六自由度微位移定位平台的设计与试验

压电叠堆与柔性机构构成了微位移的基本形式,其行程与精度、输出力的矛盾需要结合应用要求对结构进行综合设计。针对所构建的超精密加工工具对六自由度微位移的需求,提出了一种以压电叠堆作为驱动元件,以柔性铰链和楔形机构作为传动机构的空间六自由度微位移定位平台。由于压电叠堆需要一定的预紧力才能发挥其微位移精度和输出力的优势,通过静力分析,得出了微位移平台各个自由度驱动力和位移输出关系的表达式及刚度表达式,对结构进行了优化。试验表明,各自由度的行程与分辨率如下:x,y,z方向的最大位移分别为7.48,8.33和4.14μm,分辨率为0.01μm;沿θ_x,θ_y,θ_z方向的最大旋转角度均为0.13°,分辨率为0.01°,满足所构建的超精密加工工具定位的精度要求。试验获得了微位移定位平台的激励电压与各自由度位移输出曲线,为平台的运动、定位控制提供了依据,也为柔性铰链机构和楔形机构在其他结构中的应用提供了理论依据和试验基础。     

基于ANSYS Workbench的多功能精密组装系统XY运动平台结构分析

以多功能精密组装系统XY运动平台为例,介绍了一种基于ANSYS Workbench的分析设计方法。通过有限元分析找到XY运动平台的应力集中区域,主要从结构与材料方面对其薄弱环节进行改进,利用分析结果判断方案的可行性,提高其性能并保证平台的稳定性。     

六自由度压电微动平台测量系统开发

针对精密机械以及精密加工等领域需要纳米级的定位精度,开发出由三组二自由度高精度测量模组组成的六自由度压电微动平台。该平台通过NI软硬设备的有效整合,改变压电制动器移动量,调整微动平台六自由度实现定位。通过三组二自由度测量模组输出的二维光点坐标,测量六轴微动平台位移参数。同时对各模组的安装误差采用正角度补偿和雷射角度补偿,以满足平台高精度需求。经过综合测试表明,系统线性解析度达到10nm,角度解析度为0.1arcsec,系统位移跳动量0.022μm,角度跳动量为0.06 arcsec,能达到即时精确定位。     

六自由度并联驱动平台机构的位置姿态精度控制

位置姿态的精度问题是六自由度并联伺服驱动平台的关键技术之一。本文对六自由度并联平台机构的位置姿态精度控制进行了探讨，分析了几种位姿精度补偿的方法。同时，针对实际对象，作了六自由度并联平台位姿精度控制的初步试验，结果表明，所采取的平台位姿精度控制方法具有一定的有效性     

基于Matlab/SimMechanics的六自由度并联运动平台建模与分析

为了研究六自由度并联运动平台的运动学特性,对六自由度并联运动平台的运动学位置正解与反解进行分析,并利用Matlab的SimMechanics工具箱进行六自由度并联仿真平台的搭建,其包含轨迹产生器、PID控制器、执行机构与输出显示共4个部分。SimMechanics模型仿真结果表明,该仿真平台轨迹跟踪较为准确,验证了仿真平台的有效性,为六自由度并联运动平台的设计与应用开发奠定了理论基础,同时,也对其他结构的并联平台的分析提供了借鉴。     

基于立体视觉的六自由度平台位姿检测基础研究

位姿是六自由度平台的一项重要性能指标,其全方位、全行程的动态精确检测,对于六自由度平台的精确控制及广泛应用具有十分重要的意义,介绍六自由度平台,提出并着重讨论采用立体视觉对六自由度平台位姿进行检测的原理及具体步骤。实验结果表明,对于六自由度平台位姿的检测。立体视觉是一种可靠、快速、简单、可行的方法。     

钻空间斜孔组合夹具的组装

零件中具有空间角度的孔或轴的加工，一般需设计和组装空间角度的组合夹具来加工，但要达到结构合理、使用方便，稳定性好，却较难满足工艺要求．本文介绍气体分配体中空间斜孔组合央具的组装实例．一、钻空间斜孔组合央具的工艺要求图1为工件示意图。工艺要求组装气体分配体空间斜孔钻孔夫具。图1中心5斜孔在生视图上为16”，在右视图上为17°30′，孔位置尺寸分别为16．5mm和12mm，要求六点定位。以圆柱台阶面定位，限制8个自由度，外定位限制两个自由度，孔定位限制1个自由度．空间角度的计算有三种方法：立体图法、投影法及球同法．由于…     

两步误差补偿法提高工业机器人绝对定位精度

针对大部分工业机器人结构需要满足Pieper准则无法直接补偿所有运动学参数误差的问题,提出一种两步误差补偿方法。首先,基于修正的D-H法和微分运动学建立机器人定位误差模型,建立机器人末端绝对定位误差与运动学参数误差之间的表达式;其次,利用最小二乘法迭代求解出运动学参数误差,并将可直接补偿的运动学参数误差直接补偿到机器人D-H配置参数中,将剩余的其它运动学参数误差转换为关节转角补偿值进行间接补偿;最后,搭建实验平台,在川崎RS010NA六自由度工业机器人上进行两步误差补偿实验验证。实验结果表明,通过两步误差补偿后机器人末端平均绝对定位误差由5.419 4 mm下降到1.160 5 mm,平均绝对定位精度提高约80%,该方法有效地提高了机器人的绝对定位精度。     

高性能地铁列车驾驶模拟运动平台

<正> 作为全球领先的六自由度(6DOF)运动平台系统的设计者和制造者,穆格公司多年来为全球的训练中心和军事基地提供具有高性能、高保真度及可靠性的飞行仿真系统。在整车开发和模拟驾驶培训过程中,穆格六自由度模拟运动平台也成为实现最高性能和最佳培训效果必不可少的工具。     

基于PSO-SVR算法的工业机器人分级标定方法

为了提高六自由度机器人在应用中的定位精度,提出一种提高机器人绝对定位精度的分级标定方法。该方法第一阶段进行几何参数误差的标定,以改进的Denavit-Hartenberg(MD-H)模型为基础,加入减速比和耦合比的因素建立了完整的工业机器人几何参数误差模型,之后采用Levenberg-Marquarelt(LM)算法辨识出机器人的几何参数误差并计算出剩余残差;第二阶段建立基于粒子群—支持向量回归(PSO-SVR)算法的剩余误差预测模型,来预测并补偿修正几何参数后剩余的残留误差。最后,以六自由度工业机器人进行试验验证,经过分级标定后机器人末端中心点的平均位置误差由5.866 mm减少到0.211 6 mm,最大位置误差由10.322 9 mm减少到0.699 9 mm,验证了该标定算法的正确性和有效性。     

大行程纳米级步距压电电动机

介绍了一种基于尺蠖运动原理的大行程纳米级步距压电电动机。在结构设计方面,变传统单驱动器结构为双驱动器结构,采用新颖的推—拉接力运动原理,配以适当的四路驱动信号,实现了压电电动机的连续匀速运动。通过试验对电动机的性能进行了测试,结果表明：电动机的运动位移是线性的,运动速度在驱动电压为300 V时可达12 mm/s,最小步距小于6 nm,行程大于10 mm。     

以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移工作台

提出以正交衍射光栅作为X-Y二维位移工作台计量标准器的思想,阐述了正交衍射光栅作为大量程二维位置检测传感器的工作原理及光路布置方法,推导了光栅运动位移与所产生干涉条纹的相移之间的关系。介绍了工作台粗、细两级定位系统的组成结构:粗定位部分由磁悬浮平面直线电机驱动,细定位部分采用弹性铰支结构并由压电陶瓷驱动;通过分别对电机和压电陶瓷驱动范围与定位精度的分析,提出对工作台精密快速定位的方法。设计了一套对电机与压电陶瓷进行驱动控制和光栅信号进行处理的电路,并结合实际正交衍射光栅的刻线精度,计算了工作台位置检测的有效分辨率。最后,分析了当前几种典型压电陶瓷驱动电路的特点,提出选用直流放大电源的方式作为本系统高压驱动方法,并给出了高压驱动电路图。     

Novel linear piezoelectric motor for precision position stage

Conventional servomotor and stepping motor face challenges in nanometer positioning stages due to the complex structure, motion transformation mechanism, and slow dynamic response, especially directly driven by linear motor. A new butterfly-shaped linear piezoelectric motor for linear motion is presented. A two-degree precision position stage driven by the proposed linear ultrasonic motor possesses a simple and compact configuration, which makes the system obtain shorter driving chain. Firstly, the working principle of the linear ultrasonic motor is analyzed. The oscillation orbits of two driving feet on the stator are produced successively by using the anti-symmetric and symmetric vibration modes of the piezoelectric composite structure, and the slider pressed on the driving feet can be propelled twice in only one vibration cycle. Then with the derivation of the dynamic equation of the piezoelectric actuator and transient response model, start-upstart-up and settling state characteristics of the proposed linear actuator is investigated theoretically and experimentally, and is applicable to evaluate step resolution of the precision platform driven by the actuator. Moreover the structure of the two-degree position stage system is described and a special precision displacement measurement system is built. Finally, the characteristics of the two-degree position stage are studied. In the closed-loop condition the positioning accuracy of plus or minus 0.5 μm is experimentally obtained for the stage propelled by the piezoelectric motor. A precision position stage based the proposed butterfly-shaped linear piezoelectric is theoretically and experimentally investigated.     

摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验

介绍了一种新颖的非球面轮廓仪的测量原理和测量试验,它通过测量非球面与某一参考球面之间的偏离量来唯一确定非球面的面形误差,通过调整测量臂长以及回转轴线与光轴之间的夹角实现对不同非球面的测量。系统主要由高精度两维转台,高刚度测量臂,四自由度微调系统和高精度扫描测量传感器组成,并分别在VC++6.0与MATLAB平台上开发了测控软件以及数据处理软件。该测量方法的优点是测量所需传感器量程小,测量运动为一个简单的回转运动;缺点是测量调整自由度多,校准困难。建立了测量系统的数学模型,通过测量数据与名义面形之间的非线性优化,在获得面形误差的同时获得了非球面面形参数误差。通过测量多条截线实现了对非球面面形的全口径检测。最后对直径200 mm,顶点曲率半径1 400 mm的凹形抛物面镜进行了测量,结果表明,系统重复精度优于0.8 μm,精度优于1 μm。     

高精度一维标定装置控制系统设计

为解决在科学测量中标定装置的精度、稳定性等问题,设计了基于At89s52单片机的高精度一维标定装置控制系统.该装置主要用于自动检测微距变化与位置标定.装置由单片机、步进电机、驱动器和滚珠丝杠组成,通过单片机来驱动步进电机,带动滚珠丝杠的运动而使平台移动.通过系统设置可以控制分辨率的大小.介绍了如何通过单片机实现控制的过程,以及对在控制系统设计的同时遇到的问题进行了解决.通过量块对于该装置的检定,精度达到10微米级.相比于一些大型高精度测量仪器,具有成本低,人机界面良好等优点.之后将进一步通过计算机通信技术来对数据的输入,实现更高的智能化.在沉降监测领域中,该装置可以用来模拟沉降量,进而对实验进行评估.     

Development and calibration of an integrated 3D scanning system for high-accuracy large-scale metrology

Quality control in advanced manufacturing requires automated and high-accuracy large-scale 3D measurement. This paper proposes a high-accuracy, low-cost 3D scanning system by integrating industrial robot with precise linear rail and laser sensor. The measuring principle and system construction of the integrated system are introduced in detail. A mathematical model is established for mapping the change of the laser sensor frame while it scans along the linear rail and a sphere-based algorithm for rail orientation calibration is introduced. Subsequently, taking the robot positioning error into consideration, an enhanced hand–eye calibration method is proposed to determine the relationship between robot end-effector and rail scanning frame. Validation experiments were performed, a maximum distance error of 0.071 mm was detected within the rail range and a mean/maximum distance error of 0.309/0.604 mm was detected in the robot volume. A large-scale scanning instance also shows that integrated robotic scanning system features high-efficiency and high-accuracy.     

一种用于测量微观形貌的激光干涉式测量仪

该轮廓测量仪的开发是根据了Michelson干涉测量原理，工作台以正交衍射光栅为位移标准器，采用直线电机和压电陶瓷（PZT）进行快速粗定位和精确定位的两级定位过程，重点介绍了仪器的测量原理及光路系统．以及对电机及压电陶瓷的驱动和对干涉信号的处理。     

基于Workbench的牵引电机转轴的模态分析

利用Pro/E 4.0建立了外径为186 mm的异步牵引电机转轴的三维立体模型,将模型导入ANSYSWorkbench软件中,运用ANSYS Workbench有限元分析软件对该型号电机转轴进行了模态分析,得出了电机转轴的振动特性,为分析转轴的振动特性提供了理论依据,也为以后进行更深入的分析打下基础.     

A compact bending device for in-situ three-point bending tests under laser scanning confocal microscope

In-situ testing methods are used to investigate the real-time changing process of materials under different mechanical tests. This paper describes a miniature in-situ three-point bending device, which is compatible with the laser scanning confocal microscope. This device integrates a servo motor, a two-stage worm gears reducer with large reduction ratio and two small lead ball screws. It can realize quasi-static loading mode with a wide rate range from 0.1 µm/s to 0.1 mm/s. The microstructure of the specimen can be observed dynamically during the three-point bending test combined with the force-deflection curve. A calibration method was introduced to calibrate the flexibility of the developed device. The bending experiments were carried out for several different materials with known elastic modulus to verify the feasibility of the calibration method. Finally, the in-situ three-point bending test of red copper was performed to verify the function of the device.     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。