自驱动关节臂测量机多电机同步控制系统

为了解决自驱动关节臂坐标测量机的多电机同步转动问题,设计了一套多电机同步控制系统。该系统选用以TMS320F28335为核心的DSP处理器,依次设计了双CAN通信电路、功率逆变电路、电机驱动电路等驱动板接口电路;利用Simulink建立了六电机同步转动控制仿真模型,将电机控制模型转化为工程代码,对六电机设定不同的位置角度进行点到点位置同步实验,以及多电机轨迹跟踪实验。实验结果分析得到同步控制时间精度在10ms以内,验证了六电机的同步控制有效性,为提高测量机的运动平稳性和测量效率提供参考依据。

自驱动关节臂坐标测量机双关节模组结构设计与优化

由模块化单关节构成的六自由度自驱动关节臂坐标测量机存在运动学求逆解困难、制造与安装误差大等问题,难以满足测量机高精度、低误差的测量需求。通过分析自驱动关节臂坐标测量机的工作原理和技术要求,提出双关节的设计指标,设计了一种集俯仰和旋转于一体的新型双关节模组,关节采用电机驱动、减速器输出和制动器保护的传动方案,对模组内部关键零部件进行选型和设计,并在SolidWorks软件中对双关节模组进行结构组装。利用ANSYS Workbench软件对双关节模组进行结构静态变形与双轴垂直度分析,并对关节外壳、端盖等部件进行结构优化。结果表明,双关节模组最大静力变形为0.02208mm,结构柔性变形为0.011029mm,关节主轴间垂直度误差为7.2″,优化后的关节外壳和端盖体积分别减少了9%和12%,满足双关节刚度和精度的设计要求。

自驱动关节臂坐标测量机轨迹在线控制模型

为了提高自驱动关节臂坐标测量机的控制精度,需要研究其轨迹控制方法,提出基于特征融合的自驱动关节臂坐标测量机轨迹在线控制模型。利用机器人(Denavit Havtenbery,DH)法构建自驱动关节臂坐标测量机的DH模型,对坐标测量机的运动学展开分析,提取多个关节臂坐标测量机的轨迹特征,融合上述特征,获得测量机在工作状态下的轨迹变化情况,最后通过笛卡尔空间根据轨迹特征构建轨迹在线控制模型,完成自驱动关节臂坐标测量机的轨迹控制。实验结果表明,所提方法的关节角度跟踪精度高、轨迹控制误差小。

自驱动关节臂坐标测量机模块化关节设计

传统的关节臂测量机工作时是依靠工作人员牵拉实现运动和测量,存在路径规划不佳、主观性误差大、测量效率低等问题很难适应智能制造对在线自动测量系统的新要求。本文提出了利用含有无刷电机、谐波减速器及精密轴系的模块化关节构成自驱动关节臂坐标测量机的构想,并对模块化关节进行了构型设计,建立了单关节扭矩估算模型,在此基础上选择了关节2的电机和谐波减速器,设计了关节模块的测控电路,研制了单关节部件样机并进行了重复性实验。其中单方向测量数据表明,为保证较小的测量重复性误差,关节在运动时应尽量避免速度或加速度突变的运动形式;双方向测量的数据表明,当控制电机运动速率小于1.53rad/s时,测头因回弹产生误触发信号的概率较小,此时最大误差数据为±2.11″。上述实验也验证了模块化关节设计方案的可行性,为后续自驱动关节臂坐标测量机整机研制提供了理论和实验依据。

自驱动关节臂坐标测量机关节角度实时测量系统

针对传统的光电编码器角度测量方法无法满足自驱动关节臂坐标测量机角度高精度实时测量的问题,设计了基于FPGA组合设计方法的光电编码器角度实时测量系统,由原理图输入设计的抗扰动模块、Verilog HDL语言设计的四倍频辨相计数模块、Qsys搭建的数据传输模块和Visual Studio设计的软件模块组成。通过与数字采样频率为1 MHz的16位USB-6229数据采集卡同步对比实验结果表明,在相同条件下,FPGA与数据采集卡同时测量光电编码器的数据完全吻合,因此设计的光电编码器角度实时测量系统可以直接运用于自驱动关节臂坐标测量机的关节角度测量。

自驱动关节臂坐标测量机轨迹优化

为了提升自驱动关节臂坐标测量机(后简称为测量机)的测量精度与测量效率,针对其在线测量轨迹优化问题,提出一种基于粒子群算法的轨迹优化方法。首先,基于MDH参数法建立测量机正运动学模型,并利用S形加减法和匀速直线插补法进行混合轨迹规划。其次,以运行时间和运动平稳性为优化目标,利用粒子群算法进行轨迹优化。最后,在MATLAB、ADAMS环境下建立测量机模型进行标准球测量仿真分析,并基于搭建的测量机样机开展标准球测量实验。研究结果表明:采用基于粒子群算法对混合轨迹规划进行优化的方法能够保证测量机在工作时运行平稳,标准球测量时间由62.91 s减至57.35 s,标准球测量半径误差由0.0571 mm降至0.0423 mm。证实该轨迹优化方法能够有效降低测头振动,提高测量机在线测量精度和测量效率。

自驱动关节臂测量机结构设计与仿真分析

为了使自驱动关节臂测量机的结构满足测量和定位精度要求,通过分析自驱动关节臂测量机的工作原理,建立了测量机的运动传递模型,完成了测量和定位误差源分析,在此基础上对关键部件进行设计和选型。对测量机进行了整体结构设计和关节结构设计,得到最优设计方案,在此基础上推算出各个关节的重力矩及惯性矩,完成了各关节模组的选型。建立了测量机的三维虚拟样机,对虚拟样机的几种典型测量姿态进行了静力学和结构变形分析,根据仿真结果进行优化设计,使测量机在典型和极限测量姿态下的静态变形均符合设计要求。针对测量机测量过程的触测段进行动态变形仿真,仿真结果表明竖直(Y)方向动态变形误差较大,需要建立动静态误差补偿模型进行修正。进一步对测量机进行模态分析,分析结果表明测量机的最高运行频率低于最低阶固有频率,不会产生结构共振以致影响测量和定位精度。

自驱动关节臂坐标测量机误差分析与结构优化设计

为了满足自驱动关节臂测量机(AACMM)测量精度对结构设计的要求,通过分析测量机的结构和测量工作原理,确定了引起测量和定位误差的误差源,并对关键零部件进行设计和选型,在此基础上建立了三维样机。利用不同测量姿态下的测量机静态变形和不同运动测量速度、测量姿态下的刚柔耦合变形值来指导测量机结构优化设计。仿真实验结果表明,测量机静态变形误差最大值降至0.41 mm,重复定位精度达到0.01 mm,满足设计要求。

自驱动关节臂测量机双电机同步控制系统研究

针对自驱动关节臂测量机双电机的同步控制问题,设计了一套适用于双电机同步运动控制系统。该系统以FPGA为主控芯片,STM32为辅助芯片,通过CAN总线通信,采用LabVIEW软件编写上位机软件,并搭建了双电机控制调试界面。通过对双电机设定不同的位置和速度参数进行了正、反转实验,对实验结果进行分析计算,得到电机转角的最大误差值为0.684rad,经谐波减速器后转角的最大误差为0.39°,双电机同步时间控制精度为1ms,满足系统的技术指标要求,保证了双电机的同步控制,为后续开发自驱动关节臂测量机整体的控制系统奠定了基础。

面向球的自驱动关节臂测量机最佳测量区

自驱动关节臂坐标测量机测量不同区域的工件时存在不同的测量误差,为了确定该测量机的最佳测量区域,首先根据测量机结构原理建立了理想测量模型,对其静态与动态误差进行溯源,提出了测量机的最佳测量区及其确定方法,采用单位四元数球面线性插值算法求解了测量机的不同测量姿态,并基于测量机样机开展了面向球的自驱动关节臂坐标测量机最佳测量区测试实验。结果表明:自驱动关节臂坐标测量机存在最佳测量区:测量半径433.994 mm~659.6279 mm、测量转角130°~180°、测量俯角20.1028°~48.9367°,将工件置于上述测量区域内,可有效提高自驱动关节臂坐标测量机的自动定位与测量精度。

自驱动关节臂坐标测量机臂杆变形静态误差预测模型

自驱动关节臂坐标测量机关节上增加了驱动电机、减速器等器件,受重力作用导致杆件弹性变形,由此带来的测量误差不容忽略。基于旋量指数积公式建立了自驱动关节臂坐标测量机测量模型,建立了关节重力坐标系间变换矩阵表达式。因臂杆具有柔性,提出了自驱动关节臂坐标测量机静态变形误差预测模型。对自驱动关节臂坐标测量机三种典型姿态的臂杆变形误差进行预测,利用ANSYS Workbench软件进行有限元静力学仿真。设计研制了自驱动关节臂坐标测量机臂杆变形等效实验样机,进行了臂杆变形检测实验,实验结果表明,经臂杆变形误差预测模型修正后,变形误差减少了88%左右。仿真和实验的结果表明该研究可使自驱动关节臂坐标测量机的测量精度有效提高。

自驱动关节臂坐标测量机测控系统

为了使关节臂坐标测量机满足在线、自动批量和智能测量的需求,提出研究自驱动关节臂坐标测量机,研究了其测控系统。系统以计算机作为控制器,与6个驱动关节及触发测量电路等组建硬件系统,软件采用状态机与事件结构相结合的结构框架设计,实现自驱动关节臂坐标测量机的运动控制和规划路径采样点自动数据采集。搭建实验系统对测量机进行测试实验,实验结果表明,在测控系统支持下自驱动关节臂坐标测量机运行平稳,测量机测量小尺寸球的重复性误差为0.038 mm、测量较大尺寸量块的重复性误差为0.192 mm(k=2)。测控系统的研究为自驱动关节臂坐标测量机标定技术、误差分析及应用研究奠定了基础。

自驱动关节臂坐标测量机结构参数标定

与关节臂坐标测量机一样,自驱动关节臂坐标测量机存在诸多结构参数误差影响其测量精度。为了提高自驱动关节臂坐标测量机的测量精度,文章建立以激光跟踪仪测量距离为基准的标定系统,并对该系统的标定算法进行研究。根据Denavit-Hartenberg(D-H)模型,建立自驱动关节臂坐标测量机运动学模型;用激光跟踪仪标定自驱动关节臂坐标测量机测量距离的误差,建立距离误差模型,设计基于最小二乘迭代Levenberg-Marquardt(LM)的标定算法。实验结果表明,经LM算法标定且对自驱动关节臂坐标测量机的结构参数补偿后,在标定空间内测量20组距离,最大距离误差绝对值从13.8950 mm减小到0.3004 mm,测量误差减小了近97.8%。

自驱动关节臂坐标测量机轨迹规划与仿真

自驱动关节臂坐标测量机以测量为目标,要求测量过程平稳运行,且其确切的目标位置点未知。针对自驱动关节臂坐标测量机的工作过程,提出先加速、再减速后匀速的轨迹规划方法。建立基于D-H模型的运动学方程,将五次多项式插值法和直线插补法结合进行轨迹规划,在MATLAB中建立仿真环境模型。在线测量仿真结果表明,仿真测量过程中的自驱动关节臂坐标测量机速度和加速度连续,未发生突变,达到了减小自驱动关节臂坐标测量机振动的目的。

矿井天轮在线切削精度测量设备的柔性误差预测

矿井天轮绳槽要求切削精度在±0.5 mm,用于切削加工的在线测量设备为自驱动关节臂坐标测量机,由于其柔性产生的变形使测量机的测量精度无法保证,建立了测量机的理论模型与三维仿真分析模型,通过刚柔耦合仿真分析确定测量机的测量误差值。将仿真结果用RBF神经网络进行预测,确定测量机的模型参数与误差值的关系。通过对比,建立的RBF神经网络能够实现柔性动态变形误差最大值为5.16×10^-4 mm的高精度预测。