的措施在真空环境下使用的滚珠丝杠，需要采取措施，以防止气体释放及油脂蒸发，采取的措施如下：n 润滑系统使用真空专用油脂，该油脂采用蒸汽压较低的氟化油作为基础油，在真空环境下不易蒸发，确保了油脂的良好润滑能力；n 丝杠及螺母使用奥氏体不锈钢材料精制而成，具有高抗蚀功能。（3） 滚珠丝杠选定流程滚珠丝杠的选择流程如图 314所示。图 314滚珠丝杠的选择流程（4） 选定的型号参数根据以上流程估算，初步选定各平移台滚珠丝杠型号参数如下：n X轴滚珠丝杠n Y轴滚珠丝杠n Z轴滚珠丝杠3.2.1.5.3 光栅尺（1） 类型选择光栅尺在测量直线轴或旋转轴位置过程中没有任何其它机械传件，因此，它能消除机械传动元件温度特性导致的定位误差、反向误差、螺距误差导致的运动特性误差等潜在的误差源，因此光栅尺已成为高精度定位不可或缺的必备条件。X轴平移台、Y轴平移台和Z轴平移台均选用英国Renishaw公司的直线光栅尺，A轴旋转台、B轴旋转台和C轴旋转台均选用英国Renishaw公司的圆光栅尺，特长为性能稳定、精度高、安装和调试方便等。直线光栅尺和读数头外形如图 315所示，圆光栅尺和读数头如图 316所示。图 315直线光栅尺和读数头外形图图 316 圆光栅尺和读数头外形图直线光栅尺自带零位和两端限位，通常只配备一个读数头。圆光栅需自加零位和限位，通常配备三个读数头圆周均布在圆光栅的外侧，光栅尺和读数头的安装调试需要通过配套专业软件进行。（2） 应对真空环境的措施在真空环境下使用的光栅尺，采取的特殊措施如下：n 适合真空要求的PCB电路板，粘合剂和涂装，避免漏气；n 通气空腔，缩短抽真空时间；n 激光刻字，无标签；n 光栅尺刻线载体采用热膨胀系数极低的真空材料制成；n 能承受高加热温度；n 无铁磁材料，工作过程可靠；n 特殊真空电缆；n 特殊部件清洁措施保障等。（3） 光栅尺选择原则配置光栅尺是了提高系统的定位精度和重复复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是选择时需要要考虑的。我们在选择光栅尺时，将根据设计精度要求来选择满足准确度等级的产品。（4） 选定的型号参数根据以上选择原则，初步选定各轴运动台光栅尺型号参数如下：n X轴直线光栅尺光栅尺型号：RSLM-SS20U3A 2000（精度3um，行程2000mm，中间零位）读数头型号：T161150M （输出电缆长度5米）细分盒型号：TI-0200-A04A（分辨率0.1um，50MHZ频率输出，最大移动速度3.24m/s）安装压块细分盒信号真空电缆：12P-8n Y 轴直线光栅尺光栅尺型号：RSLM-SS20U3A 2000 (精度3um，行程2000mm，零位中间）读数头型号：T161150M （输出电缆长度5米）细分盒型号：TI-0200-A04A(分辨率0.1um，50MHZ频率输出，最大移动速度3.24m/s）安装压块细分盒信号真空电缆：12P-8n Z 轴直线光栅尺光栅尺型号：RSLM-SS20U3A 1130 (2.2um，行程1130mm，零位中间）读数头型号：T161150M （输出电缆长度5米）细分盒型号：TI-0200-A04A(分辨率0.1um，50MHZ频率输出，最大移动速度3.24m/s）安装压块细分盒信号真空电缆：12P-8n A 、C轴圆光栅尺圆光栅尺型号：RESM20USA200 (外径200mm，内径180mm）读数头型号：T260150M （输出电缆长度5米）细分盒型号：TI-0200-A04A(分辨率0.1um，50MHZ频率输出）细分盒信号真空电缆：12P-8n B 轴圆光栅尺圆光栅尺型号：RESM20USA150 (外径150mm，内径130mm）读数头型号：T260150M （输出电缆长度5米）细分盒型号：TI-0200-A04A(分辨率0.1um，50MHZ频率输出）细分盒信号真空电缆：12P-83.2.2 三维电控运动机构三维电控运动机构装载测试载荷实现三个轴的运动，分别由X轴平移台、Z轴平移台、B轴旋转台和支架等组成，结构示意如图 317所示。1、X轴平移台 2、Z轴平移台 3、B轴旋转台 4、支架图 317三维电控运动机构结构示意图X轴平移台、Z轴平移台和B轴旋转台结构形式与前述五维电控运动机构中对应机构相同，支架的安装高度和安装孔位与前述五维电控运动机构中的Y 轴平移台和A轴旋转台相同，方便以后三维机构向五维机构的扩展。3.2.3 底座底座为整个装置提供良好的安装基座、保障整个设备的精度要求的平台，主要由平台和平台支架两部分组成。对于实验舱内的高真空度和磁场等特殊环境要求，采用普通材料和普通工艺制成的普通精度底座根本无法满足使用要求。经过国内外相关应用经验和市场调研得知，美国理波公司研制的无磁性RPR-N Reliance 工业级光学台可以满足使用要求，外形如图 318所示。图 318 无磁性RPR-N Reliance 工业级光学台无磁性RPR-N Reliance 工业级光学台采用了所有理波公司平台所使用的材料工艺和品质，可满足多数无磁性应用需要。阻尼工作台可消除表层共振，阻尼复合材料边缘处理可消除侧壁共振，约束层芯板阻尼可减弱宽带振动，顶层、底层面板及桁架式蜂巢状芯板采用无磁性316 系列不锈钢制成。RPR-N 无磁性系列可提供与RPR 系列相同的动态性能、静态刚度及热稳定性等性能。在材料研究应用中，RPR-N 是用于支持大型真空室或其他大型仪器的理想选择。在必须清除所有磁性材料的极端应用中，RPR-N 系列是最佳选择，因为该系列产品采用316 无磁性不锈钢结构。3.2.4 载荷安装杆载荷安装杆安装在五维电控运动机构的B向旋转台上，装载两个测试载荷实现相对位置平移，结构示意如图 319所示。主要由电机、支承板、丝杠螺母、导轨滑块、直线光栅尺组成。电机驱动丝杠转动，螺母带动运动部件沿着导轨实现直线移动，直线光栅尺实时测量并反馈移动部件的位置信息。1、电机 2、导轨和光栅尺 3、丝杠螺母副 4、载荷安装面 5、减速机构图 319 载荷安装杆结构示意图载荷安装杆上的直线导轨、滚珠丝杠和光栅尺型号参数如下：n 直线导轨n 滚珠丝杠n 光栅尺Renishaw直线光栅尺RSLM-SS20U3A 1500（精度2.2um，行程1500mm，零位中间）读数头T161150M （输出电缆长度5米）细分盒TI-0200-A04A（分辨率0.1um，50MHZ频率输出，最大移动速度3.24m/s）安装压块细分盒信号真空电缆12P-83.3 电控系统3.3.1 控制系统原理控制系统原理如图320所示。运动控制器接收到用户通过上位机控制软件发出的控制指令，编译后向各轴驱动器发送驱动信号，控制各轴电机驱动机械执行机构动作。光栅尺读数头实时读取所在轴的运动位置（角度），由驱动器通过控制器或直接由控制器通过以太网口返回上位机作相应处理，通过计算机软件界面对位置信息进行显示。同时，控制器接收来自各轴的限位开关状态信号，当运动机构到达限位，驱动器就会控制电机停止旋转，避免系统超行程动作，起到保护作用。图320控制系统原理框图每次开机时，各轴电机要有一个初始化过程，根据程序要求，电机会向某一规定方向运动，当触发零位开关时，立即停止，并将此位置作为绝对零位，然后以此点位基准，作后续的运动或产生该轴的相对零位。一般情况下，直线运动将此点作为零点，而旋转运动将此点作为基准，向反方向运动某一角度，定义相对零点（即0点）。由于在控制程序中根据轴的最大运行长度或最大角度，一般会设置每轴的极限位置值，所以，在设备正常工作情况下，电机会在该设置值范围内运行。当设备运行出现异常时（如飞车），电机运动可能会超出所设的极限值，触发限位开关，驱动器接收到该触发信号，立即会作出相应处理（停机），从而保证设备和操作人员安全。零位和左右限位信号的触发都是由硬件完成，所以实时性好、灵敏度高，能保证限位的快速反应和定位的高精度。根据整个系统对剩磁性的要求尽可能小，所采用的电机均用1J2的厚板材进行屏蔽。3.3.2 电机和驱动器（1） 类型选择伺服电机和其他电机（如步进电机）相比具有以下优点：n 实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题；n 高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；n 抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；n 低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象，适用于有高速响应要求的场合；n 电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内；n 发热和噪音明显降低。 根据市场产品比较，拟选用美国Kollmorgen交流伺服真空电机，电机在实验舱内下使用，驱动器在实验舱外使用。电机和驱动器外形如图 321所示。图 321电机和驱动器图片驱动器的主要功能是执行电机控制指令，由最大电流驱动信号驱动电机作相应转动。同时，在设置电机时，须将电机旋转速度、加速度等参数存储于驱动器的存储器中，在负载变化不大的情况下，能保证电机按照设置的运动参数实时平稳运行，避免发生共振现象。其次，驱动器还接收电机的开关信号，当某位开关信号有效时，驱动器就会向控制器发送一个中断信号，并对该电机作相应控制。（2） 选定的型号参数根据使用条件下驱动扭矩估算，初步选定各轴运动台真空电机型号参数如下：n X轴电机伺服电机AKM62LACBNR-00（功率2.62KW，额定转矩12.2m，最大扭矩26.3Nm，额定转速2500r/min，无制动，旋变反馈）Copley 驱动器XSL-230-36-R（持续电流12A，峰值电流36A，AC交流单相或者三相供电）n Y轴电机伺服电机AKM52LACBNR-00（功率2.35KW，额定转矩8.6Nm，最大扭矩19.6Nm，额定转速3500r/min，无制动，旋变反馈）Copley 驱动器XSL-230-36-R（持续电流12A，峰值电流36A，AC交流单相或者三相供电）n Z轴电机伺服电机AKM52LACB2R-00（功率2.35KW，额定转矩8.6Nm，最大扭矩19.6Nm，额定转速3500r/min，带制动，旋变反馈）Copley 驱动器XSL-230-36-R（持续电流12A，峰值电流36A，AC交流单相或者三相供电）n A、C轴电机伺服电机AKM44H-ACBNR-00（功率1.22KW，额定转矩5.89Nm，最大扭矩16.5Nm，额定转速2500r/min，无制动，旋变反馈）Copley 驱动器XSL-230-18-R（持续电流6A，峰值电流18A，AC交流单相或者三相供电）n B轴电机伺服电机AKM42G-ACB2R-00（功率1.06KW，额定转矩3.51Nm，最大扭矩11Nm，额定转速3500r/min，带制动，旋变反馈）Copley 驱动器XSL-230-18-R（持续电流6A，峰值电流18A，AC交流单相或者三相供电）3.3.3 运动控制器由于本系统传动与定位装置运动轴多，且使用环境为高真空度，因此，系统控制器的功能和可靠性就成为选择控制器必须考虑的首要因素。美国DeltaTau公司是世界上最早开发和销售开放式数控运动系统的公司，生产的产品也是目前世界上功能最强大、可靠性最好的运动控制系统。经过对该公司产品的了解和使用经验，拟选用开放式UMAC多轴运动控制卡作为本系统控制器，UMAC多轴运动控制卡外形如图 322所示。图 322 UMAC多轴运动控制卡UMAC是DeltaTau公司的系统级控制器，不但可以根据用户的应用要求配置成定制化的UMAC系统，而且可以是一款拥有内置I/O口、电源和完整外壳的控制器，同时拥有高速USB，Ethernet等设备的通讯方式与计算机通讯。在运动轨迹控制方面，支持S曲线加减速的直线插补，实现点对点的快速运动，交互式手动运动，具有独立的数字PID反馈滤波，PID参数可以随时任意改变，可编程的极限输入、输出等优良的伺服特性。对于运动过程中机械结构带来的误差及运动的不同位置，UMAC具有位置补偿、力矩补偿、方向间隙补偿等功能，保证了运动的高精度和高重复性。根据用户控制要求，可实现单轴或多轴联动等实时多任务控制。控制程序采用高级语言，自动按顺序执行运动，自动配置坐标轴的各轴，支持G代码和代码扩展。通过我们对UMAC控制器使用情况的调研，该控制器性能优良、工作稳定，返修率几乎为零。是当今世界上功能最全、灵活性最大的运动控制器。3.3.4 电控箱电控箱内主要集成模块电源、电机驱动器、控制器和相应的接插转接元件等。计算机和控制卡之间通过以太网接口进行数据传递，电控箱前后面板如图323所示。 图323控制箱前后面板3.3.5 限位保护和复位装置由于真空条件限制，限位保护和复位装置主要拟采用真空光纤传感器光电开关。当机构在规定行程范围运动时，开关处于断开状态，开关指示灯亮，当机构一旦达到零位或限位位置时，开关处于闭合，开关指示灯灭。驱动器采集到此信号后，控制电机停止转动。限位保护和复位装置的主要功能是实现限位保护，定义系统绝对零位。3.3.6 控制软件3.3.6.1 软件开发平台在选择软件开发ngtai时平台时，考虑的主要因素有：要能满足测试系统对编译速度的要求；在界面设计上有便于程序员编程的接口；在软件的易用性和可移植性方面也要具有较高的性能，易于程序的二次开发。因此，我们选择LabVIEW作为本系统的软件开发工具，开发环境为Windows XP，运行环境：为Windows 2000/XP。3.3.6.2 功能设计配套控制软件的功能主要有：控制各轴电机动作（包括位移或角度，速度及加速度），实时显示各轴的运动状况。具体如下：（1） 复位运动控制装置上电后，电机位置处于未决状态，需要进行复位操作，此后才可以控制电机运动。（2） 设置运行速度根据运动特点，对各运动轴设置不同的运动速度值，加速度在调试时设置一个相对修合式的值。（3） 运动指定运动终点，指挥电机运动，运动完成后，运动轴运动至指定位置，电机停止。（4） 停止在电机运动过程，可以通过停止功能停止正中进行的运动。（5） 运动轴信息读取及显示实时读取各运动轴的状态、位置信息，在界面上显示。（6） 运动位置记录及回放软件记录不同时刻的各轴运动位置，可以进行回放查看。3.3.6.3 界面设计软件界面可以根据用户的实际需求，遵循界面友好、便于操作学习的原则进行定制，初定软件界面如图 324所示。图 324 软件主界面图界面说明如下：（1）复位：可以选定一个或多个运动轴进行复位；（2）状态：显示各轴的当前状态，灰色：表示示进行复位操作，不能运动；绿色：表示运动轴正常，可以下发运动指令；绿色闪烁：表示正在运动，可以停止或下发新的运动指令；红色：运动轴异常，需要重新进行复位操作。（3）运动、停止：按钮放置在各运动轴的旁边，根据不同的状态有可用不可用两种状态。（4）当前位置：显示在各视图边界位置，在未复位前，位置信息无效。3.4 精度测试方法3.4.1 定位精度测试n 平移台定位精度测试平移台定位精度采用英国雷尼绍公司的XL80激光干涉仪进行测试。测试的方法是：首先安装激光干涉仪测量系统各组件（如图 325所示），将分光镜安装在平移台底座上固定不动，反光镜安装在平移台移动部件上，调整激光头将光路调准直。在平移台行程范围内任意选取三组300mm范围，由计算机控制将平移台分别移动到每组300mm范围内两个不同位置，记录激光干涉仪输出的所有测量数据（共6点），该测量数据和相应目标值之间的最大差值作为平移台的定位精度。图 325平移台定位精度测试n 旋转台定位精度测试旋转台定位精度采用12面棱体和光电自准直仪进行测试，测试方法是：由计算机控制将旋转轴旋转到行程范围内12个不同位置（均布），记录光栅尺输出的测量数据（共12点），同时用光电自准直仪和12面棱体测量转台实际转过的角度（如图 326所示），实际值和目标值的最大差值作为旋转台的定位精度。图 326 旋转台定位精度测试3.4.2 重复定位精度测试n 平移台重复定位精度测试平移台重复定位精度测试方法如下（如图 327所示）：图 327平移台重复定位精度测试a) 首先将精度高于或等于0.5微米的千分表固定在平移台底座上，固定位置靠近平移台行程的一端；b) 由计算机控制，从同一个方向驱动平移台移动，使移动部件上的一点与千分表的表头接触，记录千分表表针的指示位置。重复7次，记录千分表最大变化范围；c) 将千分表分别固定在靠近平移台行程的中间位置和另一端的位置上，重复步骤b），分别记录千分表最大变化范围；d) 三个位置上千分表最大变化范围作为平移台的重复定位精度。n 旋转台重复定位精度测试旋转台重复定位精度测试方法如下：a) 在旋转台上放置一个12面棱体，在试验平台上放置光电自准直仪，摆放位置与定位精度测试时的摆放位置相同，如图 326所示。b) 将自准直仪与多面棱体的一个反射平面调整垂直，做为起始位置。c) 自准直仪位置固定不动，驱动旋转台转动，直到多面棱体相邻反射面与自准直仪垂直。记录旋转台转过的角度值。之后又回到起始位置，重复3次测量，记录转过角度值的最大变化范围。d) 在旋转台转动角度约为180和约为360的位置重复步骤3，分别记录记录转过角度值的最大变化范围。e) 三个位置测量的最大变化范围作为旋转台的重复定位精度。3.5 设计结果根据主要技术指标的要求，我们通过理论计算和选型，高分辨率光栅尺及闭环控制系统，以及计算机的数据处理，最后比对标定过的激光干涉仪实测的真值和通过光栅尺的闭环控制的测量值，对测试数据进行优化，使整个设备研制结果优于主要技术指标的要求。3.6 关键技术（1）高精度平台底座，为设备各项技术指标提供基础；约束层芯板阻尼可减弱宽带振动，这样可以避免各轴的运动给整个设备由于震动产生的系统误差。（2）选用P级的直线导轨和滚珠丝杠，近乎0的回差，配合使用0.01毫米分辨率的光栅尺，使得每个轴的精度达到既定指标。（3）选用标定过的激光干涉仪进行真值的实测，对测试数据进行比对优化，通过软件程序进行优化补偿，保障设备总体技术指标性能。4 研制周期及进度安排由于项目中使用的电机需要委托电机研发机构进行定制，且直线导轨和滚珠丝杠等其他关键零部件也需通过特定渠道定制加工，成本较高且供货周期较长，所以项目研制周期初步估算为10个月。进度安排如下：（1）合同签订后30天内提供设计方案（含设计简图）供委托方确认，经委托方确认后再进行具体设计工作；（2） 委托方确认设计方案后60天内向委托方提供主要设计图纸和设计主要技术参数，确认后进行设备的生产制造；（3）货物交付日期为合同签订后10个月，同时提供技术要求中所要求的文件资料。