一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，该系统包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；所述控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块等组成；整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。本实用新型专利技术控制系统所涉及的数据处理模块只需简单的解算就可以获取动平台末端的位姿，实时性好，同时还提高了平面并联机构的末端轨迹跟踪精度，为平面并联机构实现亚微米级别定位精度提供了条件。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及平面并联机构末端位置测量与跟踪控制，具体涉及一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统。
技术介绍
现有技术中的并联机构具有结构刚度大、承载能力强、定位精度高等优点。尤其是近些年迅速发展的宏微双重并联平台，涉及精密制造和精微操作中的精密定位技术，分辨率、定位精度和重复定位精度可以达到亚微米至纳米，广泛应用于微操作机器人、生物医学、精密加工等领域。目前对于大部分并联机构而言，为了满足快速响应和高定位精度的要求，一般执行元件采用交流或者直流伺服电机，反馈元件采用编码器，这样伺服驱动器、伺服电机与编码器组成一个局部的闭环。工作时，安装在伺服电机轴上的脉冲编码器将测得的数据流转换为数字脉冲的位移反馈给伺服驱动器，伺服驱动器通过相应的控制算法，为伺服电机提供控制电压，以驱动电机向误差减小的方向转动。这种半闭环控制系统的缺点在于：反馈信号来源于伺服电机后的编码器，其只能保证电机输入准确；而在实际应用当中，加工误差、装配误差、关节间隙、摩擦、弹性变形等各种不确定性因素广泛存在，这使得尽管电机输入准确，但传递到动平台末端后，会引入上述误差，使平台存在位姿误差，定位精度不高。为了解决上述问题，可以采用全闭环控制方法，即在动平台末端安装一个高精度的位置反馈元件，获取经过传动链后动平台末端的实际位姿。目前已有的两种方案中，分别使用工业相机和激光位移传感器作为位置反馈元件；对于使用工业相机，其测量精度不高，且图像处理过程繁琐，耗时长，不利于并联机器人的实时跟踪控制；对于使用激光位移传感器，则至少需要三个激光位移传感器才能解算出动平台末端的位姿，这对激光位移传感器的安装精度要求较高，解算过程相当繁琐，所得位姿精度不高。
技术实现思路
针对当前获取平面并联机构末端位姿方法中出现的不足，本技术提供了一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统。该控制系统使用二维编码器作为位置反馈元件，测量并反馈动平台末端位姿，实现了平面并联机构的全闭环控制，同时提高了平面并联机构的末端轨迹跟踪精度，为平面并联机构实现亚微米级别定位精度提供了条件，解决了现有技术存在的上述问题。本技术所采用的技术方案是，一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；所述的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头和b读数头、二维光栅板夹具中的二维光栅板、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头和b读数头固定在平面并联机构动平台反面连接的支撑架上，装有二维光栅板的二维光栅板夹具固定在平面并联机构动平台下方的静平台上；两者的测量中心所在的平面平行于静平台，a读数头和b读数头的测量中心以及动平台中心定位孔O′1，在静平台上的投影共线且a读数头和b读数头等距的分布在动平台中心两侧；所述的机构回零装置，包括设置于静平台上的三个光电开关、伺服电机驱动杆上的三个遮光片，以及激光跟踪仪；所述的控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块等组成；整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。本技术所述一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，其特征还在于：所述安装于静平台上的平面并联机构为平面并联机构中任意一种，如平面3-RRR，或为平面4-RRR，或为平面3-PRR等。本技术基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，使用二维编码器作为位置反馈元件，测量并反馈动平台末端位姿，实现了平面并联机构的全闭环控制，对提高平面并联机构的定位精度和跟踪精度有显著作用。本技术通过其控制方法的简单解算就可以获取动平台末端的位姿，实时性好，且测量精度高达2μm，为平面并联机构实现亚微米级别定位精度提供了条件。附图说明图1—图4是本技术基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统结构示意图；图5是本技术基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统的原理图；图6是本技术动平台末端位姿解算图。图中，1.伺服电机，2.驱动杆，3.定位孔O′2，4.中心定位孔O′1，5.动平台，6.a读数头，7.支撑架，8.静平台，9.遮光片，10.光电开关，11.a定位孔，12.b定位孔，13.c定位孔，14.二维光栅板夹具，15.二维光栅板，16.b读数头，17.从动杆。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术进行详细说明。一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，如图1-5所示，包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置。本技术的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头6和b读数头16、二维光栅板夹具14中的二维光栅板15、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头6和b读数头16固定在平面并联机构动平台5反面连接的支撑架7上，装有二维光栅板15的二维光栅板夹具14固定在平面并联机构动平台5下方的静平台8上；两者的测量中心所在的平面平行于静平台8，a读数头6和b读数头16的测量中心以及动平台5中心定位孔O′14，在静平台上的投影共线且a读数头6和b读数头16等距的分布在动平台中心两侧，如图6所示。本技术的机构回零装置，包括设置于静平台8上的三个光电开关10、伺服电机1驱动杆2上的三个遮光片9，以及激光跟踪仪；所述的控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构本技术定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块等组成。整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。本技术安装于静平台上的平面并联机构为平面并联机构中任意一种，如平面3-RRR，或为平面4-RRR，或为平面3-PRR等。用于本技术一种基于二维编码器的平面并联机构跟踪控制系统的控制方法包括以下步骤：一，平面并联机构回零步骤对于平面并联机构，其初始位姿的精准度直接影响平面并联机构的定位精度；为了实现对平面并联机构的精密控制，首先要让平面并联机构精确回零位：第一步：通过二维光栅板夹具14上的a、b、c三个定位孔11、12和13，建立坐标系1：以b定位孔12为坐标原点，a定位孔11和b定位孔12所在的直线为x轴；静平台坐标系与坐标系1存在一个平移关系，只需将坐标系1沿y轴平移一定距离即可得到，随后将静平台坐标系设置为工作坐标系；第二步：分别测量平面并联机构动平台5上的定位孔O′14与定位孔O′23的之间位置，并测得定位孔O′14与定位孔O′23的坐标分别为(x′1,y′1)和(x′2,y′2)；将这两个定位孔坐标输入到控制装置，通过控制装置去调整动平台末端，然后再次测量定位孔O′14与定位孔O′23的坐标；如此反复调整，直到定位孔O′14的坐标为(0，0)且定位孔O′23的坐标为(0,y3)；通过上位机读取电机编码器的数值，设置三个伺服电机的编码器读数分别为a1,a2和a3；第三步：通过控制装置中的触发光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，其特征在于：包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；所述的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)、二维光栅板夹具(14)中的二维光栅板(15)、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)固定在平面并联机构动平台(5)反面连接的支撑架(7)上，装有二维光栅板(15)的二维光栅板夹具(14)固定在平面并联机构动平台(5)下方的静平台(8)上；两者的测量中心所在的平面平行于静平台(8)，a读数头(6)和b读数头(16)的测量中心以及动平台(5)中心定位孔O′1(4)，在静平台上的投影共线且a读数头(6)和b读数头(16)等距的分布在动平台中心两侧；所述的机构回零装置，包括设置于静平台(8)上的三个光电开关(10)、伺服电机(1)驱动杆(2)上的三个遮光片(9)，以及激光跟踪仪；所述的控制装置，由伺服电机控制模块、触发光电开关模块、并联机构定位控制模块以及并联机构轨迹跟踪控制模块组成；整个系统首先通过机构回零装置使平面并联机构末端位于零点，接着通过二维编码器测量平面并联机构末端的实时位姿，然后输入到控制装置，并通过控制装置驱动平面并联机构使末端按预定的轨迹实现精密定位。...

【技术特征摘要】
1.一种基于二维编码器的平面并联机构末端跟踪控制系统，其特征在于：包括安装于静平台上的平面并联机构、二维编码器测量装置、机构回零装置以及控制装置；所述的二维编码器测量装置，包括二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)、二维光栅板夹具(14)中的二维光栅板(15)、连接电缆；其中，二维编码器的a读数头(6)和b读数头(16)固定在平面并联机构动平台(5)反面连接的支撑架(7)上，装有二维光栅板(15)的二维光栅板夹具(14)固定在平面并联机构动平台(5)下方的静平台(8)上；两者的测量中心所在的平面平行于静平台(8)，a读数头(6)和b读数头(16)的测量中心以及动平台(5)中心定位孔O′1(4)，在静平台上的投影共线且a读数头(6)和b读数头(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，曾磊，莫嘉嗣，简智聪，陈婵媛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44