CN117452296B - 一种基于六维协助机器人的磁场测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六维协助机器人的磁场测量系统和方法，属于回旋加速器中心平面的磁场测量技术领；该系统包括PLC控制柜、与PLC控制柜分别双向连接的开环数据补偿子系统、开环测量磁场子系统；该开环数据补偿子系统用于在测量磁场之前模拟加速器环境，进行长杆测量臂位置的离线测量校准；该开环测量磁场子系统用于开环测量回旋加速器中心平面磁场测量数据；该方法包括：开环数据补偿子系统离线进行开环位置测量校准、生成六维补偿数据；进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据。本发明在实际磁场测量的过程中为开环测量，每个点的定位时间可以极大的缩减，通过离线测量补偿，来实现保证磁场测量中心平面的定位精度。

Description

一种基于六维协助机器人的磁场测量系统和方法

技术领域

本发明属于回旋加速器中心平面的磁场测量技术领域，尤其涉及一种基于六维协助机器人的磁场测量系统和方法。

背景技术

磁场测量是回旋加速器生产制造过程中的重要环节，磁场测量为回旋加速器等时性垫补和束流动力学计算提供输入数据，是加速器生产过程中不可或缺的环节。

现有回旋加速器磁场测量总体方案如图1所示，整个测磁仪机械装置安装在回旋加速器内部，包括定制加工的测磁仪机械支撑、运动及位置反馈装置、磁场测量霍尔探头和软件系统组成。测磁仪机械装置都是根据加速器尺寸定制的可以角向、径向运动机构，磁场测量霍尔探头在测磁仪的测量臂上完成在中心平面的角向和径向运动和定位，实现对整个主磁场中心平面的逐点矩阵式测量，实现在中心平面上半径方向上1cm一个点，角度方向上1度一个点，通过霍尔探头准点测量中心平面磁场。测磁仪的机械装置还需要配置用于位置反馈的编码器，通过磁场测量硬件设备，软件系统完成运动控制定位和磁场测量数据获取。

现有的这种磁场测量装置的机械结构存在以下问题：①由于安装在回旋加速器的内部，所以必须根据回旋加速器的尺寸大小进行定制；②为了保证磁场位置测量的精度，还需要配置编码器进行位置反馈；③这种结构的磁场测量仪在每次安装到回旋加速器内部的时候都需要进行大量的调平工作，保证测磁仪运动在中心平面上。④这种定制机械结构的测磁仪缺点在于：针对半径尺寸的回旋加速器，需要定制不同机械支撑托盘，并且机械结构复杂，需要对测磁仪机械机构进行安装调平，位于中心平面的平整度是通过调节机械支撑圆盘来实现的，机械调平精度要求较高，调平难度较大，机械安装工序复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种基于六维协助机器人的磁场测量系统和方法，第一目的在于解决由于该装置安装在回旋加速器的内部，所以必须根据回旋加速器的尺寸大小进行定制的问题；第二目的在于解决这种结构的磁场测量仪在每次安装进回旋加速器内部的时候都需要进行大量的调平工作，机械调平精度要求较高，调平难度较大，机械安装工序复杂的问题。

本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案：

一种基于六维协助机器人的磁场测量系统，该磁场测量系统包括PLC控制柜、与PLC控制柜分别双向连接的开环六维数据补偿子系统、开环测磁子系统；

其特点是：所述开环六维数据补偿子系统用于在测量磁场之前，模拟加速器环境，进行模拟环境中长杆测量臂位置的离线测量校准、生成长杆测量臂在模拟环境中的加速器中心平面测量点矩阵的六维补偿数据；所述开环测磁子系统用于在完成长杆测量臂的位置校准后，进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场测量数据；所述六维补偿数据是指面的六维补偿数据、面的六维补偿数据由各个点的三维补偿数据组成。

进一步地，所述开环六维数据补偿子系统包括运动控制子单元、六维数据补偿子单元、PCL控制柜；所述六维数据补偿子单元包括激光跟踪仪，激光跟踪仪包括激光跟踪仪测量靶球，将激光跟踪仪测量靶球安装在长杆测量臂霍尔探头的位置，长杆测量臂的一端安装激光跟踪仪测量靶球，另一端连接运动控制子单元的六维机器人机械臂；激光跟踪仪测量模拟环境中每个矩阵点的三维空间误差数据、并计算出面的六维补偿数据、将面的六维补偿数据发送给PLC控制柜；所述PLC控制柜将六维补偿数据输入给运动控制子单元的六维协助机器人，六维协助机器人机械臂接受指令，带动安装激光测距仪的长杆测量臂完成模拟环境中每个矩阵点的三维补偿动作。

进一步地，所述开环六维数据补偿子系统获取六维补偿数据时，为开环控制，所述开环控制就是PLC控制柜多次对六维协助机器人输入六维补偿数据，六维机器人多次重新走一遍矩阵中的点，使用激光跟踪仪跟踪记录每个点的误差，重复多遍，直至每个点的三维误差满足±0.5mm，则补偿计算完成。

进一步地，所述开环测磁子系统包括运动控制子单元、测磁数据采集子单元、PCL控制柜；该测磁数据采集子单元包括霍尔探头，将霍尔探头安装在长杆测量臂测量端的位置，长杆测量臂的一端安装霍尔探头，另一端连接运动控制子单元的六维机器人机械臂；在测量磁场之前，长杆测量臂在六维机器人机械臂的带动下已经完成了在模拟加速器环境中每个矩阵点的三维空间位置的校正，在加速器工作状态下，长杆测量臂在机器人机械臂的控制下依然保持校正后的位置，依次测量加速器中心平面每个矩阵点的磁场数据，并保存成为CSV格式。

进一步地，所述开环测磁子系统的长杆测量臂在测量磁场时为开环控制，即是：长杆测量臂在测量每个矩阵点的磁场时，只需测量当前矩阵点的磁场值而无需反馈其位置，其定位精度是由六维机器人机械臂重复定位精度保证，并且无需通过闭环控制调整其在当前点的位置。

一种基于六维协助机器人的磁场测量方法，其特点是：该测量方法包括以下步骤：

步骤一、开环六维数据补偿子系统离线进行开环位置测量校准、生成回旋加速器中心平面测量点矩阵的面的六维补偿数据；

步骤二、开环测磁子系统进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据。

所述步骤一离线进行位置测量校准的具体过程如下：

1）在加速器以外的空旷场地中，模拟粒子运动的物理轨迹；

2）在长杆测量臂安装霍尔探头的位置安装激光跟踪仪测量靶球，在长杆测量臂另一端连接六维协助机器人机械臂；

3）激光跟踪仪测量靶球依次测量中心平面每个矩阵点的三维坐标置，再将该三维坐标置和输入的三维标准数据进行对比，并记录误差数据、生成矩阵表六维补偿数据反馈给PLC控制柜；所述误差是由于长杆臂机械形变导致的长杆臂在运动过程中发生的包括物理下垂的6个维度的物理偏差；

4）PLC控制柜将六维补偿数据发送给六维协助机器人；

5）六维协助机器人通过机器人机械臂调整长杆测量臂测量端头的位置，所述长杆测量臂测量端头的位置就是安装激光跟踪仪测量靶球的位置。

所述步骤一离线开环进行位置测量校准的具体过程如下：

1）激光跟踪仪测量靶球在机器人机械臂的带动下重新走一遍矩阵中的点；

2）使用激光跟踪仪跟踪记录每个矩阵点的误差；

3）重复多次，直至每个点的三维误差满足±0.5mm，则计算补偿完成。

所述步骤二的开环测磁子系统进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据；具体过程如下：

1）加速器工作环境中的测量点矩阵等效于模拟环境中的测量点矩阵；加速器工作环境中的长杆测量臂位置校正等效于模拟环境中的长杆测量臂位置校正；长杆测量臂在进入加速器工作环境测量磁场之前，已经完成了测量矩阵点每个点的三维空间位置校正；

2）长杆测量臂进入回旋加速器工作环境时，将模拟环境下安装激光跟踪仪测量靶球的一端重新安装霍尔探头；

3）加电，依次测量加速器中心平面测量点矩阵每个矩阵点的磁场，并保存。

所述步骤二的开环测量回旋加速器中心平面磁场数据，具体如下：

1）长杆测量臂测量磁场时，其在每个矩阵测量点的位置已经调整好；

2）长杆测量臂只需测量当前矩阵测量点的磁场值而无需反馈其位置。

1、使用本专利中的基于六维协助机器人的方式进行磁场测量垫补，不需要定制安装复杂的测磁仪，并且可以对各种类型大小的回旋加速器的中心平面磁场进行精准测量。

2、使用本专利方式，通过六维协助机器人，通过对翻滚、倾斜、旋转这3个自由度的补偿，可以实现保证每个点的中心平面的平整度在±0.5mm内，不需要通过复杂的机械调平来实现中心平面的平整度。

3、在实际磁场测量的过程中为开环测量，每个点的定位时间可以极大的缩减，是通过离线测量补偿，来实现保证磁场测量中心平面的定位精度。

附图说明

图1为现有技术的磁场测量装置示意图；

图2为本发明的磁场测量装置示意图；

图3为本发明基于六维协助机器人的磁场测量系统框架图；

图4为本发明开环六维数据补偿子系统功能框图；

图5为本发明开环测磁子系统功能框图。

图中，1：测量臂；2：支撑盘；3：支撑杆；

实施方式

本发明设计原理

1、测量磁场的二个关键点。第一个关键是测磁之前需要对测磁仪机械机构进行安装调平。之所以要调平是因为长杆测量臂很长，从一端到另一端会发生下垂，现有技术为了防止下垂，如图1的现有技术的磁场测量装置示意图所示，采用在长杆测量臂的下方设置机械圆盘和机械圆盘以外的支撑结构，由机械圆盘和支撑结构共同支撑长杆臂，但是这样做带来的弊病是：①圆盘支撑装置受到加速器半径的限制、必须定制，并且由于布设在加速器内部，占用加速器空间太多；②机械安装调平工作非常耗时，大约占一半以上的时间。第二个关键点是测磁过程中长杆测量臂找平以外，长杆测量在二维平面的每个矩阵测量点的位置也必须精确定位，如果不能精准定位，则测量的磁场也是不准确的。所述长杆测量臂在二维平面上的定位就是沿着径向和角向的定位。现有技术采用实时定位、实时测量的方法：通过测磁装置上安装的光栅尺和编码器实时反馈每个矩阵测量点的径向和角向位置，控制器将反馈的位置和输入的理想位置进行对比，对比后通过电机带动长杆测量臂纠正位置。由于采用电机移动的方法纠正误差不会一次完成而需要多次，所以每个矩阵点需要反复2-3才能把位置找准，每个矩阵点大约需要几秒钟才能完成，如果一个加速器有几万个矩阵点，每个矩阵点需要几秒钟，全部矩阵点测量完毕就需要一天多的时间。

2、本发明设计难点：难点在于：虽然能够用激光跟踪仪代替光栅尺、编码器、机械支撑圆盘和支撑结构，来测量长杆测量臂的六维位置误差，但是因为加速器中心平面的间隙只有1厘米，1厘米的间隙不能容纳激光测距仪，而测量磁场必须使测量装置伸进极速器中心平面才可以进行。

3、本发明设计原理：①本发明用预处理的方法解决了长杆测量臂的定位问题，所述预处理的方法就是在加速器以外的的空旷的场地上模拟粒子运动轨迹并沿着该运动轨迹进行每个矩阵点的测量。由于是空旷场地，不受加速器1厘米间隙的制约，激光跟踪仪能够不受约束第被安装在长杆测量臂霍尔探头的位置进行每个矩阵点的六维数据测量。②利用六维协助机器人具有很好的重复性的特性解决预处理阶段定位耗时问题。所述六维协助机器人具有很好的重复性就是：在同一个矩阵点上一次和这一点的机械臂定位精度相差无几，上一次和这一次的控制精度能够达到0.02mm，满足了小于0.05mm的精度要求。利用六维协助机器人这个特性，在预处理阶段采用开环控制的方法，开环控制的方法就是无需在每一点矩阵点循环定位，采用每个矩阵点只校正一次，几万个点都走一遍后，再整体再重复第二遍，全部矩阵点的定位时间能够节省至少三分之一。

4、本发明创新点：创新点在于将激光跟踪仪的优势、六维协助机器人的优势、预处理的优势、霍尔探头的优势四者有机结合，解决了磁场测量耗时长的问题，以上四个方面相互依赖相互依存，缺一不可：如果不是将预处理和实测磁场分开进行，则激光跟踪仪就没有用武之地，因为激光跟踪仪不能伸进加速器中心平面测量，只能离线测量；如果没有霍尔探头，则长杆测量臂即使校正了位置也没有用武之地；如果没有六维协助机器人，则尽管是离线进行，但离线定位的时间仍然很长没有改变。如果没有激光跟踪仪，就不能摆脱机械圆盘的支撑，那前期的占有二分之一时长的调平工作依然必不可少。

基于以上原理，本发明设计了一种基于六维协助机器人的磁场测量系统，如图2的本发明的磁场测量装置示意图、图3的基于六维协助机器人的磁场测量系统框架图所示，该磁场测量系统包括PLC控制柜、与PLC控制柜分别双向连接的开环六维数据补偿子系统、开环测磁子系统；

其特点是：所述开环六维数据补偿子系统用于在测量磁场之前，模拟加速器环境，进行模拟环境中长杆测量臂位置的离线测量校准、生成长杆测量臂在模拟环境中的加速器中心平面测量点矩阵的六维补偿数据；所述开环测磁子系统用于在完成长杆测量臂的位置校准后，进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场测量数据；所述六维补偿数据是指面的六维补偿数据、面的六维补偿数据由各个点的三维补偿数据组成。

进一步地，如图4的开环六维数据补偿子系统功能框图所示，所述开环六维数据补偿子系统包括运动控制子单元、六维数据补偿子单元、PCL控制柜；所述六维数据补偿子单元包括激光跟踪仪，激光跟踪仪包括激光跟踪仪测量靶球，将激光跟踪仪测量靶球安装在长杆测量臂霍尔探头的位置，长杆测量臂的一端安装激光跟踪仪测量靶球，另一端连接运动控制子单元的六维机器人机械臂；激光跟踪仪测量模拟环境中每个矩阵点的三维空间误差数据、并计算出面的六维补偿数据、将面的六维补偿数据发送给PLC控制柜；所述PLC控制柜将六维补偿数据输入给运动控制子单元的六维协助机器人，六维协助机器人机械臂接受指令，带动安装激光测距仪的长杆测量臂完成模拟环境中每个矩阵点的三维补偿动作。

进一步地，所述开环六维数据补偿子系统获取六维补偿数据时，为开环控制，所述开环控制就是PLC控制柜多次对六维协助机器人输入六维补偿数据，六维机器人多次重新走一遍矩阵中的点，使用激光跟踪仪跟踪记录每个点的误差，重复多遍，直至每个点的三维误差满足±0.5mm，则补偿计算完成。

进一步地，如图5的开环测磁子系统功能框图所示，所述开环测磁子系统包括运动控制子单元、测磁数据采集子单元、PCL控制柜；该测磁数据采集子单元包括霍尔探头，将霍尔探头安装在长杆测量臂测量端的位置，长杆测量臂的一端安装霍尔探头，另一端连接运动控制子单元的六维机器人机械臂；在测量磁场之前，长杆测量臂在六维机器人机械臂的带动下已经完成了在模拟加速器环境中每个矩阵点的三维空间位置的校正，在加速器工作状态下，长杆测量臂在机器人机械臂的控制下依然保持校正后的位置，依次测量加速器中心平面每个矩阵点的磁场数据，并保存成为CSV格式。

进一步地，所述开环测磁子系统的长杆测量臂在测量磁场时为开环控制，即是：长杆测量臂在测量每个矩阵点的磁场时，只需测量当前矩阵点的磁场值而无需反馈其位置，其定位精度是由六维机器人机械臂重复定位精度保证，并且无需通过闭环控制调整其在当前点的位置。

一种基于六维协助机器人的磁场测量方法，其特点是：该测量方法包括以下步骤：

步骤一、开环六维数据补偿子系统离线进行开环位置测量校准、生成回旋加速器中心平面测量点矩阵的面的六维补偿数据；

步骤二、开环测磁子系统进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据。

所述步骤一离线进行位置测量校准的具体过程如下：

1）在加速器以外的空旷场地中，模拟粒子运动的物理轨迹；

2）在长杆测量臂安装霍尔探头的位置安装激光跟踪仪测量靶球，在长杆测量臂另一端连接六维协助机器人机械臂；

3）激光跟踪仪测量靶球依次测量中心平面每个矩阵点的三维坐标置，再将该三维坐标置和输入的三维标准数据进行对比，并记录误差数据、生成矩阵表六维补偿数据反馈给PLC控制柜；所述误差是由于长杆臂机械形变导致的长杆臂在运动过程中发生的包括物理下垂的6个维度的物理偏差；

4）PLC控制柜将六维补偿数据发送给六维协助机器人；

5）六维协助机器人通过机器人机械臂调整长杆测量臂测量端头的位置，所述长杆测量臂测量端头的位置就是安装激光跟踪仪测量靶球的位置。

所述步骤一离线开环进行位置测量校准的具体过程如下：

1）激光跟踪仪测量靶球在机器人机械臂的带动下重新走一遍矩阵中的点；

2）使用激光跟踪仪跟踪记录每个矩阵点的误差；

3）重复多次，直至每个点的三维误差满足±0.5mm，则计算补偿完成。

所述步骤二的开环测磁子系统进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据；具体过程如下：

1）加速器工作环境中的测量点矩阵等效于模拟环境中的测量点矩阵；加速器工作环境中的长杆测量臂位置校正等效于模拟环境中的长杆测量臂位置校正；长杆测量臂在进入加速器工作环境测量磁场之前，已经完成了测量矩阵点每个点的三维空间位置校正；

2）长杆测量臂进入回旋加速器工作环境时，将模拟环境下安装激光跟踪仪测量靶球的一端重新安装霍尔探头；

3）加电，依次测量加速器中心平面测量点矩阵每个矩阵点的磁场，并保存。

所述步骤二的开环测量回旋加速器中心平面磁场数据，具体如下：

1）长杆测量臂测量磁场时，其在每个矩阵测量点的位置已经调整好；

2）长杆测量臂只需测量当前矩阵测量点的磁场值而无需反馈其位置。

需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种基于六维协助机器人的磁场测量系统，该磁场测量系统包括PLC控制柜、与PLC控制柜分别双向连接的开环六维数据补偿子系统、开环测磁子系统；

其特征在于：所述开环六维数据补偿子系统用于在测量磁场之前，模拟加速器环境，进行模拟环境中长杆测量臂位置的离线测量校准、生成长杆测量臂在模拟环境中的加速器中心平面测量点矩阵的六维补偿数据；所述开环测磁子系统用于在完成长杆测量臂的位置校准后，进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场测量数据；所述六维补偿数据是指面的六维补偿数据、面的六维补偿数据由各个点的三维补偿数据组成；

所述开环六维数据补偿子系统包括运动控制子单元、六维数据补偿子单元、PCL控制柜；所述六维数据补偿子单元包括激光跟踪仪，激光跟踪仪包括激光跟踪仪测量靶球，将激光跟踪仪测量靶球安装在长杆测量臂霍尔探头的位置，长杆测量臂的一端安装激光跟踪仪测量靶球，另一端连接运动控制子单元的六维机器人机械臂；激光跟踪仪测量模拟环境中每个矩阵点的三维空间误差数据、并计算出面的六维补偿数据、将面的六维补偿数据发送给PLC控制柜；所述PLC控制柜将六维补偿数据输入给运动控制子单元的六维协助机器人，六维协助机器人机械臂接受指令，带动安装激光测距仪的长杆测量臂完成模拟环境中每个矩阵点的三维补偿动作；

所述开环测磁子系统包括运动控制子单元、测磁数据采集子单元、PCL控制柜；该测磁数据采集子单元包括霍尔探头，将霍尔探头安装在长杆测量臂测量端的位置，长杆测量臂的一端安装霍尔探头，另一端连接运动控制子单元的六维机器人机械臂；在测量磁场之前，长杆测量臂在六维机器人机械臂的带动下已经完成了在模拟加速器环境中每个矩阵点的三维空间位置的校正，在加速器工作状态下，长杆测量臂在机器人机械臂的控制下依然保持校正后的位置，依次测量加速器中心平面每个矩阵点的磁场数据，并保存成为CSV格式。

2.根据权利要求1所述一种基于六维协助机器人的磁场测量系统，其特征在于：所述开环六维数据补偿子系统获取六维补偿数据时，为开环控制，所述开环控制就是PLC控制柜多次对六维协助机器人输入六维补偿数据，六维机器人多次重新走一遍矩阵中的点，使用激光跟踪仪跟踪记录每个点的误差，重复多遍，直至每个点的三维误差满足±0.5mm，则补偿计算完成。

3.根据权利要求1所述一种基于六维协助机器人的磁场测量系统，其特征在于：所述开环测磁子系统的长杆测量臂在测量磁场时为开环控制，即是：长杆测量臂在测量每个矩阵点的磁场时，只需测量当前矩阵点的磁场值而无需反馈其位置，其定位精度是由六维机器人机械臂重复定位精度保证，并且无需通过闭环控制调整其在当前点的位置。

4.一种基于权利要求1-3任意一项的一种基于六维协助机器人的磁场测量系统的基于六维协助机器人的磁场测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

步骤一、开环六维数据补偿子系统离线进行开环位置测量校准、生成回旋加速器中心平面测量点矩阵的面的六维补偿数据；

步骤二、开环测磁子系统进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据。

5.根据权利要求4所述一种基于六维协助机器人的磁场测量方法，其特征在于：所述步骤一开环六维数据补偿子系统离线进行开环位置测量校准、生成回旋加速器中心平面测量点矩阵的面的六维补偿数据的具体过程如下：

1）在加速器以外的空旷场地中，模拟粒子运动的物理轨迹；

2）在长杆测量臂安装霍尔探头的位置安装激光跟踪仪测量靶球，在长杆测量臂另一端连接六维协助机器人机械臂；

3）激光跟踪仪测量靶球依次测量中心平面每个矩阵点的三维坐标置，再将该三维坐标置和输入的三维标准数据进行对比，并记录误差数据、生成矩阵表六维补偿数据反馈给PLC控制柜；所述误差是由于长杆臂机械形变导致的长杆臂在运动过程中发生的包括物理下垂的6个维度的物理偏差；

4）PLC控制柜将六维补偿数据发送给六维协助机器人；

5）六维协助机器人通过机器人机械臂调整长杆测量臂测量端头的位置，所述长杆测量臂测量端头的位置就是安装激光跟踪仪测量靶球的位置；

6）激光跟踪仪测量靶球在机器人机械臂的带动下重新走一遍矩阵中的点；

7）使用激光跟踪仪跟踪记录每个矩阵点的误差；

8）重复多次，直至每个点的三维误差满足±0.5mm，则计算补偿完成。

6.根据权利要求4所述一种基于六维协助机器人的磁场测量方法，其特征在于：所述步骤二的开环测磁子系统进入回旋加速器工作环境，开环测量回旋加速器中心平面磁场数据的具体过程如下：

1）加速器工作环境中的测量点矩阵等效于模拟环境中的测量点矩阵；加速器工作环境中的长杆测量臂位置校正等效于模拟环境中的长杆测量臂位置校正；长杆测量臂在进入加速器工作环境测量磁场之前，已经完成了测量矩阵点每个点的三维空间位置校正；

2）长杆测量臂进入回旋加速器工作环境时，将模拟环境下安装激光跟踪仪测量靶球的一端重新安装霍尔探头；

3）加电，依次测量加速器中心平面测量点矩阵每个矩阵点的磁场，并保存。