CN207509260U - 一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性关节‑柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，包括数据处理模块、驱动模块、机械系统模块、信号采集模块；所述数据处理模块采用工控机，包括人机交互单元和实时控制单元；所述驱动模块包括交流伺服驱动器和交流伺服电机；所述机械系统模块包括支撑座、系统基座、柔性关节及柔性臂；所述信号采集模块包括三维加速度传感器、开关电源和数据采集器，所述三维加速度传感器安装在柔性臂末端。本实用新型还提供了一种柔性关节‑柔性臂系统残余振动抑制的方法。本实用新型能快速获取柔性关节‑柔性臂系统的主振模态参数，解决由于系统模型参数不匹配致使输入整形器设计不合理的问题，能够有效地抑制机械系统的残余振动，实现机械臂快速准确的定位。

Description

一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置

技术领域

本实用新型涉及工业机器人的振动控制领域,具体涉及一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置。

背景技术

工业机器人被广泛的应用在生产制造领域，随着生产要求的提高，实现机器人高速高精度的运动变得尤为重要。然而，高速运动会使得机械臂产生较大的残余振动，实际生产中，通常需要等到残余振动消失或者衰减到允许范围内之后才能进行位置精度要求高的工序，这就很难满足生产的要求。输入整形是将初始指令与特定的脉冲序列进行卷积，生成的整形指令作为控制系统运动的输入信号。整形器脉冲序列中的每个脉冲可以激起一个振动响应，当脉冲的幅值和作用时刻设置的恰到好处时，各自激起的振动相互抵消，以达到消除系统残余振动的目的。在设计输入整形器时，整形器脉冲序列中各脉冲的幅值和作用时刻的求解要求精确的动力学模型，其解对模型具有严重的依赖性并且对模型参数的变化很敏感。

采用输入整形法抑制残余振动时，首先需要获取系统的模态参数，现有的方法主要有以下几种：通过求解动力学方程来得到模态参数；利用模态分析设备，通过锤击法等进行模态实验获得模态参数；有限元分析法获得模态参数。但这些方法不能直观的显示在实际情况下起主要作用的模态，且以简化、理想化的动力学模型为基础，这使得获取到的模态参数与实际系统的模态参数不匹配，结果往往是抑振效果不理想。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，该装置可以实时控制柔性关节-柔性臂系统的运动，方便进行残余振动的测试，采集柔性臂末端的残余振动信号。

本实用新型的目的可以通过下述技术方案来实现：

一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，

包括：数据处理模块、驱动模块、机械系统模块、信号采集模块；

所述数据处理模块采用工控机，包括人机交互单元和用于实时控制柔性臂运行的实时控制单元；

所述驱动模块包括交流伺服驱动器和交流伺服电机；所述交流伺服驱动器控制交流伺服电机按指令运行；

所述机械系统模块包括支撑座、系统基座、柔性关节以及柔性臂，所述的柔性关节通过支撑座固定在系统基座上，所述柔性臂连接柔性关节，所述柔性臂末端装有负载；

所述信号采集模块包括三维加速度传感器、开关电源和数据采集器，所述的三维加速度传感器安装在柔性臂末端，所述开关电源用于为加速度传感器和数据采集器提供恒定电压，所述数据采集器用于将所述三维加速度传感器采集的模拟信号转换成数字信号后输送所述数据处理模块。

进一步地，所述实时控制单元通过EtherCAT方式与交流伺服驱动器连接，按1ms的时间间隔将位移轨迹发送给伺服驱动器，实时控制柔性臂按S型曲线位移轨迹运行。

进一步地，所述的人机交互单元包括显示界面和算法执行器。

进一步地，所述的柔性关节包括带轮传动单元、同步带、谐波减速器，所述带轮传动单元包括主动轮和从动轮，所述主动轮与交流伺服电机直接连接，所述从动轮与所述谐波减速器直接连接，所述从动轮和主动轮通过同步带连接。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本实用新型不需要对系统进行动力学建模，就能直观的获取在实际情况下起主要作用的模态，并且能够准确识别到设计输入整形器所需的模态参数：频率和阻尼系数，通过加速设计能有效的补偿整形器带来的延时，本实用新型能够有效的抑制机械臂系统的残余振动，提高机械臂末端的跟随精度，实现机械臂快速准确的定位。

附图说明

图1是本实用新型中柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置的外观结构示意图。

图2是本实用新型中柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置各模块原理示意图。

图3是本实用新型中柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的方法的具体流程示意图。

图中：1-主动轮；2-交流伺服电机；3-同步带；4-从动轮；5-谐波减速器；6-柔性臂结构；7-负载；8-三维加速度传感器；9-支撑座；10-系统基座；11-开关电源；12-数据采集器；13-交流伺服驱动器；14-数据处理模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

现以某工业机器人的机械臂为振动控制对象，按照以下步骤进行残余振动的抑制：

如图1所示，本实施例的一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，该测试装置包括：数据处理模块14、驱动模块、机械系统模块、信号采集模块；

所述数据处理模块14采用华研IPC-510嵌入式工控机，包括实时控制单元和人机交互单元；数据处理模块的实时控制单元和人机交互单元均在Microsoft Visual Studio2010平台上开发，实时控制单元内置了柔性臂运行的位移轨迹：S型曲线，实时控制单元通过EtherCAT方式与伺服驱动器联接，按1ms的间隔将位移轨迹发送给伺服驱动器13，实时控制柔性臂6的运行；人机交互单元包括显示界面和算法执行器；

所述驱动模块由交流伺服驱动器13和交流伺服电机2组成，采用台达公司的ASD-A2Ether-CAT通讯型交流伺服驱动器13和ECMA-CA0604SS型交流伺服电机2，伺服驱动器控制伺服电机按指令运行；

所述机械系统模块包括支撑座9、系统基座10、柔性关节以及柔性臂6，所述的柔性关节通过支撑座9固定在系统基座10上，所述柔性臂6连接柔性关节，所述柔性臂6末端装有负载7，所述的柔性关节包括带轮传动单元、同步带3、谐波减速器5，所述带轮传动单元包括主动轮1和从动轮4，所述主动轮1与交流伺服电机2直接连接，所述从动轮4与所述谐波减速器5直接连接，所述从动轮4和主动轮1通过同步带3连接。

所述信号采集模块包括三维加速度传感器8、开关电源11和数据采集器12，所述三维加速度传感器8采用德国KISTLER公司的8395A型三维加速度传感器，测量范围为-300m/s²～+300m/s²；所述开关电源11采用MEAN WELL公司生产的NES-150-24型开关电源；所述数据采集器12采用德国倍福自动化有限公司生产的EK1100型模块；三维加速度传感器8安装在柔性臂6末端，开关电源11为加速度传感器8和数据采集器12提供24v恒定电压，数据采集器12将三维加速度传感器8采集的模拟信号转换成数字信号后输送回工控机。

如图2所示，一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的方法，包括如下步骤：

S1、柔性臂按预定位移输入信号运行，三维加速度传感器采集柔性臂末端的残余振动信号；

S2、对采集到的残余振动信号进行快速傅立叶变换计算，获取振动信号的频谱图；

S3、根据振动信号的频谱图筛选主振模态的频率；

S4、设置带通滤波器筛选主振信号，采用对数衰减法解算主振模态的阻尼系数；

S5、根据识别到的模态参数设计零振动(ZV)型输入整形器：

其中：

S6、通过对位移输入信号进行加速设计，补偿整形器的延时；

S7、将加速设计后的输入信号与整形器进行卷积，得到整形后的输入信号，将整形信号传送给控制系统实现机械臂残余振动的抑制。

具体而言，所述步骤S1具体包括：工控机将位移信号离散处理，按每毫秒的时间间隔发送给交流伺服控制器，交流伺服电机驱动柔性臂按输入信号运动，位移信号结束时三维加速度传感器同步采集柔性臂末端振动信号，信号采集模块将三维加速度传感器采集到的残余振动信号进行离散处理，传回工控机。

具体而言，所述步骤S3具体包括：

S301、设定频谱幅度比较阈值A_v；

S302、设定频率变化阈值ω_v；

S303、筛选幅值大于A_v的峰值频率ω_i；

S304、比较相邻的峰值频率ω_i，若ω_i+1-ω_i<ω_v，则当成同一阶模态频率。

具体而言，所述步骤S4具体包括：

S401、对原始残余振动信号进行带通滤波筛选主振信号；

S402、机械臂系统的传递函数为：

单位脉冲响应为：

其中：ω_n为自然频率，ζ为阻尼比，k为增益,为系统阻尼频率，

第i阶模态下的振动信号为：

其中：i为主振模态序号，N为主振模态的数量；

S403、由式(3)可知，振动信号为衰减的正弦信号，其包络线为：

设振动信号中两个连续的峰值为Yn和Yn+1，则：

具体而言，所述步骤S6具体包括：

S601、典型的整形器可表示为：

其中n为脉冲数，整形器给系统带来的延时为t_n；

S602、对原期望的输入轨迹S(t)(t∈[0,T])进行加速变化得到S_acc(τ)(τ∈[0,T-t_acc])，其中t_n≤t_acc<T,取系数

则S_acc(τ)＝S_acc(kt)＝S(t),t∈[0,T]。

具体而言，所述步骤S7中，所述将加速设计后的输入信号与整形器进行卷积，得到整形后的输入信号的步骤具体包括：对加速后的轨迹S_acc(τ)进行整形，得到整形后的轨迹S_IS＝f_IS*S_acc，设整形器包含n个脉冲，则整形后的轨迹为：

其中S'_acc(t)是对s_acc(t)的扩展，即：

式中，u(t)是单位阶跃函数：

上述实施例仅仅是为清楚的说明本实用新型，为本实用新型较佳的实施方式，而并非是对本实用新型实施方式的限定。在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和变形，而这些属于本实用新型的实质精神的所引伸的显而易见的变化和变形，仍包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，其特征在于，包括：数据处理模块、驱动模块、机械系统模块、信号采集模块；

所述数据处理模块采用工控机，包括人机交互单元和用于实时控制柔性臂运行的实时控制单元；

所述驱动模块包括交流伺服驱动器和交流伺服电机；所述交流伺服驱动器控制交流伺服电机按指令运行；

所述机械系统模块包括支撑座、系统基座、柔性关节以及柔性臂，所述的柔性关节通过支撑座固定在系统基座上，所述柔性臂连接柔性关节，所述柔性臂末端装有负载；

所述信号采集模块包括三维加速度传感器、开关电源和数据采集器，所述的三维加速度传感器安装在柔性臂末端，所述开关电源用于为加速度传感器和数据采集器提供恒定电压，所述数据采集器用于将所述三维加速度传感器采集的模拟信号转换成数字信号后输送所述数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，其特征在于：所述实时控制单元通过EtherCAT方式与交流伺服驱动器连接，按1ms的时间间隔将位移轨迹发送给伺服驱动器，实时控制柔性臂按S型曲线位移轨迹运行。

3.根据权利要求1所述的一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，其特征在于：所述的人机交互单元包括显示界面和算法执行器。

4.根据权利要求1所述的一种柔性关节-柔性臂系统残余振动抑制的测试装置，其特征在于：所述的柔性关节包括带轮传动单元、同步带、谐波减速器，所述带轮传动单元包括主动轮和从动轮，所述主动轮与交流伺服电机直接连接，所述从动轮与所述谐波减速器直接连接，所述从动轮和主动轮通过同步带连接。