CN103323163B - 一种基于力反馈的主动补偿抑振系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于力反馈的主动补偿抑振系统，该系统包括：长悬臂、多维力觉检测系统、并联多自由度运动平台、转接钟罩和检测块，其中：长悬臂一端通过细牙外螺纹与连接有振动模拟系统的连接装置连接，另一端通过焊接在其上的连接圆盘与所述多维力觉检测系统连接；多维力觉检测系统通过通孔与并联多自由度平台的静平台连接；并联多自由度运动平台通过转接钟罩与检测块连接。本发明在提高系统性能的前提下，极大的简化了设计过程，降低了材料特性的要求、提高了系统的定位精度，另外还缩短了工作周期，降低了各种成本及设计不满足要求后多次重复设计制造安装调试等不必要的开销。
Description
技术领域
本发明涉及运动补偿技术领域，尤其是一种基于力反馈的主动补偿抑振系统。
背景技术
长悬臂结构系统刚度低，当受到外界(低频)扰动或自身搭载设备产生的一些低频振动时，容易诱发长悬臂系统的振动。当此类悬臂系统应用在对位姿(即位置和姿态)精度要求很高的场所(um量级)，单纯采用改变材料和结构设计的被动振动抑制方法无法满足悬臂系统对高精度位姿定位的要求时，就需要建立末端位姿补偿平台，采用主动控制方法对悬臂末端振动进行位姿补偿。
针对大负载、长悬臂、多扰动、复杂环境(真空)条件下的高精密位姿调整系统，为了减小外界扰动的影响，提高悬臂末端的定位精度，现行的方案主要有采用被动控制的振动抑制方法，即通过改变悬臂材料和悬臂系统的结构设计方法，提高系统的刚度，抑制振动扰动对悬臂系统定位精度的影响。
上述基于被动扰动控制的设计方法存在设计过程复杂，对材料特性要求高、加工周期长，生产成本高，检验测试难度大，并且每个产品设计都针对专用使用环境和使用用途，不具有通用性，难以满足复杂条件下的高稳定、高精度的要求，同时，对于不同环境的适应性也不是很好。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于力反馈的主动补偿抑振系统，该系统采用主动位姿补偿技术，通过检测采集外界可以表征扰动影响的特征信号，并对反馈信号进行综合处理，预测出受扰后悬臂系统末端的位姿的变化量，再控制运动平台对位姿的偏差进行相应的逆向补偿，即可保证目标的位姿满足需求。
本发明提出的一种基于力反馈的主动补偿抑振系统包括：长悬臂、多维力觉检测系统、并联多自由度运动平台、转接钟罩和检测块，其中：
所述长悬臂为高刚度中空管状结构，其一端为细牙外螺纹，用于与连接有振动模拟系统的连接装置进行连接，另一端焊接一个用于连接所述多维力觉检测系统的连接圆盘；
所述连接圆盘的外表面开设有多个铰制孔，所述铰制孔的表面开有同心沉孔，所述铰制孔的开孔位置与所述多维力觉检测系统的连接板的开孔位置相同，用来将所述连接圆盘与所述多维力觉检测系统进行连接；
所述多维力觉检测系统包括前连接板8，后连接板10和多维力/力矩传感器9，用于感知和检测振动模拟系统产生的振动的影响；所述前连接板8的一面与多维力/力矩传感器9的一面通过螺钉连接在一起，所述后连接板10的一面与多维力/力矩传感器9的另一面通过螺钉连接在一起；所述前连接板8和所述后连接板10连接所述多维力/力矩传感器9的一面的中心均加工有一个小的圆形凸台，凸台上沿圆周方向均布开有通孔，所述通孔的位置与所述多维力/力矩传感器9的安装孔的位置相对应；
所述前连接板8和所述后连接板10远离所述多维力/力矩传感器9的一面的中心加工有一个较大的圆形沉孔，以减轻连接板的质量，以及隐藏连接螺钉的头部；
所述前连接板8和所述后连接板10远离所述多维力/力矩传感器9的一面在沉孔与连接板外圆之间的环带上沿圆周方向均布开有通孔，用于与所述长悬臂的连接圆盘和所述并联多自由度平台的静平台连接，通孔的位置与需要连接的其它器件的安装孔的位置相对应；
所述并联多自由度运动平台用于沿着运动轴进行不同自由度的平动和旋转，其包括动平台4、多条伸缩杆5、多对铰链6和静平台7，其中，所述伸缩杆5和铰链6的数量相同，每条伸缩杆5和与其连接的一对铰链6构成一套运动驱动装置，所述伸缩杆5与所述动平台4和所述静平台7均通过铰链6进行连接，通过多套伸缩杆5和铰链6组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台7和动平台4连接在一起；
所述转接钟罩的主体为一圆锥形中空结构，用于将所述并联多自由度运动平台和所述检测块连接到一起；
所述检测块为一底端为圆柱顶端为长方体的结构，用来与所述连接钟罩进行连接，并配合检测仪器对所述检测块进行末端定位检测；
所述主动补偿抑振系统工作时，通过所述多维力/力矩传感器9将振动模拟系统在多个自由度上产生的振动扰动的特征反应出来；再通过多维力/力矩传感器9检测到的力/力矩特性与振动模拟系统产生的振动之间的关系获得振动扰动在各自由度上分量的特性；控制所述并联多自由度平台对检测到的振动扰动做逆向补偿，即可抑制和消减振动的影响，将末端检测块的定位精度控制在许可的范围内。
本发明在提高系统性能的前提下，极大的简化了设计过程，降低了材料特性的要求、提高了系统的定位精度，另外还缩短了工作周期，降低了各种成本及设计不满足要求后多次重复设计制造安装调试等不必要的开销。
附图说明
图1是本发明基于力反馈的主动补偿抑振系统的总体结构图。
图2是根据本发明一实施例的长悬臂的结构示意图。
图3是根据本发明一实施例的力觉检测系统的结构示意图。
图4是根据本发明一实施例的力觉检测系统的前后连接板的安装面定义示意图。
图5是根据本发明一实施例的并联多自由度平台的结构示意图。
图6是根据本发明一实施例的转接钟罩的结构示意图。
图7是根据本发明一实施例的检测块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明基于力反馈的主动补偿抑振系统的总体结构图，如图1所示，所述系统包括：长悬臂、多维力觉检测系统、并联多自由度运动平台、转接钟罩和检测块，其中：
图2是根据本发明一实施例的长悬臂的结构示意图，图2a为长悬臂的剖视图，图2b为长悬臂的左视图，如图2a所示，所述长悬臂为外径壁厚5mm的高刚度中空管状结构，其长度可根据实验的要求自行确定。所述长悬臂的一端为长度为60mm的M60×2的细牙外螺纹，用于与连接有振动模拟系统的连接装置进行连接；所述长悬臂的另一端焊接一个用于连接所述多维力觉检测系统的连接圆盘。
所述连接圆盘的直径与系统末端的并联多自由度平台的静平台直径以及多维力觉检测系统的前后连接板的直径相同。在所述连接圆盘的外表面以120°为间隔开有3个直径为的铰制孔，铰制孔表面开有同心的沉孔，如图2b所示，所述铰制孔的开孔位置与所述多维力觉检测系统的连接板的开孔位置相同，用来将所述连接圆盘与所述多维力觉检测系统进行连接。
所述连接圆盘也是中空结构，如图2a所示，这样的设计一方面可减轻长悬臂的质量，另一方面也可以提高安装面的可加工性和改善长悬臂与力觉检测系统的安装连接质量。
图3是根据本发明一实施例的多维力觉检测系统的结构示意图，如图3所示，所述多维力觉检测系统包括前连接板8，后连接板10和多维力/力矩传感器9。
定义前(后)连接板8(10)与多维力/力矩传感器9的连接面为A面，与其他器件的连接面为B面，安装面的定义示意图如图4所示，图4a所示为连接板A面，图4b所示为连接板B面，图4c所示为连接板的剖面图。
前连接板8的A面与多维力/力矩传感器9的一面通过螺钉连接在一起，后连接板10的A面与多维力/力矩传感器9的另一面通过螺钉连接在一起，安装结果如图3所示。在本发明一实施例中，所述多维力/力矩传感器9为一六维力/力矩传感器。
前连接板8和后连接板10具有相同的结构，中心都开有减重圆孔。连接板8，10的A面中心加工有一个小的圆形凸台，凸台上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，通孔的位置与多维力/力矩传感器9的安装孔的位置相对应。
连接板8，10的B面中心加工有一个较大的圆形沉孔，其目的是在保证刚度的前提下，减轻连接板的质量，改善装配连接效果；同时可以在连接转接板与多维力/力矩传感器9时，将连接螺钉的头部隐藏在大沉孔内。
连接板8，10的B面在沉孔与连接板外圆之间的环带上沿圆周方向间隔120°均布开有通孔，用于与所述长悬臂的连接圆盘和所述并联多自由度平台的静平台连接，通孔的位置与需要连接的其它器件的安装孔的位置相对应。
所述并联多自由度运动平台用于沿着运动轴进行不同自由度的平动和旋转，在本发明一实施例中，所述并联多自由度运动平台为并联六自由度运动平台，图5是根据本发明一实施例的并联六自由度运动平台的结构示意图，如图5所示，所述并联六自由度运动平台包括动平台4、多条伸缩杆5、多对铰链(虎克铰)6和静平台7。其中，所述伸缩杆5和铰链6的数量相同，每条伸缩杆5和与其连接的一对铰链6构成一套运动驱动装置，所述伸缩杆5与所述动平台4和所述静平台7均通过铰链6进行连接，通过多套(在本发明一实施例中为6套)伸缩杆5和铰链6组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台7和动平台4连接在一起，在保证静平台7固定的情况下，可以实现动平台4沿着X，Y，Z三个轴的精确平移和旋转，即所述并联六自由度平台具有沿着X，Y，Z三个坐标轴平动和沿着θX，θY，θZ坐标轴旋转的功能。
所述并联多自由度平台的负载和行程相对较小，但具有较高的频率响应特性。
图6是根据本发明一实施例的转接钟罩的结构示意图，图6a为转接钟罩的轴测图，图6b为转接钟罩的剖面图，转接钟罩为一过渡性连接件，其作用是通过使用转接钟罩将两个直径比差别较大的器件连接到一起，比如所述并联多自由度运动平台和所述检测块。如图6a所示，所述转接钟罩的主体为一圆锥形中空结构，其剖面图如图6b所示。所述转接钟罩的底盘凸沿圆周上按照120°的间隔开有直径为的铰制孔，铰制孔的位置与并联多自由度平台的动平台相对应，以与所述并联多自由度平台的动平台相连接；所述转接钟罩的底面锪有大的沉孔，以便于实现底部安装面获得更好地形位公差，改善转接钟罩的底面与并联多自由度平台的动平台的安装连接质量。所述转接钟罩的顶部为中心开圆形通孔的柱状结构，中心通孔的轴线垂直于所述转接钟罩的安装底面；所述转接钟罩沿顶部圆柱柱身120°间隔开有M1.5的螺纹孔，用来安装顶丝。通过调整顶丝的旋紧深度来锁紧所述检测块。
图7是根据本发明一实施例的检测块的结构示意图，图7a为检测块的主视图，图7b为检测块的左视图，如图7所示，所述检测块为一底端为圆柱顶端为长方体的结构，用来与所述连接钟罩进行连接，并配合检测仪器对所述检测块进行末端定位检测。所述检测块中，圆柱与长方体过渡区采用圆角过渡，以起到减小局部应力，保证长方体表面形位的稳定的作用。所述检测块的底部圆柱用于与所述转接钟罩连接，通过将圆柱插入所述转接钟罩顶端的圆形通孔中，再使用顶丝将检测块的圆柱锁紧即可固定整个检测块。所述检测块的顶部采用长方体结构的设计目的是为了方便不同的检测仪器对检测的位姿进行检测。
在安装所述主动补偿抑振系统时：
首先，通过螺钉将力觉检测系统的后连接板10与长悬臂的连接圆盘进行固联；
然后，通过螺钉将并联多自由度平台的动平台与转接钟罩的安装底面进行固联；
通过螺钉将并联多自由度平台的静平台与力觉检测系统的前连接板8进行固联；
最后，将检测块的连接圆柱插入转接钟罩前端的圆形通孔内，通过顶丝进行预连接，这样就构成了主动补偿抑振系统。
所述主动补偿抑振系统工作时，所述力觉检测系统用于感知和检测振动模拟系统产生的振动的影响。通过多维力/力矩传感器9将振动模拟系统在多个自由度上产生的振动扰动以力和力矩的幅值、方向和频率等特征反应出来。再通过建立出多维力/力矩传感器9检测到的力/力矩特性与振动模拟系统产生的振动之间的关系，也就是说只要通过多维力/力矩传感器9上获取的力/力矩信号并对其进行数学变化，即可表征出振动源的特性。
根据多维力/力矩传感器9感知的信号并对其进行处理，可获得振动扰动在各自由度上分量的幅值、频率等特性，控制并联多自由度平台对检测到的振动扰动做逆向补偿，即可起到抑制和消减振动的影响，将末端检测块的定位精度控制在许可的范围内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，该系统包括：长悬臂、多维力觉检测系统、并联多自由度运动平台、转接钟罩和检测块，其中：
所述长悬臂为高刚度中空管状结构，其一端为细牙外螺纹，用于与连接有振动模拟系统的连接装置进行连接，另一端焊接一个用于连接所述多维力觉检测系统的连接圆盘；
所述连接圆盘的外表面开设有多个铰制孔，所述铰制孔的表面开有同心沉孔，所述铰制孔的开孔位置与所述多维力觉检测系统的连接板的开孔位置相同，用来将所述连接圆盘与所述多维力觉检测系统进行连接；
所述多维力觉检测系统包括前连接板(8)，后连接板(10)和多维力/力矩传感器(9)，用于感知和检测振动模拟系统产生的振动的影响；所述前连接板(8)的一面与多维力/力矩传感器(9)的一面通过螺钉连接在一起，所述后连接板(10)的一面与多维力/力矩传感器(9)的另一面通过螺钉连接在一起；所述前连接板(8)和所述后连接板(10)连接所述多维力/力矩传感器(9)的一面的中心均加工有一个小的圆形凸台，凸台上沿圆周方向均布开有通孔，所述通孔的位置与所述多维力/力矩传感器(9)的安装孔的位置相对应；
所述前连接板(8)和所述后连接板(10)远离所述多维力/力矩传感器(9)的一面的中心加工有一个较大的圆形沉孔，以减轻连接板的质量，以及隐藏连接螺钉的头部；
所述前连接板(8)和所述后连接板(10)远离所述多维力/力矩传感器(9)的一面在沉孔与连接板外圆之间的环带上沿圆周方向均布开有通孔，用于与所述长悬臂的连接圆盘和所述并联多自由度运动平台的静平台连接，通孔的位置与需要连接的其它器件的安装孔的位置相对应；
所述并联多自由度运动平台用于沿着运动轴进行不同自由度的平动和旋转，其包括动平台(4)、多条伸缩杆(5)、多对铰链(6)和静平台(7)，其中，所述伸缩杆(5)和铰链(6)的数量相同，每条伸缩杆(5)和与其连接的一对铰链(6)构成一套运动驱动装置，所述伸缩杆(5)与所述动平台(4)和所述静平台(7)均通过铰链(6)进行连接，通过多套伸缩杆(5)和铰链(6)组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台(7)和动平台(4)连接在一起；
所述转接钟罩的主体为一圆锥形中空结构，用于将所述并联多自由度运动平台和所述检测块连接到一起；
所述检测块为一底端为圆柱顶端为长方体的结构，用来与所述转接钟罩进行连接，并配合检测仪器对所述检测块进行末端定位检测；
所述主动补偿抑振系统工作时，通过所述多维力/力矩传感器(9)将振动模拟系统在多个自由度上产生的振动扰动的特征反应出来；再通过多维力/力矩传感器(9)检测到的力/力矩特性与振动模拟系统产生的振动之间的关系获得振动扰动在各自由度上分量的特性；控制所述并联多自由度运动平台对检测到的振动扰动做逆向补偿，即可抑制和消减振动的影响，将末端检测块的定位精度控制在许可的范围内。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述连接圆盘的直径与所述并联多自由度运动平台的静平台直径以及多维力觉检测系统的前后连接板的直径相同。
3.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述连接圆盘为中空结构；所述前连接板(8)和后连接板(10)具有相同的结构，其中心都开有减重圆孔。
4.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述多维力/力矩传感器(9)为一六维力/力矩传感器，所述并联多自由度运动平台为并联六自由度运动平台。
5.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述转接钟罩的底盘凸沿圆周上均匀开有多个铰制孔，所述铰制孔的位置与并联多自由度运动平台的动平台相对应，以与所述并联多自由度运动平台的动平台相连接。
6.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述转接钟罩的顶部为中心开圆形通孔的柱状结构，中心通孔的轴线垂直于所述转接钟罩的安装底面；所述转接钟罩沿顶部圆柱柱身均匀开有多个螺纹孔，用来安装顶丝，所述顶丝用于锁紧所述检测块。
7.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述检测块中，圆柱与长方体过渡区采用圆角过渡，以减小局部应力。
8.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，所述检测块的底部圆柱用于与所述转接钟罩连接，通过将圆柱插入所述转接钟罩顶端的圆形通孔中，再使用顶丝将检测块的圆柱锁紧来固定整个检测块。
9.根据权利要求1所述的基于力反馈的主动补偿抑振系统，其特征在于，在安装所述主动补偿抑振系统时：
首先，通过螺钉将所述力觉检测系统的后连接板(10)与长悬臂的连接圆盘进行固联；
然后，通过螺钉将并联多自由度运动平台的动平台与转接钟罩的安装底面进行固联；
然后，通过螺钉将并联多自由度运动平台的静平台与力觉检测系统的前连接板(8)进行固联；
最后，将检测块的连接圆柱插入转接钟罩前端的圆形通孔内，通过顶丝进行预连接构成所述主动补偿抑振系统。
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Also Published As
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