CN108106583A - 一种数控装置末端位置实时测量系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种数控装置末端位置实时测量系统和测量方法，属于测量技术领域。是由数据采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的。该测量装置以两个拉线编码器为主要测量器件，通过将两个拉线编码器确定安装间距以形成一个测量装置进行测量，通过数据采集卡和计算机终端实时获得两个拉线编码器的拉线长度，通过余弦定理计算出数控装置末端执行器的相对坐标，实现数控装置在固定平面内运动时的实时位置测量，且使用时，对数据采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，采用高精度的拉线编码器作为测量器件，测量的数据精度较高，采用一体化箱体设计，有效防止了灰尘、油污等环境因素对测量器件的影响，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种数控装置末端位置实时测量系统和测量方法，具体地说是一种机器人、机床等机械装备末端位置实时测量系统和测量方法，属于测量技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，对机械设备在运动时的准确定位、速度和加速度的大小有严格的要求，在实际工程中，经常需要实时测量装备末端或执行端的位置、速度和加速度。目前主要的测量方法包括：激光跟踪仪、多激光位移测量法和摄像跟踪等方法。激光跟踪仪的成本高，易用性差，而包括多激光位移测量法在内的其他方法存在着易受空间限制，现场实用性差，实现难度大等问题。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种数控装置末端位置实时测量系统和测量方法，是一种基于拉线编码器的实时测量系统和测量方法，具有成本低，使用方便等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种数控装置末端位置实时测量系统，是由数据采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的，所述的连接适配器固定到所述的数控装置的末端执行器的适当位置，所述的数据采集装置的两个拉线端子连接到所述的连接适配器上，所述的数据采集装置通过数据线与所述的计算机终端连接。
所述的数据采集装置是由装置基座、水平调节装置、装置箱体、两个拉线编码器底座、两个拉线编码器、数据采集卡和两个水平仪组成的，所述的水平调节装置的下端固定在所述的装置基座上，所述的水平调节装置的上端与所述的装置箱体固定连接，所述的两个拉线编码器底座位于所述的装置箱体的内部，通过螺栓与所述的装置箱体连接，所述的两个拉线编码器底座保持一定的安装间距，所述的两个拉线编码器固定在所述的两个拉线编码器底座上，所述的两个拉线编码器的出线端保持同一方向，所述的装置箱体上位于所述的两个拉线编码器出线端的一侧开有两个出线孔，所述的两个出线孔使得所述的两个拉线编码器的出线端伸出所述的装置箱体一段距离，所述的数据采集卡固定在所述的装置箱体的内部适当位置处，所述的两个拉线编码器的数据线分别连接到所述的数据采集卡上，所述的两个水平仪固定在所述的装置箱体的上表面，且保证所述的两个水平仪的中心线垂直。
所述的连接适配器具有特殊结构，使得所述的两个拉线编码器的拉线端子与所述的连接适配器的连接点在同一平面内。
一种数控装置末端位置实时测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置放置在数控装置周围不影响其工作的合理位置处，调节水平调节装置，并观察水平仪，将数据采集装置调至水平；
b.将连接适配器固定到数控装置的末端执行器上的合理位置处，将两个拉线编码器的拉线端子与连接适配器连接，通过数据线将数据采集装置与计算机终端连接；
c.操控数控装置运动到同一平面内的两个确定的位置，分别测得在数控装置基坐标系下这两个固定位置的坐标值，同时通过数据采集装置将在这两个位置处的拉线编码器的数据发送到计算机终端；
d.两个拉线编码器的出线端中心之间的距离在装配时已经测得，通过计算机终端处理两个拉线编码器的数据可以得到相应的拉线长度，即由两个拉线编码器的出线端中心和连接适配器与拉线端子的连接点所组成的三角形的三条边已经确定；
e.通过余弦定理计算出上述两个固定位置在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
f.通过步骤a-e可以得到两个固定点在数控装置基座标系和数据采集装置确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置确定的坐标系与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；
g.操纵数控装置在上述平面内运动，通过数据采集装置实时采集两个拉线编码器数据，通过计算机终端计算出末端执行器在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
h.利用步骤f得到的变换矩阵，通过计算机终端求得末端执行器在数控装置基座标系下的坐标值。
所述的数据采集装置确定的坐标系的建立应该遵循以下原则：
以其中一个拉线编码器的出线端中心为坐标原点，以两个拉线编码器的出线端中心的连线为Xj轴，以从原点处的拉线编码器到另一个编码器移动的方向为Xj轴的正方向。
该发明的有益之处是，该测量装置以两个拉线编码器为主要测量器件，通过将两个拉线编码器确定安装间距以形成一个测量装置进行测量，通过数据采集卡和计算机终端实时获得两个拉线编码器的拉线长度，通过余弦定理计算出数控装置末端执行器的相对坐标，实现数控装置在固定平面内运动时的实时位置测量，且使用时，对数据采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，采用高精度的拉线编码器作为测量器件，测量的数据精度较高，采用一体化箱体设计，有效防止了灰尘、油污等环境因素对测量器件的影响，使用寿命长。
附图说明
附图1为本发明的测量示意图，附图2为数据采集装置的局部剖视图，附图3为建立坐标系计算末端执行器位置示意图。
图中，1、数据采集装置，1.1、装置基座，1.2、水平调节装置，1.3、装置箱体，1.3.1、出线孔，1.4、拉线编码器底座，1.5、拉线编码器，1.6、数据采集卡，1.7、水平仪，2、连接适配器，3、数控装置，4、计算机终端。
具体实施方式
一种数控装置末端位置实时测量系统，是由数据采集装置1、连接适配器2、数控装置3和计算机终端4组成的，所述的连接适配器2固定到所述的数控装置3的末端执行器的适当位置，所述的数据采集装置1的两个拉线端子连接到所述的连接适配器2上，所述的数据采集装置1通过数据线与所述的计算机终端4连接。
所述的数据采集装置1是由装置基座1.1、水平调节装置1.2、装置箱体1.3、两个拉线编码器底座1.4、两个拉线编码器1.5、数据采集卡1.6和两个水平仪1.7组成的，所述的水平调节装置1.2的下端固定在所述的装置基座1.1上，所述的水平调节装置1.2的上端与所述的装置箱体1.3固定连接，所述的两个拉线编码器底座1.4位于所述的装置箱体1.3的内部，通过螺栓与所述的装置箱体1.3连接，所述的两个拉线编码器底座1.4保持一定的安装间距，所述的两个拉线编码器1.5固定在所述的两个拉线编码器底座1.4上，所述的两个拉线编码器1.5的出线端保持同一方向，所述的装置箱体1.3上位于所述的两个拉线编码器1.5出线端的一侧开有两个出线孔1.3.1，所述的两个出线孔1.3.1使得所述的两个拉线编码器1.5的出线端伸出所述的装置箱体1.3一段距离，所述的数据采集卡1.6固定在所述的装置箱体1.3的内部适当位置处，所述的两个拉线编码器1.5的数据线分别连接到所述的数据采集卡1.6上，所述的两个水平仪1.7固定在所述的装置箱体1.3的上表面，且保证所述的两个水平仪1.7的中心线垂直。
所述的连接适配器2具有特殊结构，使得所述的两个拉线编码器1.5的拉线端子与所述的连接适配器2的连接点在同一平面内。
一种数控装置末端位置实时测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置1放置在数控装置3周围不影响其工作的合理位置处，调节水平调节装置1.2，并观察水平仪1.7，将数据采集装置1调至水平；
b.将连接适配器2固定到数控装置3的末端执行器上的合理位置处，将两个拉线编码器1.5的拉线端子与连接适配器2连接，通过数据线将数据采集装置1与计算机终端4连接；
c.操控数控装置3运动到同一平面内的两个确定的位置，分别测得在数控装置3基坐标系XOY下这两个固定位置的坐标值，同时通过数据采集装置1将在这两个位置处的拉线编码器1.5的数据发送到计算机终端4；
d.两个拉线编码器1.5的出线端中心之间的距离S在装配时已经测得，通过计算机终端4处理两个拉线编码器1.5的数据可以得到相应的拉线长度L1和L2，即由两个拉线编码器1.5的出线端中心和连接适配器2与拉线端子的连接点所组成的三角形AOjB的三条边已经确定；
e.通过余弦定理计算出上述两个固定位置在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值；
f.通过步骤a-e可以得到两个固定点在数控装置3基座标系XOY和数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值，然后计算出数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj与数控装置3基坐标系XOY之间的变换矩阵；
g.操纵数控装置3在上述平面内运动，通过数据采集装置1实时采集两个拉线编码器1.5的数据，通过计算机终端4计算出末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值；
h.利用步骤f得到的变换矩阵，通过计算机终端4求得末端执行器在数控装置3基座标系XOY下的坐标值。
所述的数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj的建立应该遵循以下原则：
以其中一个拉线编码器1.5的出线端中心为坐标原点Oj，以两个拉线编码器1.5的出线端中心的连线为Xj轴，以从原点处的拉线编码器1.5到另一个编码器1.5移动的方向为Xj轴的正方向。
在实际测量时，按照步骤a-d确定了AOjB的三条边之后，利用余弦定理可得：
（1）
则数控装置3末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的横坐标值Xj1为：
（2）
公式（2）中的L1、L2为两个拉线编码器1.5的拉线长度，由计算机终端4可以求出，S为两个拉线编码器1.5出线端中心之间的安装距离，该值在安装时已经确定，即L1、L2和S都为已知量，所以由公式（2）便可求出Xj1的值，通过勾股定理便可得到Yj1的值，则数控装置3末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值已经求出，再通过步骤f得到的两坐标系之间的变换矩阵，便可以求出数控装置3末端执行器在数控装置3基座标系XOY下的坐标值，即完成了对数控装置末端位置的实时测量。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种数控装置末端位置实时测量系统，是由数据采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的，其特征在于：所述的连接适配器固定到所述的数控装置的末端执行器的适当位置，所述的数据采集装置的两个拉线端子连接到所述的连接适配器上，所述的数据采集装置通过数据线与计算机终端连接；
所述的数据采集装置是由装置基座、水平调节装置、装置箱体、两个拉线编码器底座、两个拉线编码器、数据采集卡和两个水平仪组成的，所述的水平调节装置的下端固定在所述的装置基座上，所述的水平调节装置的上端与所述的装置箱体固定连接，所述的两个拉线编码器底座位于所述的装置箱体的内部，通过螺栓与所述的装置箱体连接，所述的两个拉线编码器底座保持一定的安装间距，所述的两个拉线编码器固定在所述的两个拉线编码器底座上，所述的两个拉线编码器的出线端保持同一方向，所述的装置箱体上位于所述的两个拉线编码器出线端的一侧开有两个出线孔，所述的两个出线孔使得所述的两个拉线编码器的出线端伸出所述的装置箱体一段距离，所述的数据采集卡固定在所述的装置箱体的内部适当位置处，所述的两个拉线编码器的数据线分别连接到所述的数据采集卡上，所述的两个水平仪固定在所述的装置箱体的上表面，且保证所述的两个水平仪的中心线垂直。
2.如权利要求1所述的连接适配器，其特征在于，所述的连接适配器具有特殊结构，使得所述的两个拉线编码器的拉线端子与所述的连接适配器的连接点在同一平面内。
3.一种数控装置末端位置实时测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
a.将数据采集装置放置在数控装置周围不影响其工作的合理位置处，调节水平调节装置，并观察水平仪，将数据采集装置调至水平；
b.将连接适配器固定到数控装置的末端执行器上的合理位置处，将两个拉线编码器的拉线端子与连接适配器连接，通过数据线将数据采集装置与计算机终端连接；
c.操控数控装置运动到同一平面内的两个确定的位置，分别测得在数控装置基坐标系下这两个固定位置的坐标值，同时通过数据采集装置将在这两个位置处的拉线编码器的数据发送到计算机终端；
d.两个拉线编码器的出线端中心之间的距离在装配时已经测得，通过计算机终端处理两个拉线编码器的数据可以得到相应的拉线长度，即由两个拉线编码器的出线端中心和连接适配器与拉线端子的连接点所组成的三角形的三条边已经确定；
e.通过余弦定理计算出上述两个固定位置在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
f.通过步骤a-e可以得到两个固定点在数控装置的基座标系和数据采集装置确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置确定的坐标系与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；
g.操纵数控装置在上述平面内运动，通过数据采集装置实时采集两个拉线编码器数据，通过计算机终端计算出末端执行器在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
h.利用步骤f得到的变换矩阵，通过计算机终端求得末端执行器在数控装置基座标系下的坐标值。
4.如权利要求4所述的数据采集装置确定的坐标系，其特征在于，所述的数据采集装置确定的坐标系的建立应该遵循以下原则：
以其中一个拉线编码器的出线端中心为坐标原点，以两个拉线编码器的出线端中心的连线为Xj轴，以从原点处的拉线编码器到另一个编码器移动的方向为Xj轴的正方向。
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