CN109297482A - 一种基于旋转编码器的位置测量***和测量方法 - Google Patents

一种基于旋转编码器的位置测量***和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于旋转编码器的位置测量***和测量方法，属于测量技术领域。是由数据采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的。该测量装置以两个旋转编码器为主要测量器件，通过将两个旋转编码器确定安装间距以形成一个测量装置进行测量，通过数据采集卡和计算机终端实时获得两个旋转编码器的旋转角度，通过三角形定理计算出数控装置末端执行器的相对坐标，实现数控装置在固定平面内运动时的实时位置测量，且使用时，对数据采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，采用高精度的旋转编码器作为测量器件，测量的数据精度较高，具有保护的外壳体，有效防止了灰尘、油污等环境因素对测量器件的影响，使用寿命长。

Description

一种基于旋转编码器的位置测量***和测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于旋转编码器的位置测量***和测量方法，具体地说是一种机器人、机床等机械装备末端位置实时测量***和测量方法，属于测量技术领域。
背景技术
随着科技的发展，对机械设备在运动时的准确定位、速度和加速度的大小有严格的要求，在实际工程中，经常需要实时测量装备末端或执行端的位置、速度和加速度，以提高设备的运动及加工精度。目前主要的测量方法包括：激光跟踪仪、多激光位移测量法和摄像跟踪等方法。激光跟踪仪的成本高，易用性差，而包括多激光位移测量法在内的其他方法存在着易受空间限制，现场实用性差，实现难度大等问题。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种基于旋转编码器的位置测量***和测量方法，是一种基于双旋转编码器和拉线盒的实时测量***和测量方法，具有成本低，使用方便等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于旋转编码器的位置测量***，是由数据采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的，所述的连接适配器固定到所述的数控装置的末端执行器的适当位置，所述的数据采集装置的两个拉线端子连接到所述的连接适配器上，所述的数据采集装置通过数据线与计算机终端连接。
所述的数据采集装置是由装置基座、位置反馈仪和数据采集卡组成的，所述的位置反馈仪是由外壳体、拉线端子、编码器固定座、旋转编码器、拉线盒、定滑轮、动滑轮和动滑轮支架组成的，所述的编码器固定座的下端固定在所述的装置基座上，所述的旋转编码器固定到所述的编码器固定座上，所述的拉线盒固定到所述的编码器固定座的适当位置，所述的定滑轮固定到所述的编码器固定座的下端面，所述的动滑轮支架通过联轴器与所述的旋转编码器连接，使得所述的动滑轮支架可以绕着所述的旋转编码器的转轴旋转，所述的数据采集卡固定到所述的装置基座的适当位置。
所述的动滑轮的轮槽中心开有一个与拉线盒的拉线的直径相当的环形槽，使得拉线能够嵌入到槽内。
所述的位置反馈仪有两个，以一个确定的间距分别固定到所述的装置基座上。
一种基于旋转编码器的位置测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置放置在数控装置周围不影响其工作的合理位置处，检测拉线是否正常，拉线是否嵌入到动滑轮的环形槽中；
b.将连接适配器固定到数控装置的末端执行器上的合理位置处，将两个拉线盒的拉线端子与连接适配器连接，通过数据线将数据采集装置与计算机终端连接；
c.操控数控装置运动到同一平面内的两个确定的位置，分别测得在数控装置基坐标系下这两个固定位置的坐标值，同时通过数据采集装置将在这两个位置处的旋转编码器的数据发送到计算机终端；
d.两个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心之间的距离在装配时已经测得，通过计算机终端处理两个旋转编码器的数据可以得到相应的旋转角度，即由两个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心和连接适配器与拉线端子的连接点所组成的三角形的两个角和两角的夹边已经确定；
e.通过三角形定理计算出上述两个固定位置在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
f.通过步骤a-e可以得到两个固定点在数控装置的基座标系和数据采集装置确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置确定的坐标系与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；
g.操纵数控装置在上述平面内运动，通过数据采集装置实时采集两个旋转编码器数据，通过计算机终端计算出末端执行器在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
h.利用步骤f得到的变换矩阵，通过计算机终端求得末端执行器在数控装置基座标系下的坐标值。
所述的数据采集装置确定的坐标系的建立应该遵循以下原则：
以其中一个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心为坐标原点，以两个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心的连线为Xj轴，以从原点处的位置反馈仪的旋转编码器转轴中心到另一个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心移动的方向为Xj轴的正方向。
该发明的有益之处是，该测量装置以两个旋转编码器为主要测量器件，通过将两个旋转编码器确定安装间距以形成一个测量装置进行测量，通过数据采集卡和计算机终端实时获得两个旋转编码器的转动角度，通过三角形定理计算出数控装置末端执行器的相对坐标，实现数控装置在固定平面内运动时的实时位置测量，且使用时，对数据采集装置的摆放位置没有严格要求，也无需将数据采集装置调节水平，使得测量过程操作方便，采用高精度的旋转编码器作为测量器件，测量的数据精度较高，具有保护的外壳体，有效防止了灰尘、油污等环境因素对测量器件的影响，使用寿命长。
附图说明
附图1为本发明的测量示意图，附图2为数据采集装置的结构示意图，附图3为位置反馈仪的局部剖视图，附图4为动滑轮的结构示意图，附图5为建立坐标系计算末端执行器位置示意图。
图中，1、数据采集装置，1.1、装置基座，1.2、位置反馈仪，1.2.1、编码器固定座，1.2.2、旋转编码器，1.2.3、动滑轮支架，1.2.4动滑轮，1.2.5、定滑轮，1.2.6、拉线盒，1.2.7、外壳体，1.2.8、拉线端子，1.3、数据采集卡，2、连接适配器，3、数控装置，4、计算机终端。
具体实施方式
一种基于旋转编码器的位置测量***，是由数据采集装置1、连接适配器2、数控装置3和计算机终4端组成的，所述的连接适配器2固定到所述的数控装置3的末端执行器的适当位置，所述的数据采集装置1的两个拉线端子1.2.8连接到所述的连接适配器2上，所述的数据采集装置1通过数据线与计算机终端4连接。
所述的数据采集装置1是由装置基座1.1、位置反馈仪1.2和数据采集卡1.3组成的，所述的位置反馈仪1.2是由外壳体1.2.7、拉线端子1.2.8、编码器固定座1.2.1、旋转编码器1.2.2、拉线盒1.2.6、定滑轮1.2.5、动滑轮1.2.4和动滑轮支架1.2.3组成的，所述的编码器固定座1.2.1的下端固定在所述的装置基座1.1上，所述的旋转编码器1.2.2固定到所述的编码器固定座1.2.1上，所述的拉线盒1.2.6固定到所述的编码器固定座1.2.1的适当位置，所述的定滑轮1.2.5固定到所述的编码器固定座1.2.1的下端面，所述的动滑轮支架1.2.3通过联轴器与所述的旋转编码器1.2.2连接，使得所述的动滑轮支架1.2.3可以绕着所述的旋转编码器1.2.2的转轴旋转，所述的数据采集卡1.3固定到所述的装置基座1.1的适当位置。
所述的动滑轮1.2.4的轮槽中心开有一个与拉线盒的拉线的直径相当的环形槽，使得拉线能够嵌入到槽内。
所述的位置反馈仪1.2有两个，以一个确定的间距分别固定到所述的装置基座上。
一种基于旋转编码器的位置测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置1放置在数控装置3周围不影响其工作的合理位置处，检测拉线是否正常，拉线是否嵌入到动滑轮的环形槽中；
b.将连接适配器2固定到数控装置3的末端执行器上的合理位置处，将两个拉线盒1.2.6的拉线端子1.2.8与连接适配器2连接，通过数据线将数据采集装置1与计算机终端4连接；
c.操控数控装置3运动到同一平面内的两个确定的位置，分别测得在数控装置3基坐标系下这两个固定位置的坐标值，同时通过数据采集装置1将在这两个位置处的旋转编码器1.2.2的数据发送到计算机终端4；
d.两个位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心之间的距离L在装配时已经测得，通过计算机终端4处理两个旋转编码器1.2.2的数据可以得到相应的旋转角度θ1和θ2，即由两个位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心和连接适配器2与拉线端子的连接点所组成的三角形的两个角和两角的夹边已经确定；
e.通过三角形定理计算出上述两个固定位置在数据采集装置1确定的坐标系下的坐标值；
f.通过步骤a-e可以得到两个固定点在数控装置3的基座标系和数据采集装置1确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置1确定的坐标系与数控装置3基坐标系之间的变换矩阵；
g.操纵数控装置3在上述平面内运动，通过数据采集装置1实时采集两个旋转编码器1.2.2数据，通过计算机终端4计算出末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系下的坐标值；
h.利用步骤f得到的变换矩阵，通过计算机终端4求得末端执行器在数控装置3基座标系下的坐标值。
所述的数据采集装置1确定的坐标系的建立应该遵循以下原则：
以其中一个位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心为坐标原点，以两个位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心的连线为Xj轴，以从原点处的位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心到另一个位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心移动的方向为Xj轴的正方向。
在实际测量时，按照步骤a-d确定了AOjB的两个角和两角的夹边之后，利用三角形定理可得：
则数控装置3末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的横坐标值X1为：
公式(2)中的θ1、θ2为两个旋转编码器1.2.2的旋转角度，由计算机终端4可以求出，L为两个位置反馈仪1.2的旋转编码器1.2.2转轴中心之间的安装距离，该值在安装时已经确定，即θ1、θ2和L都为已知量，所以由公式(2)便可求出X1的值，通过正切公式便可得到Y1的值，则数控装置3末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值已经求出，再通过步骤f得到的两坐标系之间的变换矩阵，便可以求出数控装置3末端执行器在数控装置3基座标系XOY下的坐标值，即完成了对数控装置末端位置的实时测量。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于旋转编码器的位置测量***，是由数据采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的，所述的连接适配器固定到所述的数控装置的末端执行器的适当位置，所述的数据采集装置的两个拉线端子连接到所述的连接适配器上，所述的数据采集装置通过数据线与计算机终端连接。
2.如权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于：所述的数据采集装置是由装置基座、位置反馈仪和数据采集卡组成的，所述的位置反馈仪是由外壳体、拉线端子、编码器固定座、旋转编码器、拉线盒、定滑轮、动滑轮和动滑轮支架组成的，所述的编码器固定座的下端固定在所述的装置基座上，所述的旋转编码器固定到所述的编码器固定座上，所述的拉线盒固定到所述的编码器固定座的适当位置，所述的定滑轮固定到所述的编码器固定座的下端面，所述的动滑轮支架通过联轴器与所述的旋转编码器连接，使得所述的动滑轮支架可以绕着所述的旋转编码器的转轴旋转，所述的数据采集卡固定到所述的装置基座的适当位置。
3.如权利要求2所述的动滑轮，其特征在于：所述的动滑轮的轮槽中心开有一个与拉线盒的拉线的直径相当的环形槽，使得拉线能够嵌入到槽内。
4.如权利要求2所述的位置反馈仪，其特征在于：所述的位置反馈仪有两个，以一个确定的间距分别固定到所述的装置基座上。
5.一种基于旋转编码器的位置测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置放置在数控装置周围不影响其工作的合理位置处，检测拉线是否正常，拉线是否嵌入到动滑轮的环形槽中；
b.将连接适配器固定到数控装置的末端执行器上的合理位置处，将两个拉线盒的拉线端子与连接适配器连接，通过数据线将数据采集装置与计算机终端连接；
c.操控数控装置运动到同一平面内的两个确定的位置，分别测得在数控装置基坐标系下这两个固定位置的坐标值，同时通过数据采集装置将在这两个位置处的旋转编码器的数据发送到计算机终端；
d.两个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心之间的距离在装配时已经测得，通过计算机终端处理两个旋转编码器的数据可以得到相应的旋转角度，即由两个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心和连接适配器与拉线端子的连接点所组成的三角形的两个角和两角的夹边已经确定；
e.通过三角形定理计算出上述两个固定位置在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
f.通过步骤a-e可以得到两个固定点在数控装置的基座标系和数据采集装置确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置确定的坐标系与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；
g.操纵数控装置在上述平面内运动，通过数据采集装置实时采集两个旋转编码器数据，通过计算机终端计算出末端执行器在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
h.利用步骤f得到的变换矩阵，通过计算机终端求得末端执行器在数控装置基座标系下的坐标值。
6.如权利要求5所述的数据采集装置确定的坐标系，其特征在于，所述的数据采集装置确定的坐标系的建立应该遵循以下原则：
以其中一个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心为坐标原点，以两个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心的连线为Xj轴，以从原点处的位置反馈仪的旋转编码器转轴中心到另一个位置反馈仪的旋转编码器转轴中心移动的方向为Xj轴的正方向。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109916391A (zh) * 2019-03-27 2019-06-21 山东大学 一种机械装备空间位置实时采集装置及其测量***、方法
CN109916392A (zh) * 2019-03-27 2019-06-21 山东大学 一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其***、方法
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