CN116276922B - 一种五轴并联装置摩擦力识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及并联装置摩擦力辨识技术领域，提供了一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其包括如下步骤：根据直线电机动力学模型，获取电机匀速直线运动下的驱动力方程；根据驱动力方程，对驱动力进行频谱分析，并根据频谱波峰获取摩擦力、推力波动与外部干扰力的幅值与频率；基于频谱分析方法，在多组不同速度工况下，获取摩擦力对应的摩擦力序列；将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数；根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型，并验证改进的摩擦力模型的拟合精度。本发明具有辨识速率快、辨识精度高的优点，可以极大地提高五轴并联装置的末端位姿定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及并联装置摩擦力辨识技术领域，具体而言，涉及一种五轴并联装置摩擦力识别方法。
背景技术
相较于串联机器人先天存在的刚度较低和误差累积的缺点，并联机器人的输入和末端输出之间具有环状的闭链约束，其具有刚度大，运动惯量小，负载能力强等优点，被广泛运用于高速度、高载荷的应用场景。
与传统的旋转电机构成的并联机构相比，运用直线电机后，传统的联轴器、滚珠丝杆以及减速器被从结构中删去，间隙、背隙、变形等因素的影响被大大削弱，极大地提升了机构的运动精度与刚度。基于并联机构的上述优点，将静平台、三自由度并联机构、动平台、末端旋转机构相结合，可获得一种具备较高刚度与定位精度的五轴并联装置。
在消除大部分其他干扰因素后，摩擦力是占比最大的运动阻力，对其进行精准辨识，并用于前馈控制环节，有助于实现并联装置的精密运动控制。因此，研究一种五轴并联装置摩擦力辨识方法具有重要意义。
发明内容
基于此，为了实现对五轴并联装置摩擦力的辨识，本发明提供了一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其具体技术方案如下：
一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其包括如下步骤：
根据直线电机动力学模型，获取电机匀速直线运动下的驱动力方程；
根据驱动力方程，对驱动力进行频谱分析，并根据频谱波峰获取摩擦力、推力波动与外部干扰力的幅值与频率；
基于频谱分析方法，在多组不同速度工况下，获取摩擦力对应的摩擦力序列；
将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数；
根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型，并验证改进的摩擦力模型的拟合精度。
所述五轴并联装置摩擦力识别方法通过获取摩擦力序列，将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数，根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型，并验证改进的摩擦力模型的拟合精度，具有辨识速率快、辨识精度高的优点，可以极大地提高五轴并联装置的末端位姿定位精度。
进一步地，所述驱动力方程如下：；
其中，为电机驱动力，/>为推力波动，/>为摩擦力，/>为外部干扰力。
进一步地，对驱动力进行频谱分析的具体方法包括如下步骤：
设定电机匀速直线运动时的运动时间为，运动位移为/>，对驱动力信号进行傅里叶变换，得到/>的频域信号为：，其中，/>为虚数单位，/>为角频率，/>为自然常数。
进一步地，将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数的具体方法包括如下步骤：
构建传统摩擦力模型；
根据摩擦力值的变化趋势将摩擦力序列分为低速与高速两部分，并假定分界点为/>；
当=0时，得到最大静摩擦力/>；
当时，对摩擦力值/>进行线性回归，得到回归模型/>；
当时，假定粘滞摩擦系数/>为0，得到公式，对公式进行线性回归获取临界速度/>以及待定系数；
根据临界速度以及待定系数/>，对粘滞摩擦系数/>进行二次辨识，得到摩擦力值/>的变化曲线在低速段的粘滞摩擦系数/>；
其中，表示摩擦力值，/>表示库伦摩擦力，/>表示最大静摩擦力，/>表示电机匀速直线运动时的运动速度，/>表示临界速度，/>表示待定系数，/>表示粘滞摩擦系数，表示摩擦力值/>的变化曲线在高速段的粘滞摩擦系数。
进一步地，根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型的具体方法包括如下步骤：
根据具体的模型参数绘出摩擦力值的变化曲线；
采用分段函数拟合摩擦力与速度之间的关系，区分出低速段与高速段；
将摩擦力模型分为低速段与高速段，分别拟合出低速段与高速段的摩擦力方程；
采用分段函数的方式对进行描述。
进一步地，所述五轴并联装置包括静平台、三自由度并联机构、动平台以及末端旋转机构，所述三自由度并联机构包括三条支链，每条支链包括直线电机与连杆，三台直线电机两两之间呈60°夹角且分别安装在三组导轨上，导轨固定安装在静平台上，连杆的一端通过轴孔配合固定在直线电机上，连杆的另一端固定安装在动平台的底部，末端旋转机构包括运动末端与两个正交的旋转电机组，旋转电机组包括伺服电机、减速器与旋转臂，减速器通过轴孔配合固定安装在动平台上，减速器输出轴与旋转臂的一端紧密配合，两旋转臂的另一端分别通过螺栓固定安装在运动末端的两个正交侧面。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明一实施例中一种五轴并联装置摩擦力识别方法的整体流程示意图；
图2是本发明一实施例中一种五轴并联装置的整体结构示意图。
图3是本发明一实施例中三自由度并联结构单一支链的结构示意图；
图4是本发明一实施例中当直线电机运动速度=4.2mm/s时的驱动力频谱图；
图5是本发明一实施例中传统摩擦力模型的拟合图；
图6是本发明一实施例中改进的摩擦力模型的拟合图。
附图标记说明：
1、静平台；2、连杆；3、动平台；4、导轨；5、直线电机；6、旋转臂；7、运动末端；8、减速器；9、伺服电机。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
如图1所示，本发明一实施例中的一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其包括如下步骤：
S1，根据直线电机动力学模型，获取电机匀速直线运动下的驱动力方程。
根据直线电机特性以及牛顿第二定律，直线电机动力学模型为。式中，/>为电机驱动力，/>为推力波动，/>为摩擦力，/>为外部干扰力，/>为电机动子质量，/>为负载质量，/>为加速度。
当直线电机匀速直线运动时，加速度=0。由此可以得到，所述驱动力方程为。
具体而言，如图2以及图3所示，所述五轴并联装置包括静平台1、三自由度并联机构、动平台3以及末端旋转机构，所述三自由度并联机构包括三条支链，每条支链包括直线电机5与连杆2，三台直线电机5两两之间呈60°夹角且分别安装在三组导轨4上，导轨4固定安装在静平台1上，连杆2的一端通过轴孔配合固定在直线电机5上，连杆2的另一端固定安装在动平台3的底部。通过驱动直线电机5在导轨4上滑动，经连杆2驱动动平台3按指定轨迹运动。
末端旋转机构包括运动末端7与两个正交的旋转电机组，旋转电机组包括伺服电机9、减速器8与旋转臂6，伺服电机9与减速器8传动连接，减速器8通过轴孔配合固定安装在动平台3上，减速器8输出轴与旋转臂6的一端紧密配合，两旋转臂6的另一端分别通过螺栓固定安装在运动末端7的两个正交侧面。通过输入脉冲数至伺服电机9，驱动伺服电机9动作，经减速器8以及旋转臂6驱动运动末端7旋转指定角度。
在速度模式下，保持直线电机5匀速直线运动，通过采集三个直线电机5的电流信号，对电流信号进行分析，得到直线电机5的驱动力。
所述五轴并联装置的运动控制卡的型号为DMC 4183；伺服电机型号为SGM7A-08AFA61，伺服驱动器型号为SGD7S-5R5A00A，减速器型号为FB90-30-SGM7A-08AFA61。
所述五轴并联装置结合三自由度并联机构以及末端旋转机构，可以达到整体刚度大、承载能力强的目的。
S2，根据驱动力方程，对驱动力进行频谱分析，并根据频谱波峰获取摩擦力、推力波动与外部干扰力的幅值与频率。
对驱动力进行频谱分析的具体方法包括如下步骤：设定电机匀速直线运动时的运动时间为，运动位移为/>，对驱动力信号进行傅里叶变换，得到/>的频域信号为：，其中，/>为虚数单位，/>为角频率，/>为自然常数。
在电机驱动力方程中，推力波动是与是随位置变化的函数，一般只与直线电机运动位移有关；外部干扰力/>则是随机信号，在工程中一般可以假定为高斯白噪声信号，其无规律且一般变化迅速；摩擦力/>则是与速度相关的函数，在电机做匀速直线运动时，其可以认为是不变量。
因此不变量摩擦力对应的波峰是频谱图中频率最低的波峰，其幅值即是此速度下的摩擦力值；推力波动/>与外部干扰力/>由于是变量，因而其占据了频谱图中的高频波峰部分，由多个小峰综合而成。
图4所示为直线电机运动速度=4.2mm/s时的驱动力频谱图。
S3，基于频谱分析方法，在多组不同速度工况下，获取摩擦力对应的摩擦力序列。
S4，将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，通过线性回归方法辨识出具体的模型参数。
在步骤S4中，将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数的具体方法包括如下步骤：
S40，构建传统摩擦力模型。
根据传统摩擦力模型可知，摩擦力在低速区随速度增加而逐渐减小，在高速区随速度增加而逐渐增加。
S41，根据摩擦力的变化趋势将摩擦力序列分为低速与高速两部分，并假定分界点为/>。
S42，当=0时，得到最大静摩擦力/>。
S43，当时，对摩擦力值/>进行线性回归，得到回归模型/>。
当时，可以认为摩擦力值/>与电机匀速直线运动时的运动速度/>成线性关系，其截距与斜率近似等于库伦摩擦力/>与粘滞摩擦系数/>。
S44，当时，假定粘滞摩擦系数/>为0，在其他项已知时，摩擦力值/>仅与临界速度/>以及待定系数/>相关，在对传统摩擦力模型左右取对数后，得到公式，对公式进行线性回归获取临界速度/>以及待定系数。
S45，根据临界速度以及待定系数/>，对粘滞摩擦系数/>进行二次辨识，得到摩擦力值/>的变化曲线在低速段的粘滞摩擦系数/>。
至此，传统摩擦力模型公式中的各项参数，已经全部辨识出来。
其中，表示摩擦力值，/>表示库伦摩擦力，/>表示最大静摩擦力，/>表示电机匀速直线运动时的运动速度，/>表示临界速度，/>表示待定系数，/>表示粘滞摩擦系数，表示摩擦力值/>的变化曲线在高速段的粘滞摩擦系数。
S5，根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型，并验证改进的摩擦力模型的拟合精度。
根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型的具体方法包括如下步骤：
S50，根据具体的模型参数绘出摩擦力值的变化曲线。
如图5所示，通过将摩擦力值的变化曲线与实际数据进行对比，可知拟合曲线与实际点之间的误差较大，传统摩擦力模型在统合低速段与高速段的同时降低了拟合精度。
S51，采用分段函数拟合摩擦力与速度之间的关系，区分出低速段与高速段。
S52，将摩擦力模型分为低速段与高速段，分别拟合出低速段与高速段的摩擦力方程。
S53，采用分段函数的方式对进行描述。
如图6所示，基于改进的摩擦力模型，采用分段函数的方式对进行描述，能够更加全面准确地描述摩擦力的变化，提高了摩擦力辨识的准确性。
所述五轴并联装置摩擦力识别方法通过获取摩擦力序列，将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数，根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型，并验证改进的摩擦力模型的拟合精度，具有辨识速率快、辨识精度高的优点，能够全面描述摩擦力的变化，可以极大地提高五轴并联装置的末端位姿定位精度，有助于实现并联装置的精密运动控制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其特征在于，所述五轴并联装置摩擦力识别方法包括如下步骤：
根据直线电机动力学模型，获取电机匀速直线运动下的驱动力方程；
根据驱动力方程，对驱动力进行频谱分析，并根据频谱波峰获取摩擦力、推力波动与外部干扰力的幅值与频率；
基于频谱分析方法，在多组不同速度工况下，获取摩擦力对应的摩擦力序列；
将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数；
根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型，并验证改进的摩擦力模型的拟合精度；
将速度与摩擦力序列输入传统摩擦力模型，辨识出具体的模型参数的具体方法包括如下步骤：
构建传统摩擦力模型；
根据摩擦力值的变化趋势将摩擦力序列分为低速与高速两部分，并假定分界点为/>；
当=0时，得到最大静摩擦力/>；
当时，对摩擦力值/>进行线性回归，得到回归模型/>；
当时，假定粘滞摩擦系数/>为0，得到公式，对公式进行线性回归获取临界速度/>以及待定系数；
根据临界速度以及待定系数/>，对粘滞摩擦系数/>进行二次辨识，得到摩擦力值的变化曲线在低速段的粘滞摩擦系数/>；
根据辨识出具体的模型参数改进摩擦力模型的具体方法包括如下步骤：
根据具体的模型参数绘出摩擦力值的变化曲线；
采用分段函数拟合摩擦力与速度之间的关系，区分出低速段与高速段；
将摩擦力模型分为低速段与高速段，分别拟合出低速段与高速段的摩擦力方程；
采用分段函数的方式对进行描述；
其中，表示摩擦力值，/>表示库伦摩擦力，/>表示最大静摩擦力，/>表示电机匀速直线运动时的运动速度，/>表示临界速度，/>表示待定系数，/>表示粘滞摩擦系数，/>表示摩擦力值/>的变化曲线在高速段的粘滞摩擦系数。
2.如权利要求1所述的一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其特征在于，所述驱动力方程如下：；
其中，为电机驱动力，/>为推力波动，/>为摩擦力，/>为外部干扰力。
3.如权利要求2所述的一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其特征在于，对驱动力进行频谱分析的具体方法包括如下步骤：
设定电机匀速直线运动时的运动时间为，运动位移为/>，对驱动力信号进行傅里叶变换，得到/>的频域信号为：/>，其中，/>为虚数单位，/>为角频率，/>为自然常数。
4.如权利要求3所述的一种五轴并联装置摩擦力识别方法，其特征在于，所述五轴并联装置包括静平台、三自由度并联机构、动平台以及末端旋转机构，所述三自由度并联机构包括三条支链，每条支链包括直线电机与连杆，三台直线电机两两之间呈60°夹角且分别安装在三组导轨上，导轨固定安装在静平台上，连杆的一端通过轴孔配合固定在直线电机上，连杆的另一端固定安装在动平台的底部，末端旋转机构包括运动末端与两个正交的旋转电机组，旋转电机组包括伺服电机、减速器与旋转臂，减速器通过轴孔配合固定安装在动平台上，减速器输出轴与旋转臂的一端紧密配合，两旋转臂的另一端分别通过螺栓固定安装在运动末端的两个正交侧面。
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