本發(fā)明涉及柔性振動檢測控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于直線運動單元驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機構(gòu)作為并聯(lián)機器人理論研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，具備以下優(yōu)點：

(1)精度高：從運動學(xué)的角度看,并聯(lián)結(jié)構(gòu)各運動鏈的布置可以限制這種誤差的累積放大,使其更適合作為高精度機器人的執(zhí)行機構(gòu)；

(2)剛度大：較高的剛度才能保證機構(gòu)具有較高的定位精度和良好的抗干擾性能。并聯(lián)機構(gòu)的運動平臺通過多個運動鏈與機架聯(lián)接，增加了整體結(jié)構(gòu)剛度；

(3)結(jié)構(gòu)緊湊：并聯(lián)式結(jié)構(gòu)可設(shè)計得更為緊湊，所占空間更小。小的機構(gòu)本體尺寸意味著受到很小的慣性力及表面力影響；

(4)便于對稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計：因為對稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計便于補償加工或溫度變化等因素引起的誤差，從而在整體上改進(jìn)機構(gòu)的精度。另外，對稱性的結(jié)構(gòu)也意味著加工簡單，易于模塊化；

(5)驅(qū)動裝置固定：采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)很容易將驅(qū)動裝置放于機座上，減輕了運動構(gòu)件的質(zhì)量，從而減少了運動負(fù)載和系統(tǒng)慣性，改善了機構(gòu)的動態(tài)性能，可獲得較高的動力學(xué)精度；

(6)存在消極鉸鏈：并聯(lián)結(jié)構(gòu)中消極鉸鏈的存在可使機構(gòu)變得結(jié)構(gòu)緊湊、整體小型化；更重要的是可改善機構(gòu)的受力情況，避免桿件的縱向彎曲。

因此，研究一種應(yīng)用直線運動單元驅(qū)動、可直觀地分析剛性構(gòu)件與柔性構(gòu)件各自的優(yōu)缺點的剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)振動檢測控制裝置具有重要研究意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明提供一種基于直線運動單元驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)裝置及控制方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于直線運動單元驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)裝置，包括柔性與剛性并聯(lián)本體部分、運動位移檢測部分、振動檢測部分及振動控制部分；

所述柔性與剛性并聯(lián)本體部分：包括靜平臺、兩個相互連接的柔性桿及兩個相互連接的剛性桿，所述靜平臺平行設(shè)置兩個直線運動單元，每個直線運動單元上設(shè)置滑塊連接塊；所述兩個剛性桿及兩個柔性桿對稱設(shè)置，相鄰的剛性桿及柔性桿通過滑塊連接塊連接；

所述運動位移檢測部分，包括光柵尺位移傳感器、四倍頻及變相脈沖計數(shù)電路、運動控制卡及計算機，所述光柵尺位移傳感器與直線運動單元平行設(shè)置在靜平臺上，檢測直線運動單元的滑塊信息傳輸?shù)剿谋额l及變相脈沖計數(shù)電路，然后輸出到運動控制卡，運動控制卡輸出到計算機；

所述振動檢測部分，包括單軸加速度傳感器、雙軸加速度傳感器及A/D數(shù)據(jù)采集卡，剛性桿及柔性桿的幾何中心位置分別設(shè)置單軸加速度傳感器，所述雙軸加速度傳感器固定在兩個剛性桿及兩個柔性桿的連接處，單軸及雙軸加速度傳感器檢測的振動信號傳輸?shù)竭\動控制卡，進(jìn)一步傳輸?shù)接嬎銠C；

所述振動控制部分，包括壓電驅(qū)動器、壓電驅(qū)動放大電源及D/A轉(zhuǎn)換卡，所述圧電驅(qū)動器粘貼在每根柔性桿上，計算機得到控制信號通過運動控制卡及D/A轉(zhuǎn)換卡傳輸?shù)綁弘婒?qū)動放大電源驅(qū)動壓電驅(qū)動器。

所述直線運動單元包括導(dǎo)桿、滑塊及交流伺服電機，所述交流伺服電機通過聯(lián)軸器與導(dǎo)桿連接驅(qū)動滑塊滑動，滑塊通過滑塊連接塊帶動剛性桿及柔性桿平移和轉(zhuǎn)動，交流伺服電機通過電機伺服放大器及D/A轉(zhuǎn)換卡接收計算機通過運動控制卡的輸出信號。

壓電驅(qū)動器由四片壓電陶瓷片構(gòu)成，雙面粘貼，每面兩片，并聯(lián)連接，且關(guān)于柔性桿中心對稱粘貼。

所述光柵尺位移傳感器及四倍頻及變相脈沖計數(shù)電路均為兩個，所述光柵尺位移傳感器平行設(shè)置在直線運動單元的外側(cè)用于測量滑塊的位移。

還包括折彎件，所述雙軸加速度傳感器通過折彎件安裝在兩個剛性桿及兩個柔性桿的連接處。

所述兩個直線運動單元之間的距離為500mm。

剛性桿的厚度尺寸大于柔性桿的厚度尺寸。

一種基于直線運動單元驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)裝置的控制方法，包括如下步驟：

第一步 計算機將并聯(lián)機構(gòu)預(yù)定的軌跡信息通過運動控制卡及D/A轉(zhuǎn)換卡傳輸?shù)诫姍C伺服放大器驅(qū)動滑塊在導(dǎo)桿上滑動，帶動剛性桿及柔性桿平移和轉(zhuǎn)動；

第二步 光柵尺位移傳感器檢測直線運動單元上滑塊的運動位移經(jīng)過四倍頻及變相脈沖計數(shù)電路處理后得到數(shù)字信號，傳輸?shù)竭\動控制卡，然后輸入到計算機進(jìn)行算法處理；

第三步 雙軸加速度傳感器分別檢測剛性桿及柔性桿輸出端在水平方向上X、Y軸的加速度信息和振動信號，四個單軸加速度傳感器分別檢測剛性桿和柔性桿在水平方向上的加速度信息和振動信號，然后將檢測信號經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到數(shù)字信號傳輸?shù)焦谈哌\動控制器進(jìn)行處理，然后輸入到計算機進(jìn)行算法處理，經(jīng)過解算，得到相應(yīng)的反饋控制信號；

第四步 計算機根據(jù)上述檢測信號，根據(jù)反饋信號運行控制算法，計算得出振動控制的控制信號，然后由運動控制卡的模擬量輸出模塊經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后往外傳輸給電機伺服放大器，經(jīng)過電機伺服放大器放大作用后，將振動控制信號輸送至交流伺服電機，調(diào)節(jié)交流伺服電機的正反轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動速率，實現(xiàn)對并聯(lián)機構(gòu)輸出端的實時振動主動控制；

第五步 根據(jù)反饋信號運行控制算法，計算得出振動控制的控制信號，然后由運動控制卡的模擬量輸出模塊經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后往外傳輸給壓電驅(qū)動放大電源，經(jīng)過壓電驅(qū)動放大電源的放大作用后，將振動控制信號輸送至壓電驅(qū)動器，實現(xiàn)對柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端的實時振動主動控制。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明采用直線運動單元作為驅(qū)動器驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)，直線運動單元結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、響應(yīng)速度快，可靈敏實現(xiàn)加速和減速，配以光柵尺傳感器作為工作臺的位置測量元件，定位精度高；

(2)本發(fā)明振動檢測部分和控制部分均采用電氣控制，相比氣動控制回路來說，電氣控制回路具有信號簡單、控制對象少、控制邏輯簡單、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，模擬量為電流或者電壓，對現(xiàn)場要求低并且對周圍環(huán)境不會產(chǎn)生影響；

(3)本發(fā)明剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端上安裝雙軸加速度傳感器，可以檢測并聯(lián)機構(gòu)輸出端兩個自由度的信息，對剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端的動態(tài)特性分析和反饋控制提供很好的測量手段。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中直線運動單元及柔性與剛性并聯(lián)本體部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1及圖2所示，圖1中靜平臺隱藏顯示，一種基于直線運動單元驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)裝置，包括

柔性與剛性并聯(lián)本體部分，包括一個靜平臺、一個剛性并聯(lián)結(jié)構(gòu)和一個柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)，靜平臺由若干長度不一的鋁型材和基板構(gòu)成；所述剛性并聯(lián)結(jié)構(gòu)由剛性并聯(lián)輸出端和兩個剛性并連分支構(gòu)成，每個剛性并聯(lián)分支由一個剛性桿構(gòu)成，所述柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)由柔性并聯(lián)輸出端和兩個柔性并聯(lián)分支構(gòu)成，每個柔性并聯(lián)分支由一個柔性桿構(gòu)成，兩個剛性桿7、12及兩個柔性桿4、11對稱設(shè)置，相鄰兩個剛性桿及兩個柔性桿采用轉(zhuǎn)軸8連接，作為輸出端。

相鄰的剛性桿及柔性桿通過滑塊連接塊3連接，所述滑塊連接塊3通過銷和螺紋與直線運動單元2連接，所述直線運動單元具體為兩個，平行設(shè)置在靜平臺上，包括導(dǎo)桿、滑塊及交流伺服電機，交流伺服電機通過聯(lián)軸器與導(dǎo)桿連接，滑塊與導(dǎo)桿相互連接，交流伺服電機13通過電機伺服放大器17及D/A轉(zhuǎn)換卡18接收計算機20通過運動控制卡19的輸出信號，電機伺服放大器17驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。

交流伺服電機驅(qū)動滑塊在導(dǎo)桿上來回移動，從而帶動剛性桿和柔性桿平移和轉(zhuǎn)動，使剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端按期望的軌跡和位置定位到具體目標(biāo)位置；

本實施例采用的直線運動單元MISUMI公司生產(chǎn)的的單軸驅(qū)動器-LX45-標(biāo)準(zhǔn)型直線運動單元，型號為LX4520C-B1-A4538-590，行程為590mm，分別以相距500mm、互相平行的方式通過螺紋連接固定在靜平臺上。

本實施示例中，靜平臺的尺寸參數(shù)為1000×1000×600mm，其中，基板的尺寸參數(shù)為1000×1000×15mm，鋁型材選用截面大小為80×80mm的，鋁型材構(gòu)成靜平臺長、寬、高的長度為840mm、840mm、500mm。剛性桿7的尺寸參數(shù)為300×12×25mm，采用鋁合金材料，為使桿件表面絕緣，需要對其進(jìn)行氧化處理；柔性桿4的尺寸參數(shù)為300×3×25mm，采用環(huán)氧樹脂材料。剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端設(shè)計為40×30×30mm，厚度為3mm的折彎件，采用鋁合金材料，為使桿件表面絕緣，需要對其進(jìn)行氧化處理。

運動位移檢測部分，包括光柵尺位移傳感器1、四倍頻及變相脈沖計數(shù)電路15、運動控制卡19及計算機20，所述光柵尺位移傳感器1與供電電壓為+5V的直流電源連接，一共有兩個，分別平行于兩個直線運動單元，且位于其外側(cè)固定在靜平臺上，光柵尺位移傳感器的測量滑塊與直線運動單元的滑塊機械連接，光柵尺位移傳感器檢測到直線運動單元上滑塊的位移數(shù)字脈沖信號傳輸?shù)剿谋额l、變相脈沖計數(shù)電路，四倍頻及變相脈沖計數(shù)電路可選用集成在運動控制卡上的，然后傳輸?shù)接嬎銠C；

振動檢測部分，包括單軸加速度傳感器6、雙軸加速度傳感器10及A/D數(shù)據(jù)采集卡16，所述單軸加速度傳感器6一共有四個，分別安裝在剛性桿及柔性桿的幾何中心位置，檢測到每根剛性桿或者柔性桿的振動信號，所述雙軸加速度傳感器10通過折彎件9安裝在兩個柔性桿的轉(zhuǎn)軸上及兩個剛性桿的轉(zhuǎn)軸。所述雙軸加速度傳感器通過螺紋連接固定在折彎件，折彎件通過螺紋固定在轉(zhuǎn)軸8上。雙軸加速度傳感器檢測到剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端在水平方向上的振動信號傳輸?shù)紸/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡16將每個單軸加速度傳感器及雙軸加速度傳感器所檢測到的信號傳輸給運動控制卡，運動控制卡與計算機相互連接。

振動控制部分，包括壓電驅(qū)動器5、壓電驅(qū)動放大電源14及D/A轉(zhuǎn)換卡18，所述圧電驅(qū)動器粘貼在每根柔性桿上，計算機得到控制信號通過運動控制卡及D/A轉(zhuǎn)換卡傳輸?shù)綁弘婒?qū)動放大電源驅(qū)動壓電驅(qū)動器。

壓電驅(qū)動器由四片壓電陶瓷片構(gòu)成，固定在柔性桿的兩端，雙面粘貼，每面兩片，并聯(lián)連接，關(guān)于柔性桿中心對稱，計算機運行算法運算得到的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換傳輸給壓電驅(qū)動放大電源，壓電驅(qū)動放大電源驅(qū)動壓電陶瓷片驅(qū)動器作用于柔性桿。

該并聯(lián)機器人由剛性并聯(lián)機構(gòu)和柔性并聯(lián)機構(gòu)兩部分組成；在剛性并聯(lián)機構(gòu)中，兩條被動桿在厚度方向上的尺寸比較大，在柔性并聯(lián)機構(gòu)中，兩條被動桿在厚度方向上的尺寸比較小，所以體現(xiàn)了柔性桿特性；直線運動單元驅(qū)動剛性桿和柔性桿運動時，并聯(lián)機構(gòu)輸出端就會體現(xiàn)出振動特性。

本實施示例中，光柵尺位移傳感器1選用威海三豐電子科技有限公司供應(yīng)的型號為GBC-Q的光柵尺位移傳感器，量程為700mm，柵距為0.02mm，輸出兩路相差90°的TTL方波信號；與該型號光柵尺位移傳感器配套的數(shù)顯表參數(shù)為：四倍頻、允許輸入TTL方波信號、允許輸入信號頻率大于1000kHz等；由于直線運動單元2以相距500mm、互相平行的方式設(shè)置在靜平臺上，因此本裝置要求有兩個2個相同的光柵尺位移傳感器以及兩套相互獨立的四倍頻及變相脈沖計數(shù)電路15；在運動位移檢測部分中，運動控制卡9接收光柵尺位移傳感器1所檢測到的經(jīng)過脈沖計數(shù)處理的信號，因此要求運動控制卡具有2路模擬量輸入模塊。

本實施示例中，單軸加速度傳感器6可選用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的型號為8310B2型低頻電容式加速度傳感器，重量約為17g，檢測頻率響應(yīng)范圍為0～250Hz，用于檢測到剛性桿和柔性桿在水平方向上的加速度信息和振動信號，雙軸加速度傳感器10選用型號為CS-2LAS-01的X、Y軸雙軸加速度計，外形尺寸為48mm×38mm×18mm，重量約為30g，模擬量輸出方式為RS485V，數(shù)據(jù)輸出格式為16位二進(jìn)制補碼，用于檢測到剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端在水平方向上X、Y軸的加速度信息和振動信號；A/D數(shù)據(jù)采集卡16對單軸加速度傳感器6及雙軸加速度傳感器10所檢測到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此要求A/D數(shù)據(jù)采集卡具有6路模擬量輸入模塊和6路模擬量輸出模塊，即可選用集成多通道A/D數(shù)據(jù)采集和D/A轉(zhuǎn)換的固高運動控制卡；在振動檢測部分中，運動控制卡接收單軸加速度傳感器6及雙軸加速度傳感器10所檢測到的經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號，因此要求運動控制卡具有多路模擬量輸入模塊。

本實施示例中，壓電驅(qū)動器5的實質(zhì)為壓電陶瓷片，幾何尺寸為50×25×2mm。壓電驅(qū)動放大電源14可選用天津市東文高壓電源廠生產(chǎn)的DW-D201-100-AC型高壓供電電源，放大器芯片型號為APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器；在振動控制部分中，運動控制卡通過D/A轉(zhuǎn)換卡18將控制信號傳輸給每根柔性桿4上的任一壓電驅(qū)動器5。

本實施示例中，交流伺服電機13可選三菱伺服電機，型號為HC-KFS43，電機的伺服驅(qū)動器17為MR-J2S-40A，功率為400W，由于直線運動單元2以互相平行的方式設(shè)置在靜平臺上，因此本裝置要求通過控制兩臺伺服電機來使剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目的位置，而且運動控制卡通過電機伺服放大器和D/A轉(zhuǎn)換卡將控制信號傳輸給伺服電機，即要求D/A轉(zhuǎn)換卡具有2路模擬量輸入模塊和2路模擬量輸出模塊，而運動控制卡具有2路模擬量輸出模塊。

本實施示例一種基于直線運動單元驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)裝置的控制方法，包括步驟：

第一步 伺服電機通過導(dǎo)桿驅(qū)動滑塊沿著導(dǎo)軌滑動，從而驅(qū)動剛性桿和柔性桿平移和轉(zhuǎn)動，并使得剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端按期望的軌跡和位置定位到具體目標(biāo)位置；

第二步 光柵尺位移傳感器檢測直線運動單元上滑塊的運動位移，然后將檢測信號經(jīng)過四倍頻、變相脈沖計數(shù)電路進(jìn)行脈沖計數(shù)處理后，得到數(shù)字信號傳輸?shù)焦谈哌\動控制器進(jìn)行處理，然后輸入到計算機進(jìn)行算法處理；

第三步 雙軸加速度傳感器分別檢測剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端在水平方向上X、Y軸的加速度信息和振動信號，四個單軸加速度傳感器分別檢測剛性桿和柔性桿在水平方向上的加速度信息和振動信號，然后將檢測信號經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到數(shù)字信號傳輸?shù)焦谈哌\動控制器進(jìn)行處理，然后輸入到計算機進(jìn)行算法處理，經(jīng)過解算，得到相應(yīng)的反饋控制信號；

第四步 計算機根據(jù)上述檢測信號，根據(jù)反饋信號運行控制算法，計算得出振動控制的控制信號，然后由運動控制卡的模擬量輸出模塊經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后往外傳輸給電機伺服放大器，經(jīng)過電機伺服放大器放大作用后，將振動控制信號輸送至伺服電機，調(diào)節(jié)伺服電機的正反轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動速率，從而控制滑塊沿著導(dǎo)軌運動狀態(tài)，減少剛性與柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端運動引起的振動，實現(xiàn)對并聯(lián)機構(gòu)輸出端的實時振動主動控制；

第五步 根據(jù)反饋信號運行控制算法，計算得出振動控制的控制信號，然后由固高運動控制器的模擬量輸出模塊經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后往外傳輸給壓電驅(qū)動放大電源，經(jīng)過壓電驅(qū)動放大電源的放大作用后，將振動控制信號輸送至壓電驅(qū)動器，對柔性桿產(chǎn)生控制力作用，抵消柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端的振動，實現(xiàn)對柔性并聯(lián)機構(gòu)輸出端的實時振動主動控制。

本實施示例中，根據(jù)以上裝置的振動監(jiān)測控制方法，D/A轉(zhuǎn)換卡具有多路模擬量輸入模塊，因此固高運動控制器選用固高公司生產(chǎn)的GTS-400-PV-PCI系列運動控制器，該運動控制器具有8軸資源通道(各軸信號帶有1路模擬量輸出，增量式編碼器輸入，電機控制輸出及報警復(fù)位功能)，光耦隔離通用數(shù)字信號輸入和輸出各有16路，4路四倍頻增量式輔助編碼器輸入，8路A/D模擬量采樣輸入，模擬量輸入輸出的電壓范圍是：-10V～+10V。計算機選用CPU型號I7的計算機。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。