工业机器人奇异规避轨迹规划方法

针对激光追踪仪测量工业机器人定位误差测量中出现的六轴机器人运动学奇异问题,提出了奇异区域预测及实时优化的奇异规避轨迹规划方法。以国产配天AIR50-A机器人为研究对象,建立六自由度串联机器人运动学模型,解算机器人笛卡尔空间与关节空间映射关系。基于雅克比矩阵与奇异位形的关系模型,分析和预测机器人运动轨迹中存在的奇异区域。当机器人末端处于奇异区域或奇异预测域时,记录初始关节角序列作为奇异区域轨迹规划输入,利用五次多项式插值方法迭代更新奇异区域内的轨迹路径,机器人既定的运动路径与更新后的奇异规避路径结合形成机器人新的规划轨迹路径,保证机器人关节角运动学参数连续性的同时,规避奇异区域。实验结果表明,提出的奇异预测域及实时优化的奇异规避轨迹规划方法,能够抑制机械臂奇异区域附近关节角速度的激变,减少奇异位形对机器人运动性能的影响。

内流可视超声速喷管边界层实验研究

为观察喷管收缩扩张型面上边界层发展演化现象,研究超声速喷管内流场,本文采用传统特征线方法设计喷管型面,设计并制造了内流可视的超声速风洞.通过数值计算和实验测量的方式验证了风洞喷管出口流场均匀稳定,马赫数均方根偏差均优于国军标合格标准;利用纳米粒子示踪平面激光散射技术,开展内流可视超声速喷管的流动显示试验,获取了喷管内全流场精细结构图像;通过图像处理技术提取边界层与主流交界面,采用分形维数的方法分析边界层状态,定位边界层转捩位置.结果表明:喷管型面的开始转捩位置比喷管上平直壁面更加靠近下游;分形维数可以定性地判断边界层的流动状态,对于层流边界层和转捩初期的发卡涡需要结合边界层厚度进行区分.

激光追踪测量系统机械结构模态参数影响

为了避免激光追踪测量系统机械结构在工作状态与电机产生共振现象,保证激光追踪测量系统的测量精度,本文提出了一种分析激光追踪测量系统机械结构模态参数影响的方法。基于两自由度的激光追踪测量系统机械结构,根据有限元法的模态分析理论,分析了结构材料密度、弹性模量和不同材料对系统固有频率的影响。研究结果表明:系统的固有频率随着结构密度的增大而增大,随着结构刚度的增大而减小,不同材料的影响差异较大;采用粘贴的固定方式可以增加系统的稳定性,有效保障系统的测量精度。本文的研究为激光追踪测量机械结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报,以及结构动力特性的优化设计提供了依据。

非正交系坐标测量系统原理及进展

非正交系坐标测量系统是近十几年来发展的一类移动、便携式的测量系统 ,一般分为电子经纬仪测量系统、全站仪测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统和关节式坐标测量机等 6类 ,通过间接测量边长和角度来确定测点的三维坐标值。本文将这 6类测量系统归纳为球坐标测量法、三角测量法、三边测量法和导线测量法 4种测量方法 ,讨论了其测量原理 ,简单介绍了其应用和发展。

纳米示踪平面激光散射技术在激波复杂流场测量中的应用

在激波以及激波边界层相互作用这类含激波的复杂流场中,流场结构具有明显的三维特征.研究这类流场,采用纹影、阴影和干涉等传统流动显示技术空间分辨率较低,难以分辨流场的三维特性.基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS),是作者近年来开发的一种新的研究超声速流场的测试与显示技术,可对超声速复杂三维流场进行高时空分辨率流动显示与测量.NPLS技术的特点使其成为测量激波复杂流场的有力手段.近年来,作者以NPLS技术为主要手段,对航空航天领域典型的激波复杂流场进行了试验研究,包括超声速弹头绕流、超声速混合层、超声速边界层,以及激波边界层相互作用流场,显示出NPLS技术在激波复杂流场精细测试与流动显示中优势.本文简要介绍NPLS技术在激波复杂流场测量中应用的研究进展.

基于体对角线误差检测的数控机床几何误差辨识方法研究

研究数控机床的几何误差测量与辨识方法对于提高数控机床的加工精度水平具有重要的现实意义。在数控机床的几何误差辨识方法研究方面,提出了一种基于Laser TRACER体对角线误差测量信息的几何信息快速辨识方法,并引入一种两步解正则化方法,以修正映射矩阵的性态,可以较大程度上提高误差参数辨识的抗干扰性,计算机仿真和实验结果均表明,所提辨识方法的正确性和有效性。

激光散射技术在高超声速激波与边界层干扰试验中的应用

加强高超声速激波/边界层干扰研究是飞行器研制中一个非常重要的问题。通过解决高超声速试验流场激光散射光信号微弱的问题、流场示踪粒子与试验主气流均匀混合等问题,成功地将基于纳米粒子的平面激光散射技术运用于高超声速激波/边界层干扰研究。作为引导性试验,在高超声速低密度风洞中,在马赫数为5Ma、前室总压为1.0×105Pa的试验条件下,对压缩拐角模型与钝锥模型进行了试验,获得了这两种模型绕流流场图像。随后,在前述试验条件下,对高超声速斜激波与平板边界层相互作用引起的边界层转捩流场结构进行了研究,获得了转捩位置、滑移线及湍流演变过程,表明基于纳米粒子的平面激光散射技术在高超声速边界层流场结构研究方面具有较好的应用前景。此外,还开展了马赫数为10Ma的试验研究,分析了存在的问题与下一步解决措施。

间接法测定反刍动物甲烷排放量的研究进展

反刍动物与猪、家禽等单胃动物不同,其具有复杂的复胃系统,有利于消化吸收粗饲料。反刍动物采食的饲粮进入瘤胃后,经过瘤胃微生物厌氧发酵,不可避免地产生甲烷,这将直接造成饲粮能量的损耗。另外,甲烷属于温室气体并且其增温潜势远高于二氧化碳,也将加剧全球气候变暖。反刍动物甲烷的减排研究已成为当下研究热点之一,甲烷检测方法是必备工具,显得尤为重要。因此,本文将综述反刍动物甲烷排放量的间接测定方法的应用现状,为合理选用测定方法提供理论依据。

带喷流的超声速光学头罩流动显示

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.

光学在内波实验研究中的应用

内波的实验室模拟是目前物理海洋学和流体力学研究的热点之一。结合实验室内波的模拟实验,近代光学技术、数字图像获取和计算机数据处理技术及三者相结合的技术,介绍内波实验中流场图像化测量领域的研究进展。同时对传统的纹影仪(横式)、立式纹影仪、数字纹影仪和片光源染料粒子示踪技术进行综述。并比较了各自特点及其在内波研究中的优缺点。

示踪材料在内爆X光诊断过程中的作用

激光聚变内爆实验中,在燃料中掺杂少量比例的中高Z材料,用X光光谱和X光成像测量掺杂元素的发射信息,诊断燃料的温度、密度和压缩形状。用辐射流体力学数值计算和X光成像后处理程序综合分析方法,给出了内爆靶丸优化设计,并讨论示踪材料在X光诊断中的作用。结果表明:在靶丸燃料D2中掺原子分数约1.0%的氩,内爆压缩中子产额下降约15%。由于氩线发射使整个燃料区X光发射强度提高约50倍,X光成像区域增大约30%,有利于实验诊断测量燃料芯部。为了测量燃料区的边界,在CH内壳层涂厚度0.05μm的硫,分析表明硫Ly-α单能成像大小与流体力学计算的燃料区大小一致,可用于诊断燃料最终压缩界面。数值分析结果得到了神光Ⅱ间接驱动内爆物理相关实验的验证。

单线双示踪粒子PLIF测温技术的开发

在一台改造的四缸汽油机上开发了基于PLIF技术的单线双示踪粒子测温技术,该技术采用Nd:YAG激光器的266 nm波长激光作为激发光源,使用3-戊酮和TEA作为示踪粒子,在CCD相机前加入双像器可以在只有一台CCD相机的情况下同时获得两种示踪粒子的荧光图片,并标定了双像器的光强透过曲线,利用数字脉冲延迟发生器对激光器和CCD相机之间的延迟进行精确设定保证可以拍摄到荧光信号。在发动机上拍摄某工况进气压缩过程不同曲轴转角下的缸内温度分布,并与仿真的平均温度值进行对比,结果表明平均荧光比值可以反映缸内平均温度的变化历程。

激光波高测量中示踪粒子性能分析

激光测量流体波动的波面高度,其基本原理是将激光投射到流体表面,通过计算投射距离,反演出波面高度。由于投射目标是气液的界面,,因此需要在接收激光投射的目标流体表面加用反射物质,以正确显示波面位置。通常采用反射示踪粒子撒播在被测流体表面,这是波高测量系统中的重要组成部分。本文通过对比不同示踪粒子反射性能的实验结果,分析所测示踪粒子的效果,对不同示踪粒子的特点、存在问题给出鉴定与讨论,并归纳出良好的波面反射示踪粒子应具备的特性。特别指出在气液交界面不宜使用气泡为示踪粒子及其原因。

PIV应用中的光学技术

重点讨论PIV应用过程中需要考虑的几个光学问题,定性分析这些因素对PIV测量结果的影响。

应用激光跟踪仪的三坐标测量机几何误差检测方法

几何误差是三坐标测量机的重要误差来源,三坐标测量机几何误差检测方法存在效率低、测量精度不高的问题,严重影响三坐标测量机使用性能的进一步提升。为此,提出了一种应用激光跟踪仪的三坐标测量机几何误差检测与直接分离方法。首先,基于多体系统理论和齐次坐标变换方法,建立三坐标测量机几何误差模型;其次,建立激光跟踪仪测量几何误差的数学模型,以三坐标测量机几何误差特性为约束条件,结合Levenberg-Marquardt方法,实现了几何误差的直接分离。最终,应用该方法在某三坐标测量上进行了几何误差检测试验,并使用激光干涉仪进行了单项定位误差和空间位置误差的检测对比。试验结果表明:该三坐标测量机X、Y和Z轴定位误差分别为-27.06、43.75和36.76μm,X、Y轴垂直度误差为-82.89μrad,是其主要误差来源;预测最大空间误差为74.64μm,位于测量空间的极限区域。辨识结果与激光干涉仪检测结果相比,X、Y和Z轴定位误差最大相差7.43μm,体对角线预测定位误差最大相差10.51μm;与其他跟踪测量方法相比,X和Y轴空间位置误差与激光干涉仪检测结果相差最小为5.3μm,验证了该方法的有效性。该方法可在2 h内实现三坐标测量机17项几何误差的检测,具有快速和高精度的优点,在三坐标测量机和数控机床精度检测领域有较大的应用前景。

基于PLIF的混合气温度和浓度测量及其应用

缸内混合气温度和浓度分布,对发动机稳定运行,保障行车安全、避免发生路上人身伤亡或财物损失有重要影响。为了测量发动机缸内混合气的温度和浓度分布,建立了利用单波长激光诱导双示踪剂产生双荧光的测试系统,并拍摄了不同混合气温度、压力和浓度下的荧光图像,获得了不同示踪剂的荧光强度及其比值随温度、压力和浓度的变化关系,并将标定结果用于光学发动机缸内混合气的温度和浓度测量。结果表明,荧光强度及荧光比值均受到环境的压力、温度和混合气浓度的影响。利用PLIF方法得到的片光源穿过的缸内水平截面内的平均温度与用气缸压力计算的同一曲轴转角下的缸内平均温度变化趋势相同,两者之间的差值随着活塞上行而逐步减小。

激光追踪仪的基本原理及应用

介绍了激光追踪仪(Laser Tracer)的工作原理、结构特点以及误差修正方法。在工作原理方面,内部的激光干涉仪测量出Laser Tracer与安装在数控装备运动轴上靶镜之间位移的变化量,来对数控装备的运动误差进行计算。在结构特点方面,通过使用标准球反射镜与万向节式回转轴系,减小系统误差对测量精度的影响。在误差修正方面,利用多基站下的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)原理确定各基站在数控装备坐标系下的坐标,并通过对数控装备运动误差的计算,分离出每一根轴的各项几何误差,同时合成数控装备在空间任意位置的误差,从而实现对数控装备误差的修正。

面向激光追踪测量系统的空气折射率补偿方法研究

针对激光追踪测量系统中由空气折射率变化引起的波长变化问题,对适用于激光追踪测量系统的空气折射率方法进行了研究,提出了一种基于经验公式的空气折射率补偿系统。利用该补偿系统的硬件电路,对环境参数进行了采集,并通过UART协议对数据进行了传输;编写了面向激光追踪测量系统的空气折射率补偿软件,实现了对空气折射率的测量和补偿;使用迈克尔逊干涉仪测量了空气折射率,并与本系统测量结果进行了对比,同时对该系统进行了不确定度分析。研究结果表明:空气折射率补偿系统可以实现对空气折射率的实时测量、显示和补偿,克服了使用空气折射率计直接测量存在的装置复杂、不易操作的缺点,以及双色干涉法需要重新搭建光路的缺点,更适用于解决激光追踪测量系统的空气折射率补偿问题。

用于层析粒子图像测速的模拟粒子场成像

对层析粒子图像测速(PIV)技术中示踪粒子成像部分进行理论分析,并结合真实风洞的相应参数,通过搭建模拟粒子成像平台的方法来进行研究。设计了一套体积为80mm×100mm×100mm的激光照明系统,以提供粒子场的入射光强。建立了示踪粒子的三维成像模型,从而得到层析PIV系统的模拟图像。分析了影响PIV系统成像质量的相关因素。在单像素粒子数为0.007 7的情况下,通过真实粒子图像和模拟粒子图像比较,验证了该方法的正确性。

激光追踪测量系统机械结构动力学建模方法

针对激光追踪测量系统提出了激光追踪测量系统机械结构的动力学建模方法,综合考虑了机械结构的结构参数和动态耦合力,实现了对激光追踪测量系统机械结构强度设计、结构改进和电机选型的精确参考。给出了激光追踪测量系统机械结构的理想情况和非理想情况的动力学模型,通过虚拟样机技术对机械模型进行了分析,结果表明激光追踪测量系统中机械结构的动态耦合项可以忽略,激光追踪测量系统的运动轴系可单独建立动力学模型,依据建立的模型选择用于激光跟踪控制的电机,并验证了建立的动力学模型的正确性。