CN115657734A - 超精密光学组件调整环姿态控制系统及调节方法 - Google Patents
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Abstract
超精密光学组件调整环姿态控制系统及调节方法,所述方法步骤为:S1、利用高清相机确定调整环总成定位坐标系在接口法兰盘定位坐标系中的初始位置;S2、计算调整环总成定位坐标系相对于接口法兰盘定位坐标系的起始转换矩阵;S3、通过位移传感器测得调整环总成在滑道上的前进距离;S4、利用高清相机确定转动增量角度后,调整环总成定位坐标系在接口法兰盘定位坐标系中的位置;S5、计算转动增量角度后对应的调整环总成定位坐标系相对于接口法兰盘定位坐标系的转换矩阵;S6、采用遗传优化算法减小坐标转换矩阵的秩,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成姿态的实时控制。本发明控制系统灵活方便,适应性强,调节方法简单。
Description
技术领域
本发明属于高能量固体激光装置组装领域,具体涉及超精密光学组件调整环姿态控制系统及调节方法。
背景技术
国家重大能源工程需要在球体表面特定位置连接多组超精密光学组件,为保证超精密光学组件与接口法兰的安装精度,在辅助安装载具上针对性地设计了一种两自由度调整环,通过控制调整环,可以快捷地调整超精密光学组件一端的姿态,由于超精密光学组件与接口之间存在较大距离,超精密光学组件通过在特殊轨道上滑动逐步抵达球体相应接口处,滑动过程中需要实时调整超精密光学组件的姿态,增大了组装难度,降低了组装效率,因此,亟需针对两自由度调整环的姿态控制及调节来保障组装精度。现有姿态控制系统主要是针对常见的机械设备或辅助定位机构,而有关超精密光学组件组装过程的姿态控制系统则鲜有报道。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足,提供超精密光学组件调整环姿态控制系统及调节方法。该姿态控制系统通过高分辨率高清相机、多组角度编码器和位移传感器进行信号采集,灵活方便,适应性强,利用边缘计算得到超精密光学组件坐标系与接口坐标系的转换矩阵,采用遗传优化算法实时调节调整环总成姿态,调节方法简单。
超精密光学组件调整环姿态控制系统,包含第一角度编码器、第二角度编码器、第三角度编码器、调整环底盘总成、组件连接球体、滑道、位移传感器和高清相机;超精密光学组件可转动地套装在由调整环内圈左半圈和调整环内圈右半圈连接形成的调整环内圈的内表面,所述调整环内圈可水平面转动地设置在由调整环外圈下半圈和调整环外圈上半圈连接形成的调整环外圈内,所述调整环外圈可俯仰转动地设置在调整环底盘总成内表面,转动位于调整环总成两侧与底面的左螺母圆环或者右螺母圆环和下螺母圆环,分别使调整环外圈和调整环内圈绕各自的回转轴线转动,以调整超精密光学组件的安装姿态,调整环底盘总成与滑道形成滚动接触,位移传感器分布于调整环底盘总成与滑道接触区域,所述滑道与组件连接球体相连,第一角度编码器、第二角度编码器和第三角度编码器分别固接在调整环外圈下半圈、调整环外圈下半圈和调整环内圈左半圈表面,高清相机布置在接口法兰盘的中心。
超精密光学组件调整环姿态控制系统的调节方法,所述方法步骤为:
S1、利用高清相机确定调整环总成定位坐标系在接口法兰盘定位坐标系中的初始位置;
S2、计算调整环总成定位坐标系相对于接口法兰盘定位坐标系的起始转换矩阵;
S3、转动螺母圆环,记录圈数,通过角度编码器测量得到调整环内圈和外圈的转动增量角度,通过位移传感器测得调整环总成在滑道上的前进距离;
S4、利用高清相机确定转动增量角度后,调整环总成定位坐标系在接口法兰盘定位坐标系中的位置;
S5、计算转动增量角度后对应的调整环总成定位坐标系相对于接口法兰盘定位坐标系的转换矩阵;
S6、以增量角度为初始种群,调整环总成定位坐标系相对于接口法兰盘定位坐标系的转换矩阵为适应度函数,采用遗传优化算法减小坐标转换矩阵的秩,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成姿态的实时控制。
进一步为:
得到的转动的增量角度Δα、Δβ为姿态控制的初始种群,将调整环总成定位坐标系相对于接口法兰盘坐标系的转换矩阵T1作为姿态控制的适应度函数,采用遗传优化算法,通过减小坐标转换矩阵的秩||T1||,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成姿态的实时调节控制。
本发明相比现有技术的有益效果是:
本发明控制系统利用螺纹连接的自锁性达到超精密组件安装的可靠性、同时能够主动调节超精密组件与法兰接口端的姿态,整体系统新颖,安装方便。
本发明实现了超精密光学组件调整环姿态实时可调的作业要求,通过高分辨率高清相机、多组角度编码器和位移传感器进行信号采集,利用遗传优化算法寻找最优的转动圈数,形成性能可靠、使用简捷的姿态控制系统,且其调节方法简单,适应性强。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明:
附图说明
图1是超精密光学组件调整环姿态控制系统结构示意图;
图2是超精密光学组件调整环总成工作示意图;
图3是超精密光学组件调整环总成坐标相对转动示意图;
图4是超精密光学组件调整环姿态控制系统调节方法流程图;
图5是超精密光学组件调整环姿态控制示意图;
其中:1、第一螺母圆环、2、第一角度编码器、3、调整环外圈下半圈、4、第二角度编码器、5、第二螺母圆环、6、调整环内圈左半圈、7、第三螺母圆环、8、第三角度编码器、9、调整环底盘总成、10、调整环外圈上半圈、11、调整环内圈右半圈、12、超精密光学组件、13、调整环总成、14、接口法兰盘、15、组件连接球体、16、滑道、17、位移传感器、18、高清相机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1-图2所示,超精密光学组件调整环姿态控制系统包含第一角度编码器2、第二角度编码器4、第三角度编码器8、调整环底盘总成9、组件连接球体15、滑道16、位移传感器17和高清相机18;超精密光学组件12可转动地套装在由调整环内圈左半圈6和调整环内圈右半圈11连接形成的调整环内圈的内表面,所述调整环内圈可水平面转动地设置在由调整环外圈下半圈3和调整环外圈上半圈10连接形成的调整环外圈内,所述调整环外圈可俯仰转动地设置在调整环底盘总成9内表面,转动位于调整环总成13两侧与底面的第一螺母圆环1或者第二螺母圆环5和第三螺母圆环7,分别使调整环外圈和调整环内圈绕各自的回转轴线转动,以调整超精密光学组件12的安装姿态,调整环底盘总成9与滑道16形成滚动接触,位移传感器17分布于调整环底盘总成9与滑道16接触区域,所述滑道16与组件连接球体15相连,第一角度编码器2、第二角度编码器4和第三角度编码器8分别固接在调整环外圈下半圈3、调整环外圈下半圈3和调整环内圈左半圈6表面,高清相机18布置在接口法兰盘14的中心。
上述中可选地,调整环底盘总成9与一组滑道16形成滚动接触,一组位移传感器17分布于调整环底盘总成9与滑道16接触区域。
上述中,调整环内圈左半圈6、调整环内圈右半圈11、调整环外圈下半圈3和调整环外圈上半圈10构成调整环总成13。
可选地,高清相机18为高分辨率高清相机。
角度编码器用于测量得到调整环内圈和调整环外圈转动的增量角度。
高清高分辨率相机用于确定转动增量角度后的调整环总成13定位坐标系在接口法兰盘14定位坐标系的位置。
可选地,调整环内圈左半圈6上下部分别与调整环外圈上半圈10和调整环外圈下半圈3形成可转动的接触配合。
调整环外圈下半圈3两侧分别与调整环底盘总成9形成可转动的接触配合。
第一螺母圆环1或者第二螺母圆环5分别可转动地设置在调整环底盘总成9两侧,并分别与调整环外圈下半圈3固接。
第三螺母圆环7固定在调整环内圈左半圈6底部,并从调整环底盘总成9底部的滑槽伸出。如此设置,滑槽便于调整环外圈俯仰转动。
基于上述控制系统,作为一种可能的实施方式,提供一种超精密光学组件调整环姿态控制系统的调节方法,结合图1-图5说明,所述方法步骤为:
S1、利用高清相机18确定调整环总成13定位坐标系在接口法兰盘14定位坐标系中的初始位置;
S2、计算调整环总成13定位坐标系相对于接口法兰盘14定位坐标系的起始转换矩阵;
S3、转动螺母圆环,记录圈数,通过角度编码器测量得到调整环内圈和外圈的转动增量角度,通过位移传感器17测得调整环总成13在滑道16上的前进距离;
S4、利用高清相机18确定转动增量角度后,调整环总成13定位坐标系在接口法兰盘14定位坐标系中的位置;
S5、计算转动增量角度后对应的调整环总成13定位坐标系相对于接口法兰盘14定位坐标系的转换矩阵;
S6、以增量角度为初始种群,调整环总成13定位坐标系相对于接口法兰盘14定位坐标系的转换矩阵为适应度函数,采用遗传优化算法减小坐标转换矩阵的秩,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成13姿态的实时控制。
步骤S1中,定义如下:接口法兰盘14中心的定位坐标系为o1x1y1z1,调整环总成13的定位坐标系为o2x2y2z2,利用高清相机18确定调整环总成13定位坐标系在接口法兰盘14坐标系中的起始位置(r0,α0,β0),其中,r0为坐标系o2x2y2z2与坐标系o1x1y1z1沿接口法兰盘14的起始轴向距离,α0为起始俯仰转动角度,β0为起始平面转动角度。
进一步为:
其中,和分别为俯仰方向和平面方向的起始坐标转换矩阵;转动第一螺母圆环1和/或右螺母圆环5和第三螺母圆环7,记录圈数分别为ni圈,通过第一角度编码器2和/或第二角度编码器4和第三角度编码器8测量得到调整环外圈和调整环内圈转动的增量角度分别为Δα、Δβ;
Δα=2π·max n1,Δβ=2πn3
通过位移传感器17测得超精密组件12在滑道16上的前进距离为Δr。
上述中第一螺母圆环1和右螺母圆环5可以独立转动,也可以一起转动,达到平衡,
如果二者一起转动时,调整环外圈的增量角度Δα=2π·max(n1,n2)。
步骤S4具体为:利用高清相机18确定转动的增量角度后的调整环总成13定位坐标系o2x2y2z2在接口法兰盘14定位坐标系o1x1y1z1的位置(r1,α1,β1);
r1=r0-Δr,α1=α0-Δα,β1=β0-Δβ
其中,r1为坐标系o2x2y2z2与坐标系o1x1y1z1沿接口法兰盘(14)的轴向距离,α1为俯仰转动角度,β1为平面转动角度;
步骤S5具体为:
进一步为:
步骤S6具体为:以步骤S5得到的转动的增量角度Δα、Δβ为姿态控制的初始种群,将调整环总成13定位坐标系相对于接口法兰盘14定位坐标系的转换矩阵T1作为姿态控制的适应度函数,采用遗传优化算法,通过减小坐标转换矩阵的秩||T1||,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成13姿态的实时调节控制。提高超精密光学组件的组装精度和效率。
通过高分辨率高清相机、多组角度编码器和位移传感器进行信号采集,利用遗传优化算法寻找最优的转动圈数,调节方法简单,适应性强,实现了超精密光学组件调整环姿态实时可调的作业要求。
本发明已以较佳实施案例揭示如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例,均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.超精密光学组件调整环姿态控制系统,其特征在于:包含第一角度编码器(2)、第二角度编码器(4)、第三角度编码器(8)、调整环底盘总成(9)、组件连接球体(15)、滑道(16)、位移传感器(17)和高清相机(18);超精密光学组件(12)可转动地套装在由调整环内圈左半圈(6)和调整环内圈右半圈(11)连接形成的调整环内圈的内表面,所述调整环内圈可水平面转动地设置在由调整环外圈下半圈(3)和调整环外圈上半圈(10)连接形成的调整环外圈内,所述调整环外圈可俯仰转动地设置在调整环底盘总成(9)内表面,转动位于调整环总成(13)两侧与底面的第一螺母圆环(1)或者第二螺母圆环(5)和第三螺母圆环(7),分别使调整环外圈和调整环内圈绕各自的回转轴线转动,以调整超精密光学组件(12)的安装姿态,调整环底盘总成(9)与滑道(16)形成滚动接触,位移传感器(17)分布于调整环底盘总成(9)与滑道(16)接触区域,所述滑道(16)与组件连接球体(15)相连,第一角度编码器(2)、第二角度编码器(4)和第三角度编码器(8)分别固接在调整环外圈下半圈(3)、环外圈下半圈(3)和调整环内圈左半圈(6)表面,高清相机(18)布置在接口法兰盘(14)的中心。
2.根据权利要求1所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统,其特征在于:调整环内圈左半圈(6)上下部分别与调整环外圈上半圈(10)和调整环外圈下半圈(3)形成可转动的接触配合。
3.根据权利要求1所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统,其特征在于:调整环外圈下半圈(3)两侧分别与调整环底盘总成(9)形成可转动的接触配合。
4.根据权利要求1或3所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统,其特征在于:第一螺母圆环(1)或者第二螺母圆环(5)分别可转动地设置在调整环底盘总成(9)两侧,并分别与调整环外圈下半圈(3)固接。
5.根据权利要求1或2所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统,其特征在于:第三螺母圆环(7)固定在调整环内圈左半圈(6)底部,并从调整环底盘总成(9)底部的滑槽伸出。
6.一种根据权利要求1所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统的调节方法,其特征在于:所述方法步骤为:
S1、利用高清相机(18)确定调整环总成(13)定位坐标系在接口法兰盘(14)定位坐标系中的初始位置;
S2、计算调整环总成(13)定位坐标系相对于接口法兰盘(14)定位坐标系的起始转换矩阵;
S3、转动螺母圆环,记录圈数,通过角度编码器测量得到调整环内圈和外圈的转动增量角度,通过位移传感器(17)测得调整环总成(13)在滑道(16)上的前进距离;
S4、利用高清相机(18)确定转动增量角度后,调整环总成(13)定位坐标系在接口法兰盘(14)定位坐标系中的位置;
S5、计算转动增量角度后对应的调整环总成(13)定位坐标系相对于接口法兰盘(14)定位坐标系的转换矩阵;
S6、以增量角度为初始种群,调整环总成(13)定位坐标系相对于接口法兰盘(14)定位坐标系的转换矩阵为适应度函数,采用遗传优化算法减小坐标转换矩阵的秩,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成(13)姿态的实时控制。
7.根据权利要求1所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统的调节方法,其特征在于:步骤S1中,定义如下:接口法兰盘(14)中心的定位坐标系为o1x1y1z1,调整环总成(13)的定位坐标系为o2x2y2z2,利用高清相机(18)确定调整环总成(13)定位坐标系在接口法兰盘(14)坐标系中的起始位置(r0,α0,β0),其中,r0为坐标系o2x2y2z2与坐标系o1x1y1z1沿接口法兰盘(14)的起始轴向距离,α0为起始俯仰转动角度,β0为起始平面转动角度。
9.根据权利要求8所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统的调节方法,其特征在于:步骤S4具体为:利用高清相机(18)确定转动的增量角度后的调整环总成(13)定位坐标系o2x2y2z2在接口法兰盘(14)定位坐标系o1x1y1z1的位置(r1,α1,β1),
r1=r0-Δr,α1=α0-Δα,β1=β0-Δβ
其中,r1为坐标系o2x2y2z2与坐标系o1x1y1z1沿接口法兰盘(14)的轴向距离,α1为俯仰转动角度,β1为平面转动角度;
步骤S5具体为:
进一步为:
10.根据权利要求9所述的超精密光学组件调整环姿态控制系统的调节方法,其特征在于:步骤S6具体为:以步骤S5得到的转动的增量角度Δα、Δβ为姿态控制的初始种群,将调整环总成(13)定位坐标系相对于接口法兰盘(14)定位坐标系的转换矩阵T1作为姿态控制的适应度函数,采用遗传优化算法,通过减小坐标转换矩阵的秩||T1||,输出每一组螺母圆环的最优转动圈数,实现调整环总成(13)姿态的实时调节控制。
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