数控机床旋转轴误差辨识研究

以多体系统理论为基础建立了包含旋转轴几何误差的DMP60U型机床运动模型,并利用某公司的QC10球杆仪对DMP60U型的C轴和斜转轴B轴各4项位置误差分别进行测量和辨识。在对球杆仪测量点的在坐标系中的位置坐标表达分析后,得出了球杆仪测量圆的偏心率与位置误差间数学关系。通过运用机床RTCP功能控制多轴同步运动,设计进行不同高度下的4次测量,可辨识出这8项位置误差,快速高效。经实验验证,这种辨识方法测量结果精确,可用于五轴加工中心误差辨识。     

面向伺服动态特性匹配的轮廓误差补偿控制研究

在多轴数控加工中,轮廓误差直接决定零件最终加工精度。交差耦合控制和任务坐标系法通过估计轮廓误差,并设计轮廓跟踪控制器来提高轮廓精度。这两种方法存在大曲率位置轮廓误差估计精度差,轮廓控制增益整定依赖于工程经验等问题。为此,从伺服轴动态特性匹配出发,提出了一种基于轮廓误差精确计算的轮廓误差补偿控制方法。根据足点定义,采用解析方法快速准确计算轮廓误差。将轮廓误差分量分别补偿到各伺服轴的速度环和转矩环,提高各伺服轴动态特性的匹配程度。采用两维和三维NURBS曲线开展轮廓跟踪试验。试验结果表明:所提出的轮廓误差计算方法可以精确求解轮廓误差;所提出的轮廓误差补偿控制方法不需要建立轮廓误差与伺服跟踪误差间的映射关系,且可通过调整控制器增益定量显著减小轮廓误差。     

机床运动轴位置信息高精度高频率实时采集研究

机床加工路径可通过高精度高频率运动轴位置信息进行精准拟合,其可作为机床动态加工精度评估及误差监测的依据。针对目前存在的运动轴位置信息实时高精度、高频率采集难题,基于五轴联动机床,提出运动轴位置信息高精度高频率采集方案。通过机床伺服系统位置环信号的采集计算,获得高频原始位置信息,并将其转换为坐标值,用于回转误差齐次运动学变换及线性误差补偿,最终获得刀位点于工件坐标系下坐标形式的高精度、高频率运动轴位置信息。为了对位置信息采集方法进行验证,通过配备西门子840 Dsl系统的DMU 80P五轴数控机床进行试验。通过验证可知,五轴同步位置采集频率高达1 k Hz,旋转轴及线性轴采集精度分别为±0.002 5°、±2μm。     

双转台五轴数控机床误差实时补偿

以双转台五轴数控机床为对象,建立各移动轴和旋转轴运动的数学模型,以工件坐标系为基础坐标系,应用齐次坐标系变换理论,推导任一时刻各轴运动在工件坐标系中的位置误差数学表达式.针对五轴机床的移动轴和旋转轴同时运动存在耦合的情况,提出一种分步实施的解耦补偿方法,即在实施误差补偿时首先进行姿态误差补偿,通过旋转轴的旋转运动将工件的实际姿态调整到与理想姿态相同,然后通过移动轴的平移运动进行位置误差补偿,并相应建立五轴机床误差补偿数学模型.通过仿真分析和对曲面零件的实时补偿加工试验,明显提高加工精度,并有效避免直接进行补偿加工过程中可能带来的运动干涉情况,从而验证该五轴机床误差补偿数学模型及其实时补偿的可行性和有效性.     

基于D-H矩阵计算的工业六轴机械手末端定位的精准度

应用D-H算法判断机械手末端定位的精准度。在工业六轴机械手的各关节建立一个坐标系,用D-H算法计算每个关节转动一定度数后末端执行器的位置与姿态。通过实验证明该工业六轴机械手存在较小的位置误差,姿态误差几乎为0,精度较高。     

大视场多像机视频测量系统的全局标定

针对大视场多像机视频测量系统的全局标定,提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法.首先,设计一种带有标志点的十字架形标定参考物,十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点.然后,在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据;将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态,并控制多像机同步拍摄各姿态的图像.最后,为大视场像机选择10参数非线性成像模型,对采集的图像组依次进行标定运算,标定出各像机的内参数和畸变参数,并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数.实验结果表明,该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度,相对误差小于1/4 000,可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求.     

零部件数控机床加工精度综合误差模型构建研究

提出一种基于综合误差模型的零部件精度加工控制方法,对机械加工的误差来源进行分析。以高精度五轴加工机床为例,构建参考坐标系、相对坐标系和齐次坐标,并通过齐次变换,建立不同部件的运动关系和误差关系,通过推导求解得到综合误差。以实际的零部件加工为例,对以上的方案进行仿真验证,仿真结果与实际加工测量结果大致相同,为高精度零部件加工提供借鉴。     

基于椭球拟合的三轴陀螺仪快速标定方法

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件,其测量精度直接影响惯性导航系统的姿态解算的准确性,对其准确、快速地校准显得至关重要.目前陀螺仪所采用的位置标定和速率标定方法,存在测试条件苛刻,需要精密的标定测试设备和高精度的北向基准,且标定时间长等问题.在分析了三轴陀螺仪误差模型的基础上,提出了一种基于椭球拟合算法的三轴陀螺仪快速标定方法.该方法通过对三轴陀螺仪在不同姿态下对同一角速度矢量的测量数据进行椭球拟合,可快速标定出该三轴陀螺仪的零偏、灵敏度、不正交等静态误差,进而对角速度矢量测量数据进行补偿,以提高测量结果的准确度.实验结果表明该方法可有效提高三轴陀螺仪的测量精度.     

多功能体能运动训练器PMAC多轴控制方法

针对当前PMAC多轴控制方法未考虑预补偿多轴轮廓误差,导致多轴控制延误以及控制误差较大,容错率下降的问题。提出多功能体能运动训练器PMAC多轴控制方法。通过多轴轮廓误差模型,采用辨识传递函数对实际位置进行预测,完成轮廓误差的预补偿。利用浮动坐标系描述方法,构建多功能体能运动训练器的拉格朗日动力学模型,通过模糊推理中的模糊规则自适应,调整PMAC多轴控制器控制参数。采用自适应学习算法,计算隶属度函数参数,确定输入数据和输出数据,实现多功能体能运动训练器PMAC多轴控制。实验结果表明,所提方法的控制误差较小,能够有效降低控制延误,提升容错率。     

多轴激光加工机器人光路几何误差建模方法研究

本文提出了一种激光光路几何精度建模的方法,用于多轴激光加工机器人光路几何误差的建模。在每个反射镜上定义一个与其固连的笛卡尔坐标系,用齐次列阵表示激光光路特征点(光源、入射点和激光光线末端点)和光线矢量在坐标系中的位置坐标和姿态方位,将激光光束在理想条件下和实际条件下的传输过程用4×4阶齐次方阵运算来实现,在此基础上提出光线几何误差反射传递函数,清楚地反映了各误差源对末端误差的影响情况,从而完整的描述了光束在传输过程中的实际误差。本文以五轴数控激光加工机器人为例,建立其光路传输路径和几何误差模型,试验结果表明了该方法的有效性。     

面向柔顺装配装夹的机器人手腕变刚度机理研究

在柔顺装配装夹过程中,不同工序对机器人手腕刚度要求不同。在刚性定位工序中,大的手腕刚度可保证机器人搬运工件定位到作业位置的精度。在装配装夹工序中,小的手腕刚度可柔顺补偿机器人装配装夹工件的位姿误差。提出了一种大范围变刚度的五自由度手腕,可实现工件的翻转、俯仰、偏转和平移。研究通过调节弹性张力改变手腕刚度的机理,实现手腕关节刚度随弹性张力的增加而线性增加。分析手腕弹性张力和几何参数对手腕变刚度特性和刚度分布的影响,通过设计手腕关节的几何参数实现手腕刚度分布保持不变。研究变刚度手腕刚性定位与柔顺装配装夹的机理,建立手腕装配装夹过程中的形变位姿模型和补偿工件位姿误差的空间模型,得到手腕刚度随手腕位姿的变化模型,实现手腕克服阻力完成装配装夹作业。实验结果表明机器人手腕可大范围变刚度,满足刚性定位与柔顺装配装夹要求。     

装配误差传递建模及其精度可靠性评估

研究了刚体零件的装配误差建模以及装配精度可靠性评估方法。将零件误差分成位置误差和方向误差,并采用误差矢量加以描述。综合考虑尺寸误差和形位误差,将装配过程误差分成零件内误差和配合面误差,给出主动配合面和被动配合面的定义。针对典型配合面类型,分析误差组成及其计算方法。采用位姿变换矩阵法建立装配误差模型,分析误差在零件内部以及配合面间的传递过程,计算装配总误差并据此确定装配误差的概率分布。给出装配精度可靠度的定义,通过仿真获得装配精度的可靠度指标。以某测量平台的装配过程为例,完成装配过程误差分析和装配精度可靠度评估,验证模型的有效性。     

基于PLC的大范围运动与高精度对准控制

针对掩模版传输过程中的大范围运动与高精度对准这两个关键问题，本文采用基于PLC的全闭环位置控制方法，设计了用于掩模版传输和对准的机械手控制系统。对于大范围运动，利用旋转编码器和光栅尺检测机械手的速度和位移，构成三闭环控制系统。对于高精度对准，利用四象限探测器检测掩模版位置与姿态偏差，构成四闭环控制系统。实验结果表明，利用本文控制系统，机械手在大范围传输和高精度对准时的速度和精度都可以满足生产要求。     

面向筒类舱段自动装配的两点定位调姿方法

为解决航天器数字化对接装配中的调姿问题,提出了两点定位调姿法：通过改变对接舱段上2个关键点的位置来实现舱段空间位姿的调整,采用五次多项式轨迹对舱段进行调姿轨迹规划并约束舱段的运动参数,确定舱段合理的调姿时间,保证舱段平稳快速地完成对接任务。该方法简化了调姿算法,采用串联机构即可满足调姿算法要求,避免了多轴协调控制,降低了控制难度。利用ADAMS对所提出的方法进行仿真验证,通过两点定位调姿法调整对接舱段可使其到达目标位姿,位移、速度、加速度轨迹光滑连续,同时满足各边界约束条件,调整后舱段姿态与目标坐标值最大偏差为-0.08 mm,调整过程中最大加速度为10 mm/s2。仿真结果表明,两点定位调姿法可满足筒类舱段数字化装配调姿的精确性、稳定性和高效性要求,有助于实现筒类舱段调姿过程的自动控制。     

A fast compass alignment method for SINS based on saved data and repeated navigation solution

Compared with Gimbaled Inertial Navigation System (GINS), there are two differences in the compass alignment process for Strapdown INS (SINS) as follows: (1) the input signal is the projected sensor data from body frame to calculated navigation frame, not the sensor data; (2) the output control signal participates in navigation solution rather than driving navigation frame directly. Considering these characteristics, a fast compass alignment method based on iterative calculation is designed for SINS in this paper. With the help of high performance computer, the iterative process can be finished fast and the alignment time can be shortened obviously. However, there exist two problems in the new method, one of which is how to use the saved data, and the other is how to ensure the real-time property of alignment result. For the first problem, our simulation result shows that the forward–forward navigation solution method is more effective for compass alignment than the backward–forward one. And to solve the second problem, Multi-tasking method combined with Real Time Multi-tasking Operating System (RTOS) is used to trace the change of body frame and update the body frame of attitude matrix when the alignment is finished. The car test on a type of fiber-optic gyro SINS indicates that the alignment accuracy of the proposed method processed for 142 s is as precise as that of the classical compass alignment method for 720 s.     

基于单目视觉的并联机器人末端位姿检测

高效、准确地检测机器人末端位姿误差是实现运动学标定的关键环节。提出一种基于单目摄像机拍摄立体靶标序列图像信息的末端执行器6维位姿误差辨识方法,构造具有平行四边形几何约束的四个空间特征点,并以平行四边形的两个消隐点为约束,建立空间刚体位姿与其二维图像映射关系模型,实现末端位姿的精确定位,然后以Delta高速并联机器人为对象,进行了运动学标定试验,验证该方法的有效性,为这类机器人低成本、快速、在线运动学标定提供重要的理论与技术基础。     

控制薄壁电动机机座车削变形加工工艺

薄壁电动机机座的精度主要通过机械加工来保证。从薄壁电动机机座机械加工的找正、定位方法以及确定切削工艺参数等方面,论述了薄壁电动机机座的精密加工技术,其圆柱度控制在0.1mm以内,两端止口同轴度控制在0.1mm以内,全跳动控制在0.1mm以内。该技术对大型薄壁电动机机座的精密加工具有指导作用。     

大尺寸非回转体质量特性一体化测量系统的设计

针对目前质量特性测量设备无法满足某些型号产品测量需求的问题,设计了一套大尺寸非回转体质量特性一体化测量系统.该系统利用三点法、扭摆法和惯性椭球法分别测量产品的质量、质心、转动惯量和惯性积.采用自由旋转环和升降台机构使得待测件可以自由变换位姿,通过分析得到产品的最优测量位姿,并给出了结果修正算法以提高测量精度.样件测试结果表明,该系统只需对产品一次吊装就能测量其所有的质量特性参数,操作简单,并且能达到较高精度.     

激光测量标定机器人坐标系位姿变换的正交化解算

针对大型装备智能制造中的机器人在线位姿激光跟踪测量与实时引导需求,提出了一种机器人坐标系与激光测量坐标系标定转换和解算方法。设计了基于距离原则的机器人末端光学工具中心点TCP(Tool Center Point)位置标定算法。通过运用空间点坐标重心化配置算法和基于罗德里格矩阵变换的最小二乘优化算法解算出了具有单位正交性的位姿变换旋转矩阵。进行了机器人坐标系位姿变换激光测量标定和优化对比实验,旋转矩阵初值和正交优化值进行点坐标转换后的综合RMSE分别为0.579 0mm和0.501 5mm。结果表明该方法能够有效改进姿态旋转矩阵正交性,并提高位姿变换解算精度。     

一种以测量关键特征拟合舱段位姿的方法

受工艺条件和产品性能限制，在舱段上无法事先加工用于测量其位姿的基准点。为此提出了一种以测量及拟合关键特征获取舱段位姿的方法。首先根据舱段结构特点提取舱段上满足装配精度要求的关键特征并利用激光跟踪仪测量。利用2σ准则剔除关键特征测量数据中粗差异常点，以改进基于经典测量平差理论中的最小二乘法在处理粗差时容错性较差的问题。然后利用处理后的关键特征数据拟合舱段坐标系原点及各坐标轴方向的单位向量，最终得到舱段的位姿参数。仿真试验结果表明：经改进的最小二乘法在拟合舱段位姿时能获得更高的精度；所提出的位姿拟合方法的实用性和通用性不仅能满足舱段位姿测量与计算需求，也能为其他刚体位姿求解提供参考。