CN106774369A - 时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法 - Google Patents

时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法 Download PDF

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皮阳军
郑万国
谢志江
朱小龙
袁晓东
刘飞
周海
庞智
陈远斌
范乃吉
孙琦
万杨
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Abstract

时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法，其包括步骤：检测该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的温度T变化范围，其中温度变化范围为：T1～Tn；在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点；构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿；分析在n个不同温度点和在m个位姿时，该解耦六自由度机构的末端变化状态，以得到位姿误差表；根据该解耦六自由度机构的运动学方程和任意温度任意位姿下的位姿误差矩阵，完成对该解耦六自由度机构在风洞试验过程中由于受温度影响而引起的末端位姿的误差补偿，通过这样的步骤，能够大幅度地提高该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的精度和可靠性，以保证风洞试验的顺利进行。

Description

时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法
技术领域
本发明涉及一种末端位姿误差补偿方法，特别涉及一种用于六自由度解耦机构温度引起的末端位姿误差补偿方法。
背景技术
解耦六自由度机构用于风洞实验模拟外挂物的运行状态，解耦六自由度机构的运行的精度直接影响风洞实验的精确度。风洞中存在时变温度场，热传导引起解耦六自由度机构发生热变形，解耦六自由度机构各部件发生尺寸变化，以导致解耦六自由度机构的末端位姿在风洞固定坐标系中产生变化，若没有一种简便可靠的误差补偿方法，将会导致外挂物在实验过程中不能运动到指定的位姿，从而影响实验的精度和可靠度。因此，本发明提供一种用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用可靠的用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法，以提高利用该用于解耦六自由度机构参与风洞试验时的精确性和可靠度。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法，其中该用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法包括如下步骤：
步骤1：检测该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的温度T变化范围，其中温度变化范围为：T1～Tn；
步骤2：在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点；
步骤3：构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿；
步骤4：分析在n个不同温度点和在m个不同位姿时，该解耦六自由度机构的末端变化状态，以得到不同温度下的位姿误差；
步骤5：根据该解耦六自由度机构的运动学方程和任意温度任意位姿下的位姿误差矩阵，以完成对该解耦六自由度机构在风洞试验过程中由于受温度影响而引起的末端位姿的误差补偿。
作为对本发明的该用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法的进一步优选的实施例，在该步骤4中包括步骤：
步骤4.1：根据该解耦六自由度机构的末端的变化情况分别得到该解耦六自由度机构在六个自由度下随温度变化的位姿误差，以建立不同温度下的位姿误差表；
步骤4.2：当该解耦六自由度机构处于任意位姿和任意温度时，通过插值法实时在该位姿误差表中查找，以得到该位姿和该温度下的位姿误差矩阵。
本发明的该用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法的优势在于：
该发明提供一种用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法，其中该用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法包括步骤：检测该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的温度T变化范围，其中温度变化范围为：T1～Tn；在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点；构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿；分析在n个不同温度点和在m个位姿时，该解耦六自由度机构的末端变化状态，以得到位姿误差表；根据该解耦六自由度机构的运动学方程和任意温度任意位姿下的位姿误差矩阵，完成对该解耦六自由度机构在风洞试验过程中由于受温度影响而引起的末端位姿的误差补偿，通过这样的步骤，能够大幅度地提高该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的精度和可靠性，以保证风洞试验的顺利进行。
也就是说，在风洞试验前，通过有限元热力学分析可以建立该解耦六自由度机构因温度变化而引起的末端位姿误差数据库，在试验过程中实时查找该数据库，以得到该解耦六自由度机构的末端位姿误差，进而实时补偿，从而大大地提高了在风洞试验过程中该解耦六自由度机构的运行精度，进而提高风洞试验的精度和可靠度。
附图说明
为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：
图1是该解耦六自由度机构的立体示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
如图1所示，依本发明的发明精神提供一种用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法，以对该解耦六自由度机构参与风洞试验时进行误差补偿，从而提高该解耦六自由度机构的可靠性和精确度，以保证该风洞试验的顺利进行。在图1中示出的该解耦六自由度机构中，1作Z向运动，2作X向运动，3作偏航运动(绕Y轴转动)，4作Y向运动，5作俯仰运动(绕Z轴转动)，6作滚转运动(绕X轴转动)，该解耦六自由度机构的各个自由度既可以单独移动又能够多自由度联动，并且该解耦六自由度机构采用的这种内嵌式的串联解耦结构，使该解耦六自由度机构的结构更加紧凑，并且安全可靠。
在对该解耦六自由度机构的误差进行补偿时，首先检测该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的温度T变化情况，以得到温度变化范围：T1～Tn，并且选取m个不同位姿，通过有限元热力学分析n个不同温度情况下m个位姿时该解耦六自由度机构的末端的变化情况；然后根据该解耦六自由度机构的末端的变化情况分别得到该解耦六自由度机构在六个自由度下随温度变化的位姿误差，建立位姿误差表。当该解耦六自由度机构处于任意位姿和任意温度时，通过插值法实时查表计算得到该位姿和温度时的误差值，从而得到位姿误差矩阵；最后根据该解耦六自由度机构的运动学方程和任意温度任意位姿下的位姿误差矩阵，以完成对该解耦六自由度机构在风洞试验过程中由于受温度影响而引起的末端位姿的误差补偿，从而提高该解耦六自由度机构的精确性和可靠度，以保证该风洞试验的顺利进行。
更具体地说，该用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法包括如下步骤：
步骤一：将温度传感器分散布置到该解耦六自由度机构各关键位置，在风洞实验过程中，得到该解耦六自由度机构的温度平均值的变化范围T1～Tn。
步骤二：选取该解耦六自由度机构的m个不同位姿，温度T1～Tn间取n个温度点，通过有限元热力学分析在n个不同温度情况下m个位姿时末端的变形情况(三个直线方向变形以及三个角度偏差)，由变形情况得到不同温度下的位姿误差。
步骤三：将上述步骤得到位姿误差进行分离得到六个自由度下不同温度的位姿误差表，如下表为不同温度下(T1～Tn)，不同X位置下的误差(A11～Anm)。
X1 X2 … Xm
T1 A11 A12 … A1m
T2 A21 A22 … A2m
… … … … …
Tn An1 An2 … Anm
同理，得到其他五个自由度下不同温度不同位姿的位姿误差表。
步骤四：对于风洞实验过程中的任意温度和位姿，提供一种查表方法，能够实时补偿温度引起的末端误差。例如温度Tp，位姿(Xp,Yp,Zp,αp,βp,γp),假如Tp介于T1～T2之间，Xp介于X1，X2之间。按比例插值法，首先温度插值得到Tp温度下在X1，X2时的位姿误差(Ap1,Ap2)，然后X位置插值得到温度Tp，位置Xp时的位姿误差同理可以得到其他位姿下的误差，这样就得到温度Tp，位姿(Xp,Yp,Zp,αp,βp,γp)时的误差矩阵SP。
步骤五：设六个自由度运动参数为x,y,z,α,β,γ，对应的电机转动角度为θ1～θ6，建立解耦六自由度机构的运动学正解方程如下：
其中a,b,c,k(θ5),f(θ6)为正解参数，a,b,c为常数，k(θ5),f(θ6)为关于电机输出角度的函数，将上式简写为C＝EB,则B＝E-1C，风洞试验中，通过实时检测温度和指定位姿实时查表得到位姿误差矩阵Sp，从而得到电机输入的实际矩阵B'＝E-1(C-Sp),达到补偿位姿误差的目的。
因此，本发明提供一种用于解耦六自由度机构温度引起的末端位姿误差补偿方法，其包括：
步骤1：检测该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的温度T变化范围，其中温度变化范围为：T1～Tn；
步骤2：在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点；
步骤3：构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿；
步骤4：分析在n个不同温度点和在m个不同位姿时，该解耦六自由度机构的末端变化状态，以得到不同温度下的位姿误差；
步骤5：根据该解耦六自由度机构的运动学方程和任意温度任意位姿下的位姿误差矩阵，以完成对该解耦六自由度机构在风洞试验过程中由于受温度影响而引起的末端位姿的误差补偿。
值得一提的是，该步骤3也可以在该步骤2之前，从而先构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿，然后在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点。
优选地，在该步骤4中包括步骤：
步骤4.1：根据该解耦六自由度机构的末端的变化情况分别得到该解耦六自由度机构在六个自由度下随温度变化的位姿误差，以建立不同温度下的位姿误差表；
步骤4.2：当该解耦六自由度机构处于任意位姿和任意温度时，通过插值法实时在该位姿误差表中查找，以得到该位姿和该温度下的位姿误差矩阵。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法，其特征在于，该误差补偿方法包括如下步骤：
步骤1：检测该解耦六自由度机构在风洞试验过程中的温度T变化范围，其中温度变化范围为：T1～Tn；
步骤2：在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点；
步骤3：构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿；
步骤4：分析在n个不同温度点和在m个不同位姿时，该解耦六自由度机构的末端变化状态，以得到不同温度下的位姿误差；
步骤5：根据该解耦六自由度机构的运动学方程和任意温度任意位姿下的位姿误差矩阵，以完成对该解耦六自由度机构在风洞试验过程中由于受温度影响而引起的末端位姿的误差补偿。
2.如权利要求1所述的时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法，其特征在于，该步骤3与步骤2顺序可互换，可先构建与该解耦六自由度机构相关的m个不同位姿，然后在温度变化范围T1～Tn之间选取n个温度点，也可反之。
3.如权利要求1或2所述的时变温度场中六自由度解耦机构末端位姿误差补偿法，其特征在于，在该步骤4中包括步骤：
步骤4.1：根据该解耦六自由度机构的末端的变化情况分别得到该解耦六自由度机构在六个自由度下随温度变化的位姿误差，以建立不同温度下的位姿误差表；
步骤4.2：当该解耦六自由度机构处于任意位姿和任意温度时，通过插值法实时在该位姿误差表中查找，以得到该位姿和该温度下的位姿误差矩阵。
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