CN106707962A - 时变温度场中快插机构热变形误差补偿法 - Google Patents

Abstract

一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其包括步骤：计算与该快插机构相关的一个理论六分量矩阵；获得与该快插机构相关的一个真实六分量矩阵；比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到一个误差修正量；以及根据该误差修正量，对该快插机构因热变形引起的误差进行补偿，以能够提高该快插机构在参与飞行器模型的风洞试验时的试验的可靠性和试验精度。另外，该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法的算法易于实现，可靠性强，应用范围广，能够被广泛地应用于诸如并联机床、飞行器模型、风洞试验模型、空间对接设备等国防重点领域中。

Description

时变温度场中快插机构热变形误差补偿法

技术领域

本发明涉及一种时变温度场快插机构热变形的误差补偿方法，属于高超声速风洞试验领域，特别涉及一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其中该快插机构热变形误差补偿方法能够保证飞行器模型在高超声速风洞试验中的试验精确度。

背景技术

高超声速飞行器具有三维空间机动能力强、再入后续航能力强等显著优势，能适应各种复杂多变的飞行弹道，执行各种快速打击任务，具有较高的突防成功率，能够有效制约反导系统功能的发挥。高超声速飞行器的飞行性能卓越，但其气动布局设计却面临着极大的挑战：高超声速飞行器进入大气层或高超声速巡航导弹飞行时，飞行器在极速气流中会产生静态/动态气动载荷作用以及热反应，不利于飞行器的实际飞行。开展高超声速飞行器气动热试验，对飞行器设计有着十分重大的实践意义。为了能够解决这些问题，就需要对风洞实验中快速送进机构的热变形误差进行补偿。

目前，介绍动态风洞试验(或风洞虚拟飞行试验)基于热变形的误差补偿方法文献较多，包含多元线性回归法等方法，主要应用于数控机床和低速风洞试验。

例如有人提到，热变形误差是影响机床加工精度的重要因素之一,通过实时热变形误差补偿可以提高数控机床加工精度。在分析产生机床热误差的原理的基础上,探讨了热误差的测量方法,利用多元线性回归方法建立了机床热变形与温升之间的数学模型。应用数控系统的PLC补偿功能,对XH178加工中心加工过程中的热误差进行了实时补偿。实验结果表明误差补偿量达到80％以上。例如有人提到，对数控机床的主要部件进行实时多点温度采集，采集硬件电路主要包括：温度传感器，放大滤波，A/D转换，下位机控制，串口通信等功能；采集通道数>＝4，采集温度精度：0.5度，温度范围：0～40度。上位机对采集的温度数据进行受热分析，并显示温度随时间的变化趋势，并对加工的热变形误差进行计算和补偿。例如有人提到，通过实时补偿热误差提高数控机床加工精度的方法。采用一维球列加快和简化了热误差的测量，利用多元线性回归方法建立了热误差与温度的数学模型，在外部微机的帮助下，可在加工过程中实时补偿热误差，切削实验表明补偿效果良好。目前，国内尚未在高超声速风洞开展动态风洞试验，国外也未见相关文献报道。

在高超声速风洞流场中，不同于数控机床上的环境，试验时试验段内部是随时间空间急剧变化的高动态温度场。从而，在数控机床上的热变形误差补偿方法不能满足高超声速飞行器动态风洞试验的要求。因此，本发明提供一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其中该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法能够保证飞行器模型在高超声速风洞试验中的试验精确度。

为了达到上述目的，本发明提供一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其中该时变温度场快插机构误差补偿方法包括如下步骤：

步骤一：计算与该快插机构相关的一个理论六分量矩阵；

步骤二：获得与该快插机构相关的一个真实六分量矩阵；

步骤三：比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到一个误差修正量；以及

步骤四：根据该误差修正量，对该快插机构因热变形引起的误差进行补偿。

作为对本发明的该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法的进一步优选的实施例，该步骤二在该步骤一之前，以先获得与该快插机构相关的该真实六分量矩阵，然后再计算与该快插机构相关的该理论六分量矩阵，从而在后续通过比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到该误差修正量。

作为对本发明的该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法的进一步优选的实施例，在该步骤二中进一步包括步骤：

建立与该快插机构相关的一个机构模型；

根据该机构模型建立一个坐标系；以及

根据该机构模型的各个机构在坐标系的具体位置，进行矩阵变化，以得到与该快插机构相关的该真实六分量矩阵。

本发明的该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法的优势在于：

该发明提供一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其中该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法包括步骤：计算与该快插机构相关的一个理论六分量矩阵；获得与该快插机构相关的一个真实六分量矩阵；比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到一个误差修正量；以及根据该误差修正量，对该快插机构因热变形引起的误差进行补偿，以能够提高该快插机构在参与飞行器模型的风洞试验时的试验的可靠性和试验精度。另外，该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法的算法易于实现，可靠性强，应用范围广，能够被广泛地应用于诸如并联机床、飞行器模型、风洞试验模型、空间对接设备等国防重点领域中。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是该快插机构的示意图。

图2是该快插机构的在Y向的简图。

图3是该快插机构的在Y向的坐标简图。

图4是该快插机构热变形误差补偿方法的流程图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图4，依据本发明的发明精神提供时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，以对该快插机构在参与风洞试验时因为受热变形而导致的误差进行补偿，从而确保藉由该快插机构参与的飞行器模型在风洞试验中的精确度和可靠性。

如图1和图2，该快插机构的一个尾支杆1和一个角度调节板2通过预留的键孔用键压紧连接，该角度调节板2和一个角度盘3通过螺钉连接，该角度盘3和一个Y向滑板4通过一个六角头螺栓连接，该Y向滑板4通过一个滑块安装在导轨上，并且在该Y向滑板4的上下两个安装面分别固定有两个直线电机5的次级部件，该Y向滑板4上的两个安装面的两组该直线电机5的次级部件分别对应安装两组直线电机5的初级部件。

如图3所示，基于D-H法(坐标系后置)建立各连杆的坐标系如下，其中基坐标系为{O₀-X₀Y₀Z₀}，它与风洞坐标系重合，即O₀X₀与来流方向重合，方向相反；O₀Y₀铅垂向上；O₀Z₀垂直于O₀X₀Y₀平面，依照螺旋定则确定。该尾支杆1坐标系{O₁}先沿着Z0轴移动lz0mm、Y0轴移动ly0mm、X0轴移动-lx0mm，再绕Z0轴旋转90°、绕X0轴旋转-90°。该角度调节板2坐标系{O₂}先沿着Z₁轴移动l_z1mm、Y₁轴移动l_y1mm、X₁轴移动l_x1mm，再绕Z₁轴旋转90°、绕X₁轴旋转-90°。该角度盘3{O₃}先沿着Z₂轴移动l_z2mm、Y₂轴移动l_y2mm、X₂轴移动l_x2mm，再绕Z₂轴旋转90°、绕X₂轴旋转90°。该Y向滑板4{O₄}先沿着Z₃轴移动l_z3mm、Y₃轴移动l_y3mm、X₃轴移动l_x3mm，再绕Z₃轴旋转90°、绕X₃轴旋转90°。该直线电机5坐标系{O_P}沿着Z₄轴移动l_z4mm。

由图3所示，所建立的机构模型为固联坐标系前置模型，其变换组合为：

那么，该直线电机5相对风洞坐标系的坐标变换矩阵为：

对矩阵求关于d_x、d_y、α、d₁、d₂、l_x0、l_y0、l_z0、l_x1、l_y1、l_z1、l_x2、l_y2、l_z2、l_x3、l_y3、l_z3、l_z4等18个参数求全微分，再作近似处理，即sin(Δα)≈Δα,cos(Δα)≈1，便可求出该直线电机5在引入了Δd_x,Δd_y,Δα,Δd₁,Δd₂,Δl_x0,Δl_y0,Δl_z0,Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1,Δl_x2,Δl_y2,Δl_z2,Δl_x3,Δl_y3,Δl_z3,Δl_z4等微量后，相对风洞坐标系的位置误差量。

最后，将计算出的位置误差量输入控制程序作些处理进行误差补偿。

末端位姿由于热变形引起的变化为：x方向位姿变化Sx，y方向位姿变化Sy，z方向位姿变化Sz，与x轴的角度变化θx，与y轴的角度变化θy，与z轴的角度变化θz。末端位姿变化为：

[Sx,Sy,Sz,θx，θy，θz][坐标变换逆矩阵]＝真实六分量矩阵

真实六分量矩阵—理论六分量矩阵＝误差修正量。

换句话说，本发明的该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法包括以下步骤：

步骤一：建立机构模型；

步骤二：建立坐标系；

步骤三：矩阵变化；以及

步骤四：误差补偿。

具体地说，在步骤一中，该快插机构的该尾支杆1和该角度调节板2通过预留的键孔用键压紧连接，该角度调节板2和该角度盘3通过螺钉连接，该角度盘3和该Y向滑板4通过该六角头螺栓连接，该Y向滑板4通过该滑块安装在该导轨上，并且在该Y向滑板4的上下两个安装面分别固定有两个该直线电机5的次级部件，该Y向滑板4上的两个安装面的两组该直线电机5的次级部件分别对应安装两组直线电机5的初级部件，正如图1和图2示出的那样。

在步骤二中，基于D-H法(坐标系后置)建立各连杆的坐标系如下，其中基坐标系为{O₀-X₀Y₀Z₀}，它与风洞坐标系重合，即O₀X₀与来流方向重合，方向相反；O₀Y₀铅垂向上；O₀Z₀垂直于O₀X₀Y₀平面，依照螺旋定则确定。

其中，件1坐标系{O₁}

{O₁}坐标的方向如图3所示。坐标系{O₁}先沿着Z0轴移动lz0mm、Y0轴移动ly0mm、X0轴移动-lx0mm，再绕Z0轴旋转90°、绕X0轴旋转-90°。{O₁}和{O₀}的转换关系如下：

A₁＝T(Z₀,l_z0)T(Y₀,l_y0)T(X₀,-l_x0)R(Z₀,90°)R(X₀,-90°)

件2坐标系{O₂}

{O₂}坐标的方向如图3所示。坐标系{O₂}先沿着Z₁轴移动l_z1mm、Y₁轴移动l_y1mm、X₁轴移动l_x1mm，再绕Z₁轴旋转90°、绕X₁轴旋转-90°。{O₂}和{O₁}的转换关系如下：

A₂＝T(Z₁,l_z1)T(Y₁,l_y1)T(X₁,l_x1)R(Z₁,90°)R(X₁,-90°)

件3坐标系{O₃}

{O₃}坐标的方向如图3所示。{O₃}先沿着Z₂轴移动l_z2mm、Y₂轴移动l_y2mm、X₂轴移动l_x2mm，再绕Z₂轴旋转90°、绕X₂轴旋转90°。{O₃}和{O₂}的转换关系如下：

A₃＝T(Z₂,l_z2)T(Y₂,l_y2)T(X₂,l_x2)R(Z₂,90°)R(X₂,90°)

杆4坐标系{O₄}

{O₄}坐标的方向如图3所示。{O₄}先沿着Z₃轴移动l_z3mm、Y₃轴移动l_y3mm、X₃轴移动l_x3mm，再绕Z₃轴旋转90°、绕X₃轴旋转90°。

{O₄}和{O₃}的转换关系如下：

A₃＝T(Z₃,l_z3)T(Y₃,l_y3)T(X₃,l_x3)R(Z₃,90°)R(X₃,90°)

执行器5坐标系{O_P}

{O_P}坐标的方向如图3所示。坐标系{O_P}沿着Z₄轴移动l_z4mm。{O_P}和{O₄}的转换关系如下：

A₅＝T(Z₄,l_z4)

根据图3试验装置方案图尺寸参数，确定构件参数如下：

表1构件参数

在步骤三中，由图3可知，所建立的机构模型为固联坐标系前置模型，其变换组合为：

由(1)式可得：

那么，执行器P相对风洞坐标系的坐标变换矩阵为：

在步骤四中，对矩阵求关于d_x、d_y、α、d₁、d₂、l_x0、l_y0、l_z0、l_x1、l_y1、l_z1、l_x2、l_y2、l_z2、l_x3、l_y3、l_z3、l_z4等18个参数求全微分(考虑坐标标定误差及弯曲变形和扭曲变形)，即为：

再作近似处理，即sin(Δα)≈Δα,cos(Δα)≈1，便可求出执行器P在引入了Δd_x,Δd_y,Δα,Δd₁,Δd₂,Δl_x0,Δl_y0,Δl_z0,Δl_x1,Δl_y1,Δl_z1,Δl_x2,Δl_y2,Δl_z2,Δl_x3,Δl_y3,Δl_z3,Δl_z4等微量后，相对风洞坐标系的位置误差量，见式(4)。

最后，将计算出的位置误差量输入控制程序作些处理进行误差补偿。

末端位姿由于热变形引起的变化为：x方向位姿变化Sx，y方向位姿变化Sy，z方向位姿变化Sz，与x轴的角度变化θx，与y轴的角度变化θy，与z轴的角度变化θz。

末端位姿变化为：

[Sx,Sy,Sz,θx，θy，θz][坐标变换逆矩阵]＝真实六分量矩阵

真实六分量矩阵—理论六分量矩阵＝误差修正量。

如图4所示，本发明进一步提供时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其中该时变温度场快插机构热变形误差补偿方法包括步骤：

步骤一：计算与该快插机构相关的一个理论六分量矩阵；

步骤二：获得与该快插机构相关的一个真实六分量矩阵；

步骤三：比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到一个误差修正量；以及

步骤四：根据该误差修正量，对该快插机构因热变形引起的误差进行补偿。

值得一提的是，该步骤二在该步骤一之前，以先获得与该快插机构相关的该真实六分量矩阵，然后再计算与该快插机构相关的该理论六分量矩阵，从而在后续通过比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到该误差修正量。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其特征在于，该快插机构热变形误差补偿方法包括以下步骤：

步骤一：计算与该快插机构相关的一个理论六分量矩阵；

步骤二：获得与该快插机构相关的一个真实六分量矩阵；

步骤三：比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到一个误差修正量；以及

步骤四：根据该误差修正量，对该快插机构因热变形引起的误差进行补偿。

2.如权利要求1所述的一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其特征在于，该步骤二在该步骤一之前，以先获得与该快插机构相关的该真实六分量矩阵，然后再计算与该快插机构相关的该理论六分量矩阵，从而在后续通过比较该真实六分量矩阵和该理论六分量矩阵，以得到该误差修正量。

3.如权利要求1或2所述的一种时变温度场快插机构热变形误差补偿方法，其特征在于，在该步骤二中进一步包括步骤：

建立与该快插机构相关的一个机构模型；

根据该机构模型建立一个坐标系；以及

根据该机构模型的各个机构在坐标系的具体位置，进行矩阵变化，以得到与该快插机构相关的该真实六分量矩阵。