一种串并联式Stewart平台机构的误差分析

设计了一种由双级并联机构组成的位姿精调试验平台 ,分析了平台上每个铰链点的位置误差和各支链的长度误差对试验平台末端执行器运动精度的影响 ,建立了试验平台末端误差的数学模型。仿真结果表明 ,该机构的位姿误差具有线性叠加性 ,这种串并联平台末端误差的相对变化量很小 ,基于该构型的试验平台可达到较高运动精度。     

基于D-H矩阵的2-RPaRSS并联机构位姿误差建模与补偿

针对4自由度2-RPaRSS并联机构,利用D-H变换矩阵法建立了机构运动学及单条支链的位姿误差模型,并由此得到了机构基于各运动副误差(制造误差、安装误差、磨损误差等)的动平台位姿误差模型;运用该误差模型对2-RPaRSS并联机构的进行了误差分析和计算,给出了机构驱动角对动平台位姿误差的影响情况;同时建立了单支链的误差辨识模型,并由NSGA2算法求得了各误差的近似最优解,通过误差补偿使并联机构的位姿精度得到明显提高。     

一种新型并联机构位姿误差建模及灵敏度分析

利用齐次坐标变换推导了一种新型五自由度平动、转动独立的复合机构的位姿反解。基于位姿反解和一阶泰勒展开,建立了考虑机构形位尺寸误差、转动副间隙误差和驱动误差的位姿误差计算模型。应用误差模型能够得出末端执行器位姿误差和各个误差源之间的显式映射关系,定量地分析各个误差源对机构运动精度的影响程度,从而确定机构中影响其运动精度的关键环节。应用差分法就机构位置误差对主要设计变量的灵敏度进行了分析计算。灵敏度分析有助于合理确定机构的设计参数。位姿误差建模及灵敏度分析为该复合机构的优化设计和误差补偿提供了理论基础。     

一种新型并联机构位姿误差建模及灵敏度分析

利用齐次坐标变换推导了一种新型五自由度平动、转动独立的复合机构的位姿反解。基于位姿反解和一阶泰勒展开,建立了考虑机构形位尺寸误差、转动副间隙误差和驱动误差的位姿误差计算模型。应用误差模型能够得出末端执行器位姿误差和各个误差源之间的显式映射关系,定量地分析各个误差源对机构运动精度的影响程度,从而确定机构中影响其运动精度的关键环节。应用差分法就机构位置误差对主要设计变量的灵敏度进行了分析计算。灵敏度分析有助于合理确定机构的设计参数。位姿误差建模及灵敏度分析为该复合机构的优化设计和误差补偿提供了理论基础。     

3-PPPS并联机翼调姿机构运动学标定

为解决一种3-PPPS并联机翼调姿机构因制造、装配过程中存在的误差因素所引起的调姿精度不高的问题,考虑了调姿系统结构误差因素对调姿机构位姿精度的影响。采用空间矢量链建立机翼部件调姿位移逆解方程,通过微分机构运动学方程,得到包含39项误差源的调姿机构位姿误差与几何误差之间的映射方程。利用激光跟踪仪测量调姿机构测量机翼参考点位置和定位器各轴的实际驱动量。通过最小二乘迭代法辨识出定位器结构误差,修正定位器反向驱动位移求解参数。经过运动学标定实验后,调姿平台的位置最大误差由2.68 mm降为0.82mm,角度最大误差由0.481°降为0.167°,从而验证了标定方法的有效性。     

A New Method for Measuring the Movable Platform Position and Orientation of Parallel Machine Tool

提出一种采用附加测量机构直接测量并联机床运动平台位姿精度的方法。其基本思想是根据运动平台的运动特性在固定平台和运动平台之间增设附加测量机构,当运动平台运动时带动测量机构运动,通过安装在测量机构上的传感器测得广义坐标参量,经运动学建模即可得到运动平台的位姿。当测量机构位姿正解求解速度满足实时控制要求时,利用该反馈信息对机床进行实时精度补偿和控制。基于上述思想建立的并联机床位姿测量系统可部分排除机床切削力变形和运动副间隙等误差,从而提高机床的位姿测量精度。以一种五坐标并联机床为例,介绍采用附加测量机构直接测量运动平台位姿精度的建模方法。其中,测量机构的综合十分重要。测量机构的组成决定了运动学模型的复杂程度,即决定了运动学模型的计算效率。     

一种少自由度飞行模拟运动平台误差分析

将一种少自由度并联机构3-PRS用作飞行模拟运动平台,为使该平台运动精度满足系统要求,对其进行误差分离与灵敏度分析。通过研究平台运动学逆解模型获得驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵,采用空间闭环误差矢量链的误差建模方法,对运动平台进行误差建模,获得各个几何误差源与终端输出位姿误差之间的映射函数,在所建立的全误差源模型的基础上,利用解析法去除冗余误差源后,借助驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵将影响该平台末端可补偿位姿误差的误差源和不可补偿位姿误差的误差源分离。最后,在整个运动空间内,借助灵敏度分析,获得影响末端不可补偿位姿误差源的全局灵敏度影响系数。根据灵敏度影响系数可指导前期设计阶段各零部件公差等级的选择以及装配阶段装配公差的确定,研究结果对同类少自由度并联机构具有指导意义。     

6-PSS并联机构误差分析及标定

为提高6-PSS并联机构的运动精度,需对其进行误差分析和标定研究。利用矢量法构建并联6自由度机构的误差模型,根据MATLAB计算得到机构的误差源对动平台末端位姿影响的灵敏度。对机构进行误差综合分析,结合运动学正解和逆解,提出一种新的基于机构坐标轴姿态约束的运动学标定方法。根据测量初始值,利用标定算法解算得到机构的标定值。借助外部检测设备测量得机构标定前和标定后的位移和角度误差,标定后位移误差由10mm减小到1mm,角度误差由0．3°减小到0．1°。以实际测量数据验证了该标定方法的有效性和正确性,并最终提高了并联机构的运动精度。     

空间3自由度并联机构的影响系数分析

研究3-RPS并联机构的一种精度分析方法,引入影响系数(感度)概念,建立了3-RPS并联机构的位姿正解方程及影响系数的数学模型,运用误差独立作用原理,分析了影响机构尺寸和运动性能的因素,为并联机构运动性能分析提供依据.     

五自由度并联机构正解新数值算法

以五自由度并联机构为研究对象,提出一种新的并联机构正解数值算法。新算法以一组随意的平台位姿参数作为迭代初始值,根据并联机构杆长特征对动平台位姿参数进行反复校正,直至得到所需任意精度的机构正解。用新算法和传统Newton-Raphson数值迭代法分别对五自由度并联机构正解进行求解,参照Pro/E机构分析中测得的数据,分析对比两种算法求解误差、计算时间、迭代次数,总结出新算法,具有求解思路清晰,计算量小,收敛速度快,且算法收敛性对迭代初始值敏感度低等优点,有利于并联机构实时控制。     

动载体光电平台角位移精密测量方法研究

提出了用位移传感器实时测量动载体光电平台六自由度位移的方法,并推导了该方法的理论公式,即通过坐标变换推导出了平台惯性坐标系、平台固连坐标系及传感器平面坐标系之间的关系,得到了传感器测试信号与平台位移量之间的关系式。通过传感器采集的实时位移值,计算出了平台六自由度位移,并分析了影响该方法测试精度的多个因素,得出了该方法可通过选用不同频带、不同精度的传感器,实现不同振动环境下隔振平台六自由度位移的动态精密测量的结论。理论分析表明,该测量方法简单有效,适用范围广,有较大的推广价值。     

基于Pro/TOOLKIT的卫星平台精度分配系统开发

从通用卫星平台的结构出发,建立了其空间尺寸链,分析了影响装配精度的误差因素,根据系统的功能需求特点,阐述了系统的数据流程,着重研究了基于Pro/E环境下软件的二次开发技术,采用等精度的公差分配原则,在此基础上完成了卫星平台精度分配系统的开发,实验表明,该系统可以有效地提高装配效率.     

精密定位系统的摩擦力建模与补偿

为了提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度,建立了优化Stribeck摩擦模型,对摩擦力这一影响定位精度的主要因素进行补偿。首先,对于传统的Stribeck摩擦模型进行优化,采用改进的最小二乘算法对模型参数进行辨识。然后,对所建立的摩擦模型补偿算法进行仿真并与扰动观测器的补偿算法进行比较,发现前者速度比后者速度在补偿后提高了4.33%,对摩擦力具有更好的补偿效果。最后,在大行程二维精密定位平台上进行验证,根据平台能够达到的最大速度定义0.005 m/s为低速运动,0.05 m/s为高速运动,在这两种速度下进行实验,并与基于库仑摩擦前馈补偿模型比较。实验结果表明：精密定位平台在速度为0.005 m/s的低速运动时,优化模型的跟随误差减小了67.67%;在速度为0.05 m/s的高速运动时,优化模型的跟随误差减小了51.63%,验证了优化Stribeck摩擦模型补偿算法的有效性。本文提出的优化Stribeck摩擦模型可用于提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度。     

陀螺稳定平台扰动的自抗扰及其滤波控制

分析了影响陀螺稳定平台隔离控制精度的主要因素,包括被控系统模型中的未建模部分、状态的随机扰动以及输出信号的测量噪声等。研究了综合解决各方面影响因素的控制方案以进一步提高陀螺稳定平台隔离精度。针对上述影响因素,设计一个两步控制策略。第一步,利用自抗扰对系统中未建模部分进行观测及其前向补偿,将自抗扰控制中的反馈控制设计为PID控制,以实现抗平台扰动的调节控制;第二步,利用Kalman滤波器对系统中的状态扰动及测量噪声进行滤波消除。详细描述了提出的控制策略并对其性能进行了系统仿真实验及参数优化。结果表明,该方案在幅值为3°、频率为1/6Hz的载体扰动下能达到4.61%的隔离度,与非线性摩擦力建模辨识及其前向补偿策略控制实际陀螺稳定平台达到的隔离度的最好值9.39%相比,文中提出的控制隔离性能提高了50.9%,具有更高的实用价值。     

钢丝绳传动航空光电稳定平台设计

针对某高光谱相机选择系留气球作为飞行平台的使用要求,设计了一台钢丝绳传动两轴稳定平台,对系留气球在方位和俯仰方向的姿态变化进行角度补偿。稳定平台的方位和俯仰传动机构均采用钢丝绳传动,方位轴和俯仰轴的连续驱动力矩分别为93.6 N·m和117 N·m,两轴的最高转速分别为25(°)/s和20(°)/s。对稳定平台进行了实验室测试,测试结果表明:稳定平台的传动精度为5μrad,传动误差不大于0.7%,方位轴和俯仰轴的开环控制伺服带宽分别为15 Hz和35 Hz,正弦跟踪精度均方根误差值分别为0.0045和0.0043。然后进行了外场飞行试验,稳定平台安装在系留气球底部,俯仰框架上安装35 kg的高光谱相机进行空中对地观测,飞行试验中获取稳定平台陀螺稳定数据,得到方位轴和俯仰轴的稳定精度分别为38.83μrad(RMS)和37.26μrad,满足高光谱相机稳定成像的指标要求。     

渐开线斜齿轮整体虚拟滚齿仿真及齿面精度研究

利用专业三维软件CATIA V5的宏程序功能,基于共轭齿面包络加工原理,研究了滚刀加工渐开线斜齿轮的计算机虚拟加工问题,完成了斜齿轮的整体虚拟滚齿切削仿真技术。利用CATIA中的命令提取并结合由虚拟加工得到的众多细小曲面来形成齿轮齿面,实现了精确齿轮整体模型的仿真加工方法,并通过与理论齿面比较,齿面精度误差在1μm以下,验证了该方法的正确性,并对可能影响齿面精度的加工因素进行了探讨。本方法为提供齿轮机床的误差形成原理,以及理论齿面和误差齿面的齿轮有限元分析提供了一个虚拟的三维数据研究平台。     

微纳三坐标测量机平移台有限元分析及优化

微纳三坐标测量机定位平移台的机械变形对精度影响较大,故在机械设计时须对其进行分析处理。通过有限元分析软件ANSYS对微纳三维平移台不同轴系及不同状态进行了一系列的建模和分析,分析结论包括:Z轴系统重力引起的X、Y轴定位平移台在运动中结构变形过大,对此提出添加力平衡系统的方案以平衡Z轴系统重力;通过适当增加X、Y轴平移台厚度及添加加强筋的方法能减小自重变形以满足机械设计精度。     

圆感应同步器系统误差的动态提取与补偿

由于采用圆感应同步器的光电转台系统的精度取决于圆感应同步器的角位置测量精度,故对圆感应同步器的系统误差进行了研究。分析了圆感应同步器系统误差的产生机理;使用相关的实验装置对圆感应同步器的系统误差进行了动态的定量测量;最后,结合数据处理和误差机理,确立了圆感应同步器的动态误差模型,并结合误差模型对圆感应同步器的输出信号进行补偿。对补偿方法进行了实验验证,结果显示:实验中使用的720极12位圆感应同步器的动态角度测量精度由补偿前的11.25″提高到了1.17″,角速度估计精度由修正前的0.72(°)/s提高到了0.09(°)/s。这些结果表明提出的动态误差补偿方法能够显著提高圆感应同步器的动态测量精度,满足光电转台指向控制系统的精度要求。     

Error Modeling and Sensitivity Analysis of a Parallel Robot with SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm） Motions

Parallel robots with SCARA（selective compliance assembly robot arm） motions are utilized widely in the field of high speed pick-and-place manipulation. Error modeling for these robots generally simplifies the parallelogram structures included by the robots as a link. As the established error model fails to reflect the error feature of the parallelogram structures, the effect of accuracy design and kinematic calibration based on the error model come to be undermined. An error modeling methodology is proposed to establish an error model of parallel robots with parallelogram structures. The error model can embody the geometric errors of all joints, including the joints of parallelogram structures. Thus it can contain more exhaustively the factors that reduce the accuracy of the robot. Based on the error model and some sensitivity indices defined in the sense of statistics, sensitivity analysis is carried out. Accordingly, some atlases are depicted to express each geometric error’s influence on the moving platform’s pose errors. From these atlases, the geometric errors that have greater impact on the accuracy of the moving platform are identified, and some sensitive areas where the pose errors of the moving platform are extremely sensitive to the geometric errors are also figured out. By taking into account the error factors which are generally neglected in all existing modeling methods, the proposed modeling method can thoroughly disclose the process of error transmission and enhance the efficacy of accuracy design and calibration.     

数字液压缸非线性建模仿真与试验研究

以航天器转运平台使用的数字液压缸为研究对象,根据其结构特点和内部闭环控制原理,综合考虑步进电机旋转、丝杠螺旋反馈、阀芯轴向受力、液压缸上的摩擦力这些非线性因素影响,在Simulink中建立精确的数字液压缸非线性模型,并通过试验验证了模型的准确性。利用模型重点分析定位精度的影响因素,结果表明：供油压力波动会降低定位精度;减小步进电机频率可以提高定位精度。同时根据仿真及试验提出了通过调整输入脉冲量提高精度的方法,可以满足转运平台工作时的精度要求。