本實(shí)用新型涉及平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位置測量與跟蹤控制，具體涉及一種基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力強(qiáng)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是近些年迅速發(fā)展的宏微雙重并聯(lián)平臺，涉及精密制造和精微操作中的精密定位技術(shù)，分辨率、定位精度和重復(fù)定位精度可以達(dá)到亞微米至納米，廣泛應(yīng)用于微操作機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)、精密加工等領(lǐng)域。目前對于大部分并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言，為了滿足快速響應(yīng)和高定位精度的要求，一般執(zhí)行元件采用交流或者直流伺服電機(jī)，反饋元件采用編碼器，這樣伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)與編碼器組成一個局部的閉環(huán)。工作時，安裝在伺服電機(jī)軸上的脈沖編碼器將測得的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖的位移反饋給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器通過相應(yīng)的控制算法，為伺服電機(jī)提供控制電壓，以驅(qū)動電機(jī)向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動。這種半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：反饋信號來源于伺服電機(jī)后的編碼器，其只能保證電機(jī)輸入準(zhǔn)確；而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，加工誤差、裝配誤差、關(guān)節(jié)間隙、摩擦、彈性變形等各種不確定性因素廣泛存在，這使得盡管電機(jī)輸入準(zhǔn)確，但傳遞到動平臺末端后，會引入上述誤差，使平臺存在位姿誤差，定位精度不高。

為了解決上述問題，可以采用全閉環(huán)控制方法，即在動平臺末端安裝一個高精度的位置反饋元件，獲取經(jīng)過傳動鏈后動平臺末端的實(shí)際位姿。目前已有的兩種方案中，分別使用工業(yè)相機(jī)和激光位移傳感器作為位置反饋元件；對于使用工業(yè)相機(jī)，其測量精度不高，且圖像處理過程繁瑣，耗時長，不利于并聯(lián)機(jī)器人的實(shí)時跟蹤控制；對于使用激光位移傳感器，則至少需要三個激光位移傳感器才能解算出動平臺末端的位姿，這對激光位移傳感器的安裝精度要求較高，解算過程相當(dāng)繁瑣，所得位姿精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對當(dāng)前獲取平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位姿方法中出現(xiàn)的不足，本實(shí)用新型提供了一種基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)使用二維編碼器作為位置反饋元件，測量并反饋動平臺末端位姿，實(shí)現(xiàn)了平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的全閉環(huán)控制，同時提高了平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的末端軌跡跟蹤精度，為平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞微米級別定位精度提供了條件，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)，包括安裝于靜平臺上的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)、二維編碼器測量裝置、機(jī)構(gòu)回零裝置以及控制裝置；

所述的二維編碼器測量裝置，包括二維編碼器的a讀數(shù)頭和b讀數(shù)頭、二維光柵板夾具中的二維光柵板、連接電纜；其中，二維編碼器的a讀數(shù)頭和b讀數(shù)頭固定在平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺反面連接的支撐架上，裝有二維光柵板的二維光柵板夾具固定在平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺下方的靜平臺上；兩者的測量中心所在的平面平行于靜平臺，a讀數(shù)頭和b讀數(shù)頭的測量中心以及動平臺中心定位孔O′₁，在靜平臺上的投影共線且a讀數(shù)頭和b讀數(shù)頭等距的分布在動平臺中心兩側(cè)；

所述的機(jī)構(gòu)回零裝置，包括設(shè)置于靜平臺上的三個光電開關(guān)、伺服電機(jī)驅(qū)動桿上的三個遮光片，以及激光跟蹤儀；

所述的控制裝置，由伺服電機(jī)控制模塊、觸發(fā)光電開關(guān)模塊、并聯(lián)機(jī)構(gòu)定位控制模塊以及并聯(lián)機(jī)構(gòu)軌跡跟蹤控制模塊等組成；

整個系統(tǒng)首先通過機(jī)構(gòu)回零裝置使平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位于零點(diǎn)，接著通過二維編碼器測量平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端的實(shí)時位姿，然后輸入到控制裝置，并通過控制裝置驅(qū)動平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)使末端按預(yù)定的軌跡實(shí)現(xiàn)精密定位。

本實(shí)用新型所述一種基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)，其特征還在于：

所述安裝于靜平臺上的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)中任意一種，如平面3-RRR，或?yàn)槠矫?-RRR，或?yàn)槠矫?-PRR等。

本實(shí)用新型基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)，使用二維編碼器作為位置反饋元件，測量并反饋動平臺末端位姿，實(shí)現(xiàn)了平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的全閉環(huán)控制，對提高平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定位精度和跟蹤精度有顯著作用。本實(shí)用新型通過其控制方法的簡單解算就可以獲取動平臺末端的位姿，實(shí)時性好，且測量精度高達(dá)2μm，為平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞微米級別定位精度提供了條件。

附圖說明

圖1—圖4是本實(shí)用新型基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)的原理圖；

圖6是本實(shí)用新型動平臺末端位姿解算圖。

圖中，1.伺服電機(jī)，2.驅(qū)動桿，3.定位孔O′₂，4.中心定位孔O′₁，5.動平臺，6.a讀數(shù)頭，7.支撐架，8.靜平臺，9.遮光片，10.光電開關(guān)，11.a定位孔，12.b定位孔，13.c定位孔，14.二維光柵板夾具，15.二維光柵板，16.b讀數(shù)頭，17.從動桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端跟蹤控制系統(tǒng)，如圖1-5所示，包括安裝于靜平臺上的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)、二維編碼器測量裝置、機(jī)構(gòu)回零裝置以及控制裝置。

本實(shí)用新型的二維編碼器測量裝置，包括二維編碼器的a讀數(shù)頭6和b讀數(shù)頭16、二維光柵板夾具14中的二維光柵板15、連接電纜；其中，二維編碼器的a讀數(shù)頭6和b讀數(shù)頭16固定在平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺5反面連接的支撐架7上，裝有二維光柵板15的二維光柵板夾具14固定在平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺5下方的靜平臺8上；兩者的測量中心所在的平面平行于靜平臺8，a讀數(shù)頭6和b讀數(shù)頭16的測量中心以及動平臺5中心定位孔O′₁ 4，在靜平臺上的投影共線且a讀數(shù)頭6和b讀數(shù)頭16等距的分布在動平臺中心兩側(cè)，如圖6所示。

本實(shí)用新型的機(jī)構(gòu)回零裝置，包括設(shè)置于靜平臺8上的三個光電開關(guān)10、伺服電機(jī)1驅(qū)動桿2上的三個遮光片9，以及激光跟蹤儀；

所述的控制裝置，由伺服電機(jī)控制模塊、觸發(fā)光電開關(guān)模塊、并聯(lián)機(jī)構(gòu)本實(shí)用新型定位控制模塊以及并聯(lián)機(jī)構(gòu)軌跡跟蹤控制模塊等組成。

整個系統(tǒng)首先通過機(jī)構(gòu)回零裝置使平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位于零點(diǎn)，接著通過二維編碼器測量平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端的實(shí)時位姿，然后輸入到控制裝置，并通過控制裝置驅(qū)動平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)使末端按預(yù)定的軌跡實(shí)現(xiàn)精密定位。

本實(shí)用新型安裝于靜平臺上的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)中任意一種，如平面3-RRR，或?yàn)槠矫?-RRR，或?yàn)槠矫?-PRR等。

用于本實(shí)用新型一種基于二維編碼器的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)跟蹤控制系統(tǒng)的控制方法包括以下步驟：

一，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)回零步驟

對于平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其初始位姿的精準(zhǔn)度直接影響平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定位精度；為了實(shí)現(xiàn)對平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精密控制，首先要讓平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)精確回零位：

第一步：通過二維光柵板夾具14上的a、b、c三個定位孔11、12和13，建立坐標(biāo)系1：以b定位孔12為坐標(biāo)原點(diǎn)，a定位孔11和b定位孔12所在的直線為x軸；靜平臺坐標(biāo)系與坐標(biāo)系1存在一個平移關(guān)系，只需將坐標(biāo)系1沿y軸平移一定距離即可得到，隨后將靜平臺坐標(biāo)系設(shè)置為工作坐標(biāo)系；

第二步：分別測量平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺5上的定位孔O′₁ 4與定位孔O′₂ 3的之間位置，并測得定位孔O′₁ 4與定位孔O′₂ 3的坐標(biāo)分別為(x′₁,y′₁)和(x′₂,y′₂)；將這兩個定位孔坐標(biāo)輸入到控制裝置，通過控制裝置去調(diào)整動平臺末端，然后再次測量定位孔O′₁ 4與定位孔O′₂ 3的坐標(biāo)；如此反復(fù)調(diào)整，直到定位孔O′₁ 4的坐標(biāo)為(0，0)且定位孔O′₂ 3的坐標(biāo)為(0,y₃)；通過上位機(jī)讀取電機(jī)編碼器的數(shù)值，設(shè)置三個伺服電機(jī)的編碼器讀數(shù)分別為a₁,a₂和a₃；

第三步：通過控制裝置中的觸發(fā)光電開關(guān)模塊，使每個驅(qū)動桿2上的遮光片9恰好觸發(fā)對應(yīng)的光電開關(guān)10，通過上位機(jī)讀取此時電機(jī)編碼器的數(shù)值，設(shè)置三個伺服電機(jī)的編碼器讀數(shù)分別為a₁′,a₂′和a₃′。

通過上述步驟，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)處于零位時電機(jī)編碼器讀數(shù)與觸發(fā)光電開關(guān)時電機(jī)編碼器讀數(shù)之差為a_i-a_i′，其中i＝1,2,3；故平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)回零位的過程為：通過控制裝置中的觸發(fā)光電開關(guān)模塊，使每個驅(qū)動桿17上的遮光片9恰好觸發(fā)對應(yīng)的光電開關(guān)10；然后通過控制裝置中的伺服電機(jī)控制模塊驅(qū)動伺服電機(jī)1，使伺服電機(jī)i的編碼器讀數(shù)增加(a_i-a_i′)，此時平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)便處于零位。

二，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)跟蹤測量反饋控制步驟

第一步：平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)回零之后，將二維編碼器以及伺服電機(jī)1的光電編碼器讀數(shù)均置零；

第二步：二維編碼器的a讀數(shù)頭6和b讀數(shù)頭16每隔固定時間進(jìn)行采樣，坐標(biāo)信號經(jīng)過二維編碼器細(xì)分接口細(xì)分后，再通過運(yùn)動控制器的編碼器反饋信號接口反饋到計算機(jī)，計算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊，獲得動平臺末端位姿；其中數(shù)據(jù)處理模塊如下：

設(shè)二維編碼器的a讀數(shù)頭6反饋回來的數(shù)據(jù)坐標(biāo)為(x_r,y_r),二維編碼器的b讀數(shù)頭16反饋回來的數(shù)據(jù)坐標(biāo)為(x_l,y_l)；由于安裝的時候保證了二維光柵板的坐標(biāo)系與靜平臺坐標(biāo)系相同，現(xiàn)假設(shè)動平臺的實(shí)際位置O_real，則動平臺末端的實(shí)際姿態(tài)角θ為：

第三步：將實(shí)際位置與期望位置作差產(chǎn)生偏差信號，偏差信號通過相應(yīng)的控制算法得到控制信號，控制信號通過電機(jī)放大器接口傳輸?shù)剿欧?qū)動器，伺服電機(jī)1接收到伺服電機(jī)驅(qū)動器傳輸?shù)尿?qū)動信號后，伺服電機(jī)1帶驅(qū)動桿2旋轉(zhuǎn)，從而使動平臺末端運(yùn)動到期望位姿。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，安裝于靜平臺上的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為平面3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1—圖3所示，靜平臺8上的三個伺服電機(jī)1安裝孔軸心構(gòu)成了一個等邊三角形，該等邊三角形的外接圓半徑為400mm；動平臺5的三個轉(zhuǎn)軸中心構(gòu)成了一個等邊三角形，該等邊三角形的外接圓半徑為112mm；從動桿17的理論長度為242mm,驅(qū)動桿2的理論長度為245mm，所有構(gòu)件均為鋁合金，表面陽極氧化處理。

二維編碼器選用的德國海德漢公司生產(chǎn)的型號PP281R二維增量式編碼器，工作溫度在0℃至50℃，測量范圍是68mm×68mm，測量時其運(yùn)動速度不大于72m/min，測量精度是±2μm；其輸出的是峰值為1v的正弦信號。

伺服電機(jī)1選用的是安川伺服電機(jī)SGM7A-15ADA61，24位編碼器可提供足夠精確的位置反饋，4.9N.m的額定轉(zhuǎn)矩與1.5kw的額定功率足以完成平臺的高速高加速運(yùn)動的驅(qū)動。運(yùn)動控制卡選用的美國GALIL公司生產(chǎn)的型號為DMC-1886PCI總線運(yùn)動控制卡，該控制器采用32位RISC結(jié)構(gòu)高速DSP作為中央處理器，實(shí)現(xiàn)8個坐標(biāo)軸的PTP定位、位置跟蹤、JOG、直線/圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)等；該控制器由于采用高速RISC結(jié)構(gòu)DSP作為核心處理器，處理速度得到大大提升。采樣速率高達(dá)24μs/軸(快速模式)，命令執(zhí)行周期為40μs/每條命令，反饋速率22MHz，步進(jìn)輸出脈沖速率6MHz；用戶程序存儲空間2000行*80字符，可存儲510個用戶變量和16000個數(shù)組元素；總線寬度為32位且與64位相兼容，從而極大限度地滿足了高速高精密加工領(lǐng)域?qū)\(yùn)動控制器提出的新要求。

上述實(shí)施方式只是本實(shí)用新型的一個實(shí)例，不是用來限制實(shí)用新型的實(shí)施與權(quán)利范圍，凡依據(jù)本實(shí)用新型申請專利保護(hù)范圍所述的內(nèi)容做出的等效變化和修飾，均應(yīng)包括在本實(shí)用新型申請專利范圍內(nèi)。