CN106625586B - 一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置及控制方法，包括柔性与刚性并联本体部分、运动位移检测部分、振动检测部分及振动控制部分，每根刚性杆和柔性杆设置单轴加速度传感器，每根柔性杆上粘贴压电驱动器，每个并联结构输出端安装双轴加速度传感器，用以检测并联机构输出端在水平方向上的振动信号，传感器检测信号通过运动控制卡输出到计算机中，运行算法得到控制信号，输出到压电驱动器及交流伺服电机中，控制并联机构的运动和振动。

Description

一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置及控制方法

技术领域

本发明涉及柔性振动检测控制领域，具体涉及一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置及控制方法。

背景技术

并联机构作为并联机器人理论研究和应用的基础，具备以下优点：

(1)精度高：从运动学的角度看,并联结构各运动链的布置可以限制这种误差的累积放大,使其更适合作为高精度机器人的执行机构；

(2)刚度大：较高的刚度才能保证机构具有较高的定位精度和良好的抗干扰性能。并联机构的运动平台通过多个运动链与机架联接，增加了整体结构刚度；

(3)结构紧凑：并联式结构可设计得更为紧凑，所占空间更小。小的机构本体尺寸意味着受到很小的惯性力及表面力影响；

(4)便于对称性的结构设计：因为对称性的结构设计便于补偿加工或温度变化等因素引起的误差，从而在整体上改进机构的精度。另外，对称性的结构也意味着加工简单，易于模块化；

(5)驱动装置固定：采用并联结构很容易将驱动装置放于机座上，减轻了运动构件的质量，从而减少了运动负载和系统惯性，改善了机构的动态性能，可获得较高的动力学精度；

(6)存在消极铰链：并联结构中消极铰链的存在可使机构变得结构紧凑、整体小型化；更重要的是可改善机构的受力情况，避免杆件的纵向弯曲。

因此，研究一种应用直线运动单元驱动、可直观地分析刚性构件与柔性构件各自的优缺点的刚性与柔性并联机构振动检测控制装置具有重要研究意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明提供一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置及控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置，包括柔性与刚性并联本体部分、运动位移检测部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述柔性与刚性并联本体部分：包括静平台、两个相互连接的柔性杆及两个相互连接的刚性杆，所述静平台平行设置两个直线运动单元，每个直线运动单元上设置滑块连接块；所述两个刚性杆及两个柔性杆对称设置，相邻的刚性杆及柔性杆通过滑块连接块连接；

所述运动位移检测部分，包括光栅尺位移传感器、四倍频及变相脉冲计数电路、运动控制卡及计算机，所述光栅尺位移传感器与直线运动单元平行设置在静平台上，检测直线运动单元的滑块信息传输到四倍频及变相脉冲计数电路，然后输出到运动控制卡，运动控制卡输出到计算机；

所述振动检测部分，包括单轴加速度传感器、双轴加速度传感器及A/D数据采集卡，刚性杆及柔性杆的几何中心位置分别设置单轴加速度传感器，所述双轴加速度传感器固定在两个刚性杆及两个柔性杆的连接处，单轴及双轴加速度传感器检测的振动信号传输到运动控制卡，进一步传输到计算机；

所述振动控制部分，包括压电驱动器、压电驱动放大电源及D/A转换卡，所述圧电驱动器粘贴在每根柔性杆上，计算机得到控制信号通过运动控制卡及D/A转换卡传输到压电驱动放大电源驱动压电驱动器。

所述直线运动单元包括导杆、滑块及交流伺服电机，所述交流伺服电机通过联轴器与导杆连接驱动滑块滑动，滑块通过滑块连接块带动刚性杆及柔性杆平移和转动，交流伺服电机通过电机伺服放大器及D/A转换卡接收计算机通过运动控制卡的输出信号。

压电驱动器由四片压电陶瓷片构成，双面粘贴，每面两片，并联连接，且关于柔性杆中心对称粘贴。

所述光栅尺位移传感器及四倍频及变相脉冲计数电路均为两个，所述光栅尺位移传感器平行设置在直线运动单元的外侧用于测量滑块的位移。

还包括折弯件，所述双轴加速度传感器通过折弯件安装在两个刚性杆及两个柔性杆的连接处。

所述两个直线运动单元之间的距离为500mm。

刚性杆的厚度尺寸大于柔性杆的厚度尺寸。

一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步 计算机将并联机构预定的轨迹信息通过运动控制卡及D/A转换卡传输到电机伺服放大器驱动滑块在导杆上滑动，带动刚性杆及柔性杆平移和转动；

第二步 光栅尺位移传感器检测直线运动单元上滑块的运动位移经过四倍频及变相脉冲计数电路处理后得到数字信号，传输到运动控制卡，然后输入到计算机进行算法处理；

第三步 双轴加速度传感器分别检测刚性杆及柔性杆输出端在水平方向上X、Y轴的加速度信息和振动信号，四个单轴加速度传感器分别检测刚性杆和柔性杆在水平方向上的加速度信息和振动信号，然后将检测信号经过A/D数据采集卡进行模数转换后，得到数字信号传输到固高运动控制器进行处理，然后输入到计算机进行算法处理，经过解算，得到相应的反馈控制信号；

第四步 计算机根据上述检测信号，根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，然后由运动控制卡的模拟量输出模块经过D/A转换卡转换为模拟信号后往外传输给电机伺服放大器，经过电机伺服放大器放大作用后，将振动控制信号输送至交流伺服电机，调节交流伺服电机的正反转向和转动速率，实现对并联机构输出端的实时振动主动控制；

第五步 根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，然后由运动控制卡的模拟量输出模块经过D/A转换卡转换为模拟信号后往外传输给压电驱动放大电源，经过压电驱动放大电源的放大作用后，将振动控制信号输送至压电驱动器，实现对柔性并联机构输出端的实时振动主动控制。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用直线运动单元作为驱动器驱动并联机构，直线运动单元结构简单、重量轻、响应速度快，可灵敏实现加速和减速，配以光栅尺传感器作为工作台的位置测量元件，定位精度高；

(2)本发明振动检测部分和控制部分均采用电气控制，相比气动控制回路来说，电气控制回路具有信号简单、控制对象少、控制逻辑简单、动态响应快等优点，模拟量为电流或者电压，对现场要求低并且对周围环境不会产生影响；

(3)本发明刚性与柔性并联机构输出端上安装双轴加速度传感器，可以检测并联机构输出端两个自由度的信息，对刚性与柔性并联机构输出端的动态特性分析和反馈控制提供很好的测量手段。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中直线运动单元及柔性与刚性并联本体部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1及图2所示，图1中静平台隐藏显示，一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置，包括

柔性与刚性并联本体部分，包括一个静平台、一个刚性并联结构和一个柔性并联结构，静平台由若干长度不一的铝型材和基板构成；所述刚性并联结构由刚性并联输出端和两个刚性并连分支构成，每个刚性并联分支由一个刚性杆构成，所述柔性并联结构由柔性并联输出端和两个柔性并联分支构成，每个柔性并联分支由一个柔性杆构成，两个刚性杆7、12及两个柔性杆4、11对称设置，相邻两个刚性杆及两个柔性杆采用转轴8连接，作为输出端。

相邻的刚性杆及柔性杆通过滑块连接块3连接，所述滑块连接块3通过销和螺纹与直线运动单元2连接，所述直线运动单元具体为两个，平行设置在静平台上，包括导杆、滑块及交流伺服电机，交流伺服电机通过联轴器与导杆连接，滑块与导杆相互连接，交流伺服电机13通过电机伺服放大器17及D/A转换卡18接收计算机20通过运动控制卡19的输出信号，电机伺服放大器17驱动伺服电机转动。

交流伺服电机驱动滑块在导杆上来回移动，从而带动刚性杆和柔性杆平移和转动，使刚性与柔性并联机构输出端按期望的轨迹和位置定位到具体目标位置；

本实施例采用的直线运动单元MISUMI公司生产的的单轴驱动器-LX45-标准型直线运动单元，型号为LX4520C-B1-A4538-590，行程为590mm，分别以相距500mm、互相平行的方式通过螺纹连接固定在静平台上。

本实施示例中，静平台的尺寸参数为1000×1000×600mm，其中，基板的尺寸参数为1000×1000×15mm，铝型材选用截面大小为80×80mm的，铝型材构成静平台长、宽、高的长度为840mm、840mm、500mm。刚性杆7的尺寸参数为300×12×25mm，采用铝合金材料，为使杆件表面绝缘，需要对其进行氧化处理；柔性杆4的尺寸参数为300×3×25mm，采用环氧树脂材料。刚性与柔性并联机构输出端设计为40×30×30mm，厚度为3mm的折弯件，采用铝合金材料，为使杆件表面绝缘，需要对其进行氧化处理。

运动位移检测部分，包括光栅尺位移传感器1、四倍频及变相脉冲计数电路15、运动控制卡19及计算机20，所述光栅尺位移传感器1与供电电压为+5V的直流电源连接，一共有两个，分别平行于两个直线运动单元，且位于其外侧固定在静平台上，光栅尺位移传感器的测量滑块与直线运动单元的滑块机械连接，光栅尺位移传感器检测到直线运动单元上滑块的位移数字脉冲信号传输到四倍频、变相脉冲计数电路，四倍频及变相脉冲计数电路可选用集成在运动控制卡上的，然后传输到计算机；

振动检测部分，包括单轴加速度传感器6、双轴加速度传感器10及A/D数据采集卡16，所述单轴加速度传感器6一共有四个，分别安装在刚性杆及柔性杆的几何中心位置，检测到每根刚性杆或者柔性杆的振动信号，所述双轴加速度传感器10通过折弯件9安装在两个柔性杆的转轴上及两个刚性杆的转轴。所述双轴加速度传感器通过螺纹连接固定在折弯件，折弯件通过螺纹固定在转轴8上。双轴加速度传感器检测到刚性与柔性并联机构输出端在水平方向上的振动信号传输到A/D数据采集卡，A/D数据采集卡16将每个单轴加速度传感器及双轴加速度传感器所检测到的信号传输给运动控制卡，运动控制卡与计算机相互连接。

振动控制部分，包括压电驱动器5、压电驱动放大电源14及D/A转换卡18，所述圧电驱动器粘贴在每根柔性杆上，计算机得到控制信号通过运动控制卡及D/A转换卡传输到压电驱动放大电源驱动压电驱动器。

压电驱动器由四片压电陶瓷片构成，固定在柔性杆的两端，双面粘贴，每面两片，并联连接，关于柔性杆中心对称，计算机运行算法运算得到的控制信号通过D/A转换传输给压电驱动放大电源，压电驱动放大电源驱动压电陶瓷片驱动器作用于柔性杆。

该并联机器人由刚性并联机构和柔性并联机构两部分组成；在刚性并联机构中，两条被动杆在厚度方向上的尺寸比较大，在柔性并联机构中，两条被动杆在厚度方向上的尺寸比较小，所以体现了柔性杆特性；直线运动单元驱动刚性杆和柔性杆运动时，并联机构输出端就会体现出振动特性。

本实施示例中，光栅尺位移传感器1选用威海三丰电子科技有限公司供应的型号为GBC-Q的光栅尺位移传感器，量程为700mm，栅距为0.02mm，输出两路相差90°的TTL方波信号；与该型号光栅尺位移传感器配套的数显表参数为：四倍频、允许输入TTL方波信号、允许输入信号频率大于1000kHz等；由于直线运动单元2以相距500mm、互相平行的方式设置在静平台上，因此本装置要求有两个2个相同的光栅尺位移传感器以及两套相互独立的四倍频及变相脉冲计数电路15；在运动位移检测部分中，运动控制卡9接收光栅尺位移传感器1所检测到的经过脉冲计数处理的信号，因此要求运动控制卡具有2路模拟量输入模块。

本实施示例中，单轴加速度传感器6可选用瑞士Kistler公司生产的型号为8310B2型低频电容式加速度传感器，重量约为17g，检测频率响应范围为0～250Hz，用于检测到刚性杆和柔性杆在水平方向上的加速度信息和振动信号，双轴加速度传感器10选用型号为CS-2LAS-01的X、Y轴双轴加速度计，外形尺寸为48mm×38mm×18mm，重量约为30g，模拟量输出方式为RS485V，数据输出格式为16位二进制补码，用于检测到刚性与柔性并联机构输出端在水平方向上X、Y轴的加速度信息和振动信号；A/D数据采集卡16对单轴加速度传感器6及双轴加速度传感器10所检测到的信号进行模数转换，因此要求A/D数据采集卡具有6路模拟量输入模块和6路模拟量输出模块，即可选用集成多通道A/D数据采集和D/A转换的固高运动控制卡；在振动检测部分中，运动控制卡接收单轴加速度传感器6及双轴加速度传感器10所检测到的经过模数转换后的信号，因此要求运动控制卡具有多路模拟量输入模块。

本实施示例中，压电驱动器5的实质为压电陶瓷片，几何尺寸为50×25×2mm。压电驱动放大电源14可选用天津市东文高压电源厂生产的DW-D201-100-AC型高压供电电源，放大器芯片型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器；在振动控制部分中，运动控制卡通过D/A转换卡18将控制信号传输给每根柔性杆4上的任一压电驱动器5。

本实施示例中，交流伺服电机13可选三菱伺服电机，型号为HC-KFS43，电机的伺服驱动器17为MR-J2S-40A，功率为400W，由于直线运动单元2以互相平行的方式设置在静平台上，因此本装置要求通过控制两台伺服电机来使刚性与柔性并联机构输出端达到预先设定的目的位置，而且运动控制卡通过电机伺服放大器和D/A转换卡将控制信号传输给伺服电机，即要求D/A转换卡具有2路模拟量输入模块和2路模拟量输出模块，而运动控制卡具有2路模拟量输出模块。

本实施示例一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置的控制方法，包括步骤：

第一步 伺服电机通过导杆驱动滑块沿着导轨滑动，从而驱动刚性杆和柔性杆平移和转动，并使得刚性与柔性并联机构输出端按期望的轨迹和位置定位到具体目标位置；

第二步 光栅尺位移传感器检测直线运动单元上滑块的运动位移，然后将检测信号经过四倍频、变相脉冲计数电路进行脉冲计数处理后，得到数字信号传输到固高运动控制器进行处理，然后输入到计算机进行算法处理；

第三步 双轴加速度传感器分别检测刚性与柔性并联机构输出端在水平方向上X、Y轴的加速度信息和振动信号，四个单轴加速度传感器分别检测刚性杆和柔性杆在水平方向上的加速度信息和振动信号，然后将检测信号经过A/D数据采集卡进行模数转换后，得到数字信号传输到固高运动控制器进行处理，然后输入到计算机进行算法处理，经过解算，得到相应的反馈控制信号；

第四步 计算机根据上述检测信号，根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，然后由运动控制卡的模拟量输出模块经过D/A转换卡转换为模拟信号后往外传输给电机伺服放大器，经过电机伺服放大器放大作用后，将振动控制信号输送至伺服电机，调节伺服电机的正反转向和转动速率，从而控制滑块沿着导轨运动状态，减少刚性与柔性并联机构输出端运动引起的振动，实现对并联机构输出端的实时振动主动控制；

第五步 根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，然后由固高运动控制器的模拟量输出模块经过D/A转换卡转换为模拟信号后往外传输给压电驱动放大电源，经过压电驱动放大电源的放大作用后，将振动控制信号输送至压电驱动器，对柔性杆产生控制力作用，抵消柔性并联机构输出端的振动，实现对柔性并联机构输出端的实时振动主动控制。

本实施示例中，根据以上装置的振动监测控制方法，D/A转换卡具有多路模拟量输入模块，因此固高运动控制器选用固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，该运动控制器具有8轴资源通道(各轴信号带有1路模拟量输出，增量式编码器输入，电机控制输出及报警复位功能)，光耦隔离通用数字信号输入和输出各有16路，4路四倍频增量式辅助编码器输入，8路A/D模拟量采样输入，模拟量输入输出的电压范围是：-10V～+10V。计算机选用CPU型号I7的计算机。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于直线运动单元驱动的并联机构装置，其特征在于，包括柔性与刚性并联本体部分、运动位移检测部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述柔性与刚性并联本体部分：包括静平台、两个相互连接的柔性杆及两个相互连接的刚性杆，所述静平台上平行设置两个直线运动单元，每个直线运动单元上设置滑块连接块；所述两个刚性杆及两个柔性杆对称设置，相邻的刚性杆及柔性杆通过滑块连接块连接；

所述运动位移检测部分，包括光栅尺位移传感器、四倍频及变相脉冲计数电路、运动控制卡及计算机，所述光栅尺位移传感器与直线运动单元平行设置在静平台上，检测直线运动单元的滑块信息传输到四倍频及变相脉冲计数电路，然后输出到运动控制卡，运动控制卡输出到计算机；

所述振动检测部分，包括单轴加速度传感器、双轴加速度传感器及 A/D数据采集卡，刚性杆及柔性杆的几何中心位置设置单轴加速度传感器，所述双轴加速度传感器固定在两个刚性杆及两个柔性杆的连接处，单轴及双轴加速度传感器检测的振动信号传输到运动控制卡，进一步传输到计算机；

所述振动控制部分，包括压电驱动器、压电驱动放大电源及D/A转换卡，所述压电驱动器粘贴在每根柔性杆上，计算机得到控制信号通过运动控制卡及D/A转换卡传输到压电驱动放大电源驱动压电驱动器；

所述运动控制卡具有多路模拟量输入模块。

2.根据权利要求1所述的并联机构装置，其特征在于，所述直线运动单元包括导杆、滑块及交流伺服电机，所述交流伺服电机通过联轴器与导杆连接驱动滑块滑动，滑块通过滑块连接块带动刚性杆及柔性杆平移和转动，交流伺服电机通过电机伺服放大器及D/A转换卡接收计算机通过运动控制卡的输出信号。

3.根据权利要求1所述的并联机构装置，其特征在于，压电驱动器由四片压电陶瓷片构成，双面粘贴，每面两片，并联连接，且关于柔性杆中心对称粘贴。

4.根据权利要求1所述的并联机构装置，其特征在于， 所述光栅尺位移传感器及四倍频及变相脉冲计数电路均为两个，所述光栅尺位移传感器平行设置在直线运动单元的外侧用于测量滑块的位移。

5.根据权利要求1所述的并联机构装置，其特征在于，还包括折弯件，所述双轴加速度传感器通过折弯件安装在两个刚性杆及两个柔性杆的连接处。

6.根据权利要求1所述的并联机构装置，其特征在于，所述两个直线运动单元之间的距离为500mm。

7.根据权利要求1所述的并联机构装置，其特征在于，刚性杆的厚度尺寸大于柔性杆的厚度尺寸。

8.根据权利要求2所述的并联机构装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步 计算机将并联机构预定的轨迹信息通过运动控制卡及D/A转换卡传输到电机伺服放大器驱动滑块在导杆上滑动，带动刚性杆及柔性杆平移和转动；

第二步 光栅尺位移传感器检测直线运动单元上滑块的运动位移经过四倍频及变相脉冲计数电路处理后得到数字信号，传输到运动控制卡，然后输入到计算机进行算法处理；

第三步 双轴加速度传感器分别检测刚性杆及柔性杆输出端在水平方向上X、Y轴的加速度信息和振动信号，四个单轴加速度传感器分别检测刚性杆和柔性杆在水平方向上的加速度信息和振动信号，然后将检测信号经过A/D数据采集卡进行模数转换后得到数字信号，将所述数字信号传输至运动控制卡进行处理，然后输入到计算机进行算法处理，经过解算，得到相应的反馈控制信号；

第四步计算机根据上述检测信号，根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，然后由运动控制卡的模拟量输出模块经过D/A转换卡转换为模拟信号后往外传输给电机伺服放大器，经过电机伺服放大器放大作用后，将振动控制信号输送至交流伺服电机，调节交流伺服电机的正反转向和转动速率，实现对并联机构输出端的实时振动主动控制；

第五步根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，然后由运动控制卡的模拟量输出模块经过D/A转换卡转换为模拟信号后往外传输给压电驱动放大电源，经过压电驱动放大电源的放大作用后，将振动控制信号输送至压电驱动器，实现对柔性并联机构输出端的实时振动主动控制。

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