CN106054806B - 一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统与方法，该系统包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；所述控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块等组成；整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。本发明控制系统与方法所涉及的数据处理模块只需简单的解算就可以获取动平台末端的位姿，实时性好，同时还提高了平面并联机构的末端轨迹跟踪精度，为平面并联机构实现亚微米级别定位精度提供了条件。

Description

一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统与 方法
技术领域
本发明涉及平面并联机构末端位置测量与跟踪控制，具体涉及一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统与方法。
背景技术
现有技术中的并联机构具有结构刚度大、承载能力强、定位精度高等优点。尤其是近些年迅速发展的宏微双重并联平台，涉及精密制造和精微操作中的精密定位技术，分辨率、定位精度和重复定位精度可以达到亚微米至纳米，广泛应用于微操作机器人、生物医学、精密加工等领域。目前对于大部分并联机构而言，为了满足快速响应和高定位精度的要求，一般执行元件采用交流或者直流伺服电机，反馈元件采用编码器，这样伺服驱动器、伺服电机与编码器组成一个局部的闭环。工作时，安装在伺服电机轴上的脉冲编码器将测得的数据流转换为数字脉冲的位移反馈给伺服驱动器，伺服驱动器通过相应的控制算法，为伺服电机提供控制电压，以驱动电机向误差减小的方向转动。这种半闭环控制系统的缺点在于：反馈信号来源于伺服电机后的编码器，其只能保证电机输入准确；而在实际应用当中，加工误差、装配误差、关节间隙、摩擦、弹性变形等各种不确定性因素广泛存在，这使得尽管电机输入准确，但传递到动平台末端后，会引入上述误差，使平台存在位姿误差，定位精度不高。
为了解决上述问题，可以采用全闭环控制方法，即在动平台末端安装一个高精度的位置反馈元件，获取经过传动链后动平台末端的实际位姿。目前已有的两种方案中，分别使用工业相机和激光位移传感器作为位置反馈元件；对于使用工业相机，其测量精度不高，且图像处理过程繁琐，耗时长，不利于并联机器人的实时跟踪控制；对于使用激光位移传感器，则至少需要三个激光位移传感器才能解算出动平台末端的位姿，这对激光位移传感器的安装精度要求较高，解算过程相当繁琐，所得位姿精度不高。
发明内容
针对当前获取平面并联机构末端位姿方法中出现的不足，本发明提供了一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统与方法。本发明使用二维编码器作为位置反馈元件，测量并反馈动平台末端位姿，实现了平面并联机构的全闭环控制，同时提高了平面并联机构的末端轨迹跟踪精度，为平面并联机构实现亚微米级别定位精度提供了条件，解决了现有技术存在的上述问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；
所述的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头和b读数头、二维光栅板夹具中的二维光栅板、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头和b读数头固定在平面并联机构动平台反面连接的支撑架上，装有二维光栅板的二维光栅板夹具固定在平面并联机构动平台下方的静平台上；两者的测量中心所在的平面平行于静平台，a读数头和b读数头的测量中心以及动平台中心定位孔O′1，在静平台上的投影共线且a读数头和b读数头等距的分布在动平台中心两侧；
所述的机构回零装置，包括设置于静平台上的三个光电开关、伺服电机驱动杆上的三个遮光片，以及激光跟踪仪；
所述的控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块等组成；
整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。
本发明所述一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，其特征还在于：
所述安装于静平台上的平面并联机构为平面并联机构中任意一种，如平面3-RRR，或为平面4-RRR，或为平面3-PRR等。
本发明用于一种基于二维编码器的平面并联机构跟踪控制系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
一，平面并联机构回零步骤
对于平面并联机构，其初始位姿的精准度直接影响平面并联机构的定位精度；为了实现对平面并联机构的精密控制，首先要让平面并联机构精确回零位：
第一步：通过二维光栅板夹具上的a、b、c三个定位孔建立坐标系1：以b定位孔为坐标原点，a定位孔和b定位孔所在的直线为x轴；静平台坐标系与坐标系1存在一个平移关系，只需将坐标系1沿y轴平移一定距离即可得到，随后将静平台坐标系设置为工作坐标系；
第二步：分别测量平面并联机构动平台上的两个定位孔O′1与O′2的位置，并测得O′1与O′2的坐标分别为(x′1,y′1)和(x′2,y′2)；将这两坐标输入到控制装置，通过控制装置去调整动平台末端，然后再次测量O′1与O′2的坐标；如此反复调整，直到O′1的坐标为(0,0)，且O′2的坐标为(0,y3)；通过计算机读取电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1,a2和a3；
第三步：通过控制装置中的触发光电开关模块，使每个驱动杆上的遮光片恰好触发对应的光电开关，通过计算机读取此时电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1′,a2′和a3′；
通过上述步骤，平面并联机构处于零位时电机编码器读数与触发光电开关时电机编码器读数之差为ai-ai′，其中i＝1,2,3；故平面并联机构回零位的过程为：通过控制装置中的触发光电开关模块，使每个驱动杆上的遮光片恰好触发对应的光电开关；然后通过控制装置中的伺服电机控制模块驱动电机，使电机i的编码器读数增加(ai-ai′)，此时平面并联机构便处于零位；
二，平面并联机构跟踪测量反馈控制步骤
第一步：平面并联机构回零之后，将二维编码器以及伺服电机的光电编码器读数均置零；
第二步：二维编码器的a读数头和b读数头每隔固定时间进行采样，坐标信号经过二维编码器细分接口细分后，再通过运动控制器的编码器反馈信号接口反馈到计算机，计算机运行相应的数据处理模块，获得动平台末端位姿；其中数据处理模块如下：
设二维编码器的a读数头反馈回来的数据坐标为(xr,yr),二维编码器的b读数头反馈回来的数据坐标为(xl,yl)；由于安装的时候保证了二维光栅板的坐标系与静平台坐标系相同，现假设动平台的实际位置Oreal，则动平台末端的实际姿态角θ为：
第三步：将实际位置与期望位置作差产生偏差信号，偏差信号通过相应的控制算法得到控制信号，控制信号通过电机放大器接口传输到伺服驱动器，伺服电机接收到伺服电机驱动器传输的驱动信号后，伺服电机带驱动杆旋转，从而使动平台末端运动到期望位姿。
本发明基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统与方法，使用二维编码器作为位置反馈元件，测量并反馈动平台末端位姿，实现了平面并联机构的全闭环控制，对提高平面并联机构的定位精度和跟踪精度有显著作用；该控制装置与方法只需简单的解算就可以获取动平台末端的位姿，实时性好，且测量精度高达2μm，为平面并联机构实现亚微米级别定位精度提供了条件。
附图说明
图1—图4是本发明基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统结构示意图；
图5是本发明基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统的原理图；
图6是本发明动平台末端位姿解算图。
图中，1.伺服电机，2.驱动杆，3.定位孔O′2，4.中心定位孔O′1，5.动平台，6.a读数头，7.支撑架，8.静平台，9.遮光片，10.光电开关，11.a定位孔，12.b定位孔，13.c定位孔，14.二维光栅板夹具，15.二维光栅板，16.b读数头，17.从动杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，如图1-5所示，包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置。
本发明的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头6和b读数头16、二维光栅板夹具14中的二维光栅板15、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头6和b读数头16固定在平面并联机构动平台5反面连接的支撑架7上，装有二维光栅板15的二维光栅板夹具14固定在平面并联机构动平台5下方的静平台8上；两者的测量中心所在的平面平行于静平台8，a读数头6和b读数头16的测量中心以及动平台5中心定位孔O′14，在静平台上的投影共线且a读数头6和b读数头16等距的分布在动平台中心两侧，如图6所示。
本发明的机构回零装置，包括设置于静平台8上的三个光电开关10、伺服电机1驱动杆2上的三个遮光片9，以及激光跟踪仪；
所述的控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构本发明定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块等组成；
整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。
本发明安装于静平台上的平面并联机构为平面并联机构中任意一种，如平面3-RRR，或为平面4-RRR，或为平面3-PRR等。
本发明用于一种基于二维编码器的平面并联机构跟踪控制系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
一，平面并联机构回零步骤
对于平面并联机构，其初始位姿的精准度直接影响平面并联机构的定位精度；为了实现对平面并联机构的精密控制，首先要让平面并联机构精确回零位：
第一步：通过二维光栅板夹具14上的a、b、c三个定位孔11、12和13，建立坐标系1：以b定位孔12为坐标原点，a定位孔11和b定位孔12所在的直线为x轴；静平台坐标系与坐标系1存在一个平移关系，只需将坐标系1沿y轴平移一定距离即可得到，随后将静平台坐标系设置为工作坐标系；
第二步：分别测量平面并联机构动平台5上的定位孔O′1 4与定位孔O′2 3的之间位置，并测得定位孔O′1 4与定位孔O′2 3的坐标分别为(x′1,y′1)和(x′2,y′2)；将这两个定位孔坐标输入到控制装置，通过控制装置去调整动平台末端，然后再次测量定位孔O′1 4与定位孔O′2 3的坐标；如此反复调整，直到定位孔O′1 4的坐标为(0,0)且定位孔O′2 3的坐标为(0,y3)；通过计算机读取电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1,a2和a3；
第三步：通过控制装置中的触发光电开关模块，使每个驱动杆2上的遮光片9恰好触发对应的光电开关10，通过计算机读取此时电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1′,a2′和a3′。
通过上述步骤，平面并联机构处于零位时电机编码器读数与触发光电开关时电机编码器读数之差为ai-ai′，其中i＝1,2,3；故平面并联机构回零位的过程为：通过控制装置中的触发光电开关模块，使每个驱动杆17上的遮光片9恰好触发对应的光电开关10；然后通过控制装置中的伺服电机控制模块驱动伺服电机1，使伺服电机i的编码器读数增加(ai-ai′)，此时平面并联机构便处于零位；
二，平面并联机构跟踪测量反馈控制步骤
第一步：平面并联机构回零之后，将二维编码器以及伺服电机1的光电编码器读数均置零；
第二步：二维编码器的a读数头6和b读数头16每隔固定时间进行采样，坐标信号经过二维编码器细分接口细分后，再通过运动控制器的编码器反馈信号接口反馈到计算机，计算机运行相应的数据处理模块，获得动平台末端位姿；其中数据处理模块如下：
设二维编码器的a读数头6反馈回来的数据坐标为(xr,yr),二维编码器的b读数头16反馈回来的数据坐标为(xl,yl)；由于安装的时候保证了二维光栅板的坐标系与静平台坐标系相同，现假设动平台的实际位置Oreal，则动平台末端的实际姿态角θ为：
第三步：将实际位置与期望位置作差产生偏差信号，偏差信号通过相应的控制算法得到控制信号，控制信号通过电机放大器接口传输到伺服驱动器，伺服电机1接收到伺服电机驱动器传输的驱动信号后，伺服电机1带驱动杆2旋转，从而使动平台末端运动到期望位姿。
在本发明实施例中，安装于静平台上的平面并联机构为平面3-RRR并联机构，静平台8上的三个伺服电机1安装孔轴心构成了一个等边三角形，该等边三角形的外接圆半径为400mm；动平台5的三个转轴中心构成了一个等边三角形，该等边三角形的外接圆半径为112mm；从动杆17的理论长度为242mm,驱动杆2的理论长度为245mm，所有构件均为铝合金，表面阳极氧化处理。
二维编码器选用的德国海德汉公司生产的型号PP281R二维增量式编码器，工作温度在0℃至50℃，测量范围是68mm×68mm，测量时其运动速度不大于72m/min，测量精度是±2μm；其输出的是峰值为1v的正弦信号。
伺服电机1选用的是安川伺服电机SGM7A-15ADA61，24位编码器可提供足够精确的位置反馈，4.9N.m的额定转矩与1.5kw的额定功率足以完成平台的高速高加速运动的驱动。运动控制卡选用的美国GALIL公司生产的型号为DMC-1886PCI总线运动控制卡，该控制器采用32位RISC结构高速DSP作为中央处理器，实现8个坐标轴的PTP定位、位置跟踪、JOG、直线/圆弧插补、螺旋线插补等；该控制器由于采用高速RISC结构DSP作为核心处理器，处理速度得到大大提升。采样速率高达24μs/轴(快速模式)，命令执行周期为40μs/每条命令，反馈速率22MHz，步进输出脉冲速率6MHz；用户程序存储空间2000行*80字符，可存储510个用户变量和16000个数组元素；总线宽度为32位且与64位相兼容，从而极大限度地满足了高速高精密加工领域对运动控制器提出的新要求。
上述实施方式只是本发明的一个实例，不是用来限制发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (3)

1.一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，其特征在于：包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；
所述的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)、二维光栅板夹具(14)中的二维光栅板(15)、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)固定在平面并联机构动平台(5)反面连接的支撑架(7)上，装有二维光栅板(15)的二维光栅板夹具(14)固定在平面并联机构动平台(5)下方的静平台(8)上；a读数头(6)和b读数头(16)的测量中心所在的平面平行于静平台(8)，平面并联机构动平台(5)上设置有中心定位孔O′1(4)和定位孔O′2(3)，a读数头(6)和b读数头(16)的测量中心以及动平台(5)中心定位孔O′1(4)，在静平台上的投影共线且a读数头(6)和b读数头(16)等距的分布在动平台中心两侧；
所述的机构回零装置，包括设置于静平台(8)上的三个光电开关(10)、伺服电机(1)驱动杆(2)上的三个遮光片(9)，以及激光跟踪仪；
所述的控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块组成；
整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。
2.根据权利要求1所述一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，其特征在于：所述安装于静平台上的平面并联机构为平面并联机构中任意一种，为平面3-RRR，或为平面4-RRR，或为平面3-PRR。
3.一种用于权利要求1所述一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
一，平面并联机构回零步骤
对于平面并联机构，其初始位姿的精准度直接影响平面并联机构的定位精度；为了实现对平面并联机构的精密控制，首先要让平面并联机构精确回零位：
第一步：通过二维光栅板夹具(14)上的a定位孔(11)、b定位孔(12)、c定位孔(13)，建立坐标系1：以b定位孔(12)为坐标原点，a定位孔(11)和b定位孔(12)所在的直线为x轴；静平台坐标系与坐标系1存在一个平移关系，只需将坐标系1沿y轴平移一定距离即可得到，随后将静平台坐标系设置为工作坐标系；
第二步：分别测量平面并联机构动平台上的两个定位孔O′1(4)与O′2(3)的位置，并测得O′1(4)与O′2(3)的坐标分别为(x′1,y′1)和(x′2,y′2)；将这两坐标输入到控制装置，通过控制装置去调整动平台末端，然后再次测量O′1(4)与O′2(3)的坐标；如此反复调整，直到O′1(4)的坐标为(0,0)且O′2(3)的坐标为(0,y3)；通过计算机读取电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1,a2和a3；
第三步：通过控制装置中的触发光电开关模块，使每个驱动杆(2)上的遮光片(9)恰好触发对应的光电开关(10)，通过计算机读取此时电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1′,a2′和a3′；
通过上述步骤，平面并联机构处于零位时电机编码器读数与触发光电开关时电机编码器读数之差为ai-ai′，其中i＝1,2,3；故平面并联机构回零位的过程为：通过控制装置中的触发光电开关模块，使每个驱动杆上的遮光片恰好触发对应的光电开关；然后通过控制装置中的伺服电机控制模块驱动电机，使电机i的编码器读数增加ai-ai′，此时平面并联机构便处于零位；
二，平面并联机构跟踪测量反馈控制步骤
第一步：平面并联机构回零之后，将二维编码器以及伺服电机(1)的光电编码器读数均置零；
第二步：二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)每隔固定时间进行采样，坐标信号经过二维编码器细分接口细分后，再通过运动控制器的编码器反馈信号接口反馈到计算机，计算机运行相应的数据处理模块，获得动平台末端位姿；其中数据处理模块如下：
设二维编码器的a读数头(6)反馈回来的数据坐标为(xr,yr),二维编码器的b读数头(16)反馈回来的数据坐标为(xl,yl)；由于安装的时候保证了二维光栅板的坐标系与静平台坐标系相同，现假设动平台的实际位置Oreal，则动平台末端的实际姿态角θ为：
第三步：将实际位置与期望位置作差产生偏差信号，偏差信号通过相应的控制算法得到控制信号，控制信号通过电机放大器接口传输到伺服驱动器，伺服电机(1)接收到伺服驱动器传输的驱动信号后，伺服电机(1)带驱动杆(2)旋转，从而使动平台末端运动到期望位姿。
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