CN112207628A - 一种运动机构动刚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了运动机构动刚度检测方法，包括步骤1、设置用于检测运动控制机构执行器终端在某一方向上实际运动位置的位置检测仪器，并将位置检测仪器的采样周期与全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置采样周期同步；步骤2、通过位置检测仪器获得运动控制机构执行器终端在实际运动位置值，并由实际运动位置值计算运动控制机构执行器终端的加速度和驱动力，通过实际运动位置值和位置反馈值计算运动控制机构执行器终端的开环误差；步骤3、通过驱动力和开环误差计算运动控制机构执行器终端的动刚度。通过该方法可以检测出运动控制机构在运动过程中的运动刚度，进而可以通过动刚度调节或改进运动控制机构的设计或控制，提高运动控制机构的性能。

Description

一种运动机构动刚度检测方法

技术领域

本发明涉及机械控制技术领域，具体涉及运动机构动刚度检测方法。

背景技术

全闭/半闭环控制的运动控制机构(数控机床、机械手以及机器人等)，由于运动控制机构上设置有位置反馈装置/速度反馈装置，位置反馈装置/速度反馈装置可以精确测量并反馈运动控制机构执行器终端的运动位置距离，并将检测的数据反馈到运动控制系统控制器中，运动控制系统的控制器可以根据位置反馈装置/速度反馈装置反馈数据获取运动控制机构执行器终端的具体位置并进行调整，以保证运动控制机构的高精度。

但是，位置反馈装置/速度反馈装置(光栅尺或编码器等检测装置)只能测量反馈装置读数头到运动控制机构原点的位置距离，检测不到运动控制机构执行器终端到反馈装置读数头之间的位置距离误差。由于运动控制机构存在安装间隙且为非刚性构件，因此，在运动控制机构执行器终端加减速运动过程中，运动着的零部件质量会产生正反向冲击力，同时，运动执行机构执行器终端受到支撑导轨的摩擦阻力，运动控制机构执行器终端在冲击力和摩擦阻力构成的合力或合力偶的作用下，运动机构执行器终端将产生变形量，这个变形量影响了运动控制机构的运动精度，进而直接影响运动控制系统的设计精度，如何检测运动控制机构的动刚度，对运动控制机构的设计和性能改进具有重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种运动机构动刚度检测方法，本发明采用的技术手段如下：

一种运动机构动刚度检测方法，包括以下步骤，

步骤1、在运动控制机构执行器终端与运动控制机构中全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置之间设置用于检测所述运动控制机构执行器终端在某一方向上实际运动位置的位置检测仪器，设置所述位置检测仪器的采样周期与所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置采样周期同步；

步骤2、控制所述运动控制机构执行器终端在所述方向上运动，通过所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值，通过所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的位置反馈值，通过所述实际运动位置值计算所述运动控制机构执行器终端的加速度和作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力，通过所述实际运动位置值和所述位置反馈值计算所述运动控制机构执行器终端的在所述方向上的开环误差；

步骤3、通过所述驱动力和所述开环误差计算所述运动控制机构执行器终端的动刚度。

进一步地，所述加速度的计算过程如下：

所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值为W_实：

其中，t_n为位置检测仪器的采样时刻；

所述运动控制机构执行器终端的加速度a计算如下：

作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力F计算如下：

其中，m为运动控制机构执行器终端的质量。

进一步地，所述开环误差计算过程如下：

所述运动控制机构控制器中所述控制机构执行器终端在所述方向上的全闭环控制/半闭环控制中的位置反馈值为W_馈：

所述运动控制机构在所述方向上的开环动态误差值W_差：

其中，W_实为所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值；

W_馈为所述运动控制机构控制器中所述控制机构执行器终端在所述方向上的全闭环控制/半闭环控制中的位置反馈值。

进一步地，所述运动控制机构执行器终端的动刚度K的计算过程如下：

与现有技术比较，本发明提出了一种用于获得运动机构动刚度方法，通过该方法可以检测出运动控制机构在运动过程中的运动刚度，进而可以通过动刚度调节或改进运动控制机构的设计或控制，提高运动控制机构的性能。

附图说明

图1为本发明公开的运动机构动刚度检测方法的流程图；

图2为应用本发明公开的运动机构动刚度检测方法进行动刚度检测的实施例1，本实施例中，运动控制机构为机床。

图中：10、激光尺主机，11、激光尺支架，12、激光尺干涉镜，13、激光尺反射镜；

20、X轴全闭环光栅尺，21、X轴全闭环光栅尺读数头，26、圆形光栅尺，27、圆形光栅尺读数头；

30、机床移动横梁，31、机床移动滑鞍，32、机床移动滑枕，33、机床支撑墙，34、机床工作台，35、机床主轴。

具体实施方式

如图1所示为本发明公开的运动机构动刚度检测方法，包括以下步骤，

步骤1、在运动控制机构执行器终端与运动控制机构中全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置之间设置用于检测所述运动控制机构执行器终端在某一方向上实际运动位置的位置检测仪器，设置所述位置检测仪器的采样周期与所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置采样周期同步；

步骤2、控制所述运动控制机构执行器终端在所述方向上运动，通过所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值，通过所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的位置反馈值，通过所述实际运动位置值计算所述运动控制机构执行器终端的加速度和作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力，通过所述实际运动位置值和所述位置反馈值计算所述运动控制机构执行器终端的在所述方向上的开环误差；

步骤3、通过所述驱动力和所述开环误差计算所述运动控制机构执行器终端的动刚度。

进一步地，所述加速度的计算过程如下：

所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值为W_实：

其中，t_n为位置检测仪器的采样时刻；

所述运动控制机构执行器终端的加速度a计算如下：

作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力F计算如下：

其中，m为运动控制机构执行器终端的质量。

进一步地，所述开环误差计算过程如下：

所述运动控制机构控制器中所述控制机构执行器终端在所述方向上的全闭环控制/半闭环控制中的位置反馈值为W_馈：

所述运动控制机构在所述方向上的开环动态误差值W_差：

其中，W_实为所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值；

W_馈为所述运动控制机构控制器中所述控制机构执行器终端在所述方向上的全闭环控制/半闭环控制中的位置反馈值。

进一步地，所述运动控制机构执行器终端的动刚度K的计算过程如下：

实施例1

本实施例以数控机床的主轴沿X轴方向运动进行说明对动刚度的检测方法，运动控制机构以数控机床为例，数控机床的控制系统为全闭环控制，运动控制机构执行器终端为机床主轴，数控机床的全闭环位置反馈装置为光栅尺，机床主轴35安转在机床移动滑枕32上，机床移动滑枕32安装在机床移动滑鞍31上，机床移动滑鞍31安装在机床移动横梁30上，机床移动横梁与机床移动滑鞍、机床移动滑鞍与机床移动滑枕之间均存在安装间隙，并且各部件也不是理想的刚性部件，因此运动着的零部件质量会产生正反向冲击力，同时，机床主轴受到支撑导轨的摩擦阻力和驱动力等作用，机床主轴在冲击力和摩擦阻力以及驱动力等作用力构成的合力或合力偶的作用下，将产生形变量，进而使得机床主轴的动刚度变化，影响着机床的运动精度和加工精度。

本发明用于检测数控机床的主轴沿X轴方向运动的动刚度的方法具体过程如下：

在运动控制机构执行器终端与运动控制机构中全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置之间设置用于检测所述运动控制机构执行器终端在某一方向上实际运动位置的位置检测仪器,设置所述位置检测仪器的采样周期与所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置采样周期同步；

具体地，如图2所示，数控机床的X轴全闭环位置反馈装置为X轴全闭环光栅尺，X轴全闭环光栅尺20安装在机床支撑墙33上，X轴全闭环光栅尺读数头21安装在机床移动横梁30上，在本实施例中，位置检测仪器采用激光尺，激光尺支架11磁性吸附在机床工作台34上，激光尺主机10固定在激光尺支架11上，激光尺反射镜13安装在机床主轴35上，并通过激光尺干涉镜12调整激光尺主机10和反射镜13使其处于同一高度。将光栅尺和激光尺通过数据线与电荷放大器连接，电荷放大器与信号采集卡连接，信号采集卡与计算机连接。对光栅尺和激光尺进行参数设置，使得激光尺与光栅尺的采样周期相同，以保证激光尺与光栅尺对机床主轴进行同步数据采集，优选地，所述光栅尺和激光尺的采样周期设置为毫秒/微秒，这样可以具有较高的检查精度。锁紧机床的运动轴，使得机床主轴仅可沿X轴方向运动。

步骤2、控制所述运动控制机构执行器终端在所述方向上运动，通过所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值，通过所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的位置反馈值，通过所述实际运动位置值计算所述运动控制机构执行器终端的加速度和作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力，通过所述实际运动位置值和所述位置反馈值计算所述运动控制机构执行器终端的在所述方向上的开环误差；

具体地，控制机床主轴在X轴方向运动，激光尺和光栅尺同步采集机床主轴在X轴方向的移动距离，所述激光尺采集机床主轴在X轴方向上的实际运动位置值为W_实：

其中，t_n为激光尺的采样时刻；

机床主轴的加速度a通过对激光尺采集的实际位置对采集时刻进行二阶求导可得，具体如下：

作用在所述机床主轴上的驱动力F可由如下公式计算：

其中，m为机床主轴的质量(为已知量)。

机床主轴的开环误差计算过程如下：

光栅尺测得机床主轴在X轴方向的位置反馈值为W_馈：

机床主轴在X轴方向上的开环动态误差值W_差通过激光尺获得机床主轴在X轴方向上的实际运动位置值W_实与光栅尺获得的机床主轴的位置反馈值W_馈求差获得，具体如下：

步骤3、通过所述驱动力和所述开环误差计算所述运动控制机构执行器终端的动刚度，具体地，

机床主轴的动刚度K的计算过程如下：

通过以上方法可以获得机床运动轴在X轴方向运动的动刚度，进而可以通过该动刚度改进对机床的控制或设计。

实施例2

在本实施例中，运动控制机构以机器人，机器人的机械臂固定在工作台上，并通过多个关节可以驱动机器人执行终端实现空间的多维度的运动，机器人的每个关节上的伺服电机上安装有编码器，可以用于检测机器人执行终端的位置，但是由于安装间隙，同时伺服电机编码器只能检测的电机轴的位置信息，该位置与机器人执行终端实际运动的位置存在一定的误差，并且各部件也不是理想的刚性部件，因此运动着的零部件质量会产生正反向冲击力，因此，机器人执行终端在运动过程中会受驱动力和摩擦力等作用力构成的合力或合力偶的作用下，将产生形变量，进而使得机器人执行终端的动刚度变化，影响着机器人运动精度和加工精度。

本发明通过以下方法对机器人的动刚度进行检测，具体过程如下：在本实施例中以机器人的最末端执行机构为例进行说明：

步骤1、在运动控制机构执行器终端与运动控制机构中全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置之间设置用于检测所述运动控制机构执行器终端在某一方向上实际运动位置的位置检测仪器，设置所述位置检测仪器的采样周期与所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置采样周期同步；

具体地，机器人固定在工作台上，位置检测仪器采用跟踪仪，跟踪仪固定在工作台上，跟踪仪的反射镜(靶镜)固定在机器人执行终端上，将跟踪仪的采样周期设置为与伺服电机的编码器的采样周期相同，锁紧机器人的运动关节，使得机器人执行终端仅可绕某一轴转动。跟踪仪和伺服电机编码器可对机器人执行终端进行同步位置采集。

步骤2、控制所述运动控制机构执行器终端在所述方向上运动，通过所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值，通过所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的位置反馈值，通过所述实际运动位置值计算所述运动控制机构执行器终端的加速度和作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力，通过所述实际运动位置值和所述位置反馈值计算所述运动控制机构执行器终端的开环误差；

由跟踪仪采集到的机器人执行终端绕某一轴转动的实际位置值W_实：

其中，t_n为跟踪仪的采样时刻；

实际位置值W_实对采样时间进行二阶求导获得机器人执行终端的加速度a：

作用在机器人执行终端上的驱动力F计算如下：

其中，m为机器人执行终端的质量。

伺服电机的编码器采集到的机器人执行终端的位置反馈值为W_馈(半闭环位置反馈值)：

由机器人执行终端的实际运动位置值和所述位置反馈值计算机器人机构执行器终端的开环误差W_差：

步骤3、通过所述驱动力和所述开环误差计算所述运动控制机构执行器终端的动刚度，具体地，所述机器人执行终端的动刚度K的计算过程如下：

通过以上方法可以获得机器人执行终端在绕该轴转动时的动刚度，进而可以通过该动刚度改进对机器人的控制或设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种运动机构动刚度检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、在运动控制机构执行器终端与运动控制机构中全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置之间设置用于检测所述运动控制机构执行器终端在某一方向上实际运动位置的位置检测仪器，设置所述位置检测仪器的采样周期与所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置采样周期同步；

步骤2、控制所述运动控制机构执行器终端在所述方向上运动，通过所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值，通过所述全闭环位置反馈装置/半闭环位置反馈装置获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的位置反馈值，通过所述实际运动位置值计算所述运动控制机构执行器终端的加速度和作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力，通过所述实际运动位置值和所述位置反馈值计算所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的开环误差；

步骤3、通过所述驱动力和所述开环误差计算所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的动刚度。

2.根据权利要求1所述的运动机构动刚度检测方法，其特征在于：所述加速度的计算过程如下：

所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值为W_实：

其中，t_n为位置检测仪器的采样时刻；

所述运动控制机构执行器终端的加速度a计算如下：

作用在所述运动控制机构执行器终端的驱动力F计算如下：

其中，m为运动控制机构执行器终端的质量。

3.根据权利要求2所述的运动机构动刚度检测方法，其特征在于：所述开环误差计算过程如下：

所述运动控制机构控制器中所述控制机构执行器终端在所述方向上的全闭环控制/半闭环控制中的位置反馈值为W_馈：

所述运动控制机构在所述方向上的开环动态误差值W_差：

其中，W_实为所述位置检测仪器获得所述运动控制机构执行器终端在所述方向上的实际运动位置值；

W_馈为所述运动控制机构控制器中所述控制机构执行器终端在所述方向上的全闭环控制/半闭环控制中的位置反馈值。

4.根据权利要求3所述的运动机构动刚度检测方法，其特征在于：所述运动控制机构执行器终端的动刚度K的计算过程如下：

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