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五自由度磁悬浮激光光路控制策略研究

五自由度磁悬浮激光光路控制策略研究

作者：王弢沈阳工业大学

学位级别：硕士

激光切割是通过聚集高能量光斑改变物理材料的过程,是一种应用于多种领域的非应力性加工手段。激光切割技术凭借独特的加工优势在航天飞行器、精密仪表、生物医学工程等领域有着不可或缺的重要作用。在传统激光切割中,需保持高压气流出... 详细信息

激光切割是通过聚集高能量光斑改变物理材料的过程,是一种应用于多种领域的非应力性加工手段。激光切割技术凭借独特的加工优势在航天飞行器、精密仪表、生物医学工程等领域有着不可或缺的重要作用。在传统激光切割中,需保持高压气流出口方向与激光束轴线重合才能达到切割工艺要求。采用高压气流方向与激光束轴线方向分离的形式,可以有效改进激光切割的质量和效率。本文将一种高精度、高耐用性、低摩擦的五自由度磁悬浮激光光路控制器,作为激光切割加工的执行机构,采用PID控制和自抗扰控制对磁悬浮激光光路控制器进行控制,进而驱动磁悬浮平台进行多自由度运动,实现提高激光切割质量的目的。为了实现磁悬浮激光光路控制器结构紧凑和响应迅速,采用主动磁悬浮轴承结构并应用差动电磁铁进行驱动。针对提高控制磁悬浮平台运动的精准度,由单组电磁铁计算出满足悬浮平台稳定悬浮和多自由度运动的电磁铁参数。对于磁悬浮激光光路控制器驱动磁悬浮平台的运动,运用拉格朗日方程推导出磁悬浮平台的动力学模型,建立了状态空间方程并进行系统能控能观测性验证。根据磁悬浮平台的动力学模型,针对平台多自由度运动控制,建立了五自由度磁悬浮激光光路控制系统。对基于常规PID控制的悬浮平台进行平移和翻转运动控制,验证了磁悬浮激光光路控制器能实现对悬浮平台的快速响应和多自由度控制。针对常规的PID控制在系统设定值改变时悬浮平台输出位移存在较大超调,提出了将积分作用设置为根据系统误差的变化范围起作用的积分分离PID控制。经过参数整定后,对磁悬浮平台系统在MATLAB/Simulink下的跟踪性能和抗扰性能进行仿真对比,由悬浮平台各方向位移输出结果,证明了积分分离PID在抑制超调量方面优于常规PID。针对PID控制器在系统动态响应特性和抗干扰性能上的不足,通过引入扩张状态观测器(LESO),在线估计系统输出和状态变量以及系统扰动,结合误差补偿环节,设计了二阶线性自抗扰控制器(LADRC)。为了验证二阶LADRC控制器的优越性,采用极点配置法整定参数并进行LADRC控制器特性分析,利用MATLAB/Simulink进行仿真分析,同时,对悬浮平台运动控制的跟踪性能和动态特性进行实验分析。根据仿真和实验结果得出,二阶LADRC在磁悬浮激光光路控制器驱动磁悬浮平台运动的超调量、响应速度和抗扰性能上均优于PID控制。

关键词：磁悬浮激光光路控制器磁悬浮平台五自由度 PID控制自抗扰控制

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五自由度并联机器人机构动力学模型

农业机械学报 2013年第1期44卷 236-243页

作者：陈修龙冯伟明赵永生山东科技大学机械电子工程学院青岛266590 燕山大学机械工程学院秦皇岛066004

提出了4-UPS-UPU 5自由度并联机器人机构,建立了机构的动力学模型。推导了UPS和UPU支链的运动学反解的解析方程,并建立了各个构件速度与动平台速度的映射关系;推导了各个运动构件的外力对应于5个驱动杆的等效驱动力,然后用虚功原理推导... 详细信息

提出了4-UPS-UPU 5自由度并联机器人机构,建立了机构的动力学模型。推导了UPS和UPU支链的运动学反解的解析方程,并建立了各个构件速度与动平台速度的映射关系;推导了各个运动构件的外力对应于5个驱动杆的等效驱动力,然后用虚功原理推导了4-UPS-UPU并联机器人机构的动力学模型,为支链中驱动力和约束力矩的求解以及整个机构的动力学分析奠定了基础。最后结合机构的工程应用实例,采用Matlab编程对动力学模型进行了实际计算,并绘制了机构驱动杆驱动力和约束力矩的变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性。

关键词：并联机构动力学模型五自由度虚功原理

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五自由度纳米级定位工作台的设计研究

中国机械工程 2005年第15期16卷 1317-1321页

作者：王勇刘志刚薄锋朱健强中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

提出一种新型的五自由度精密定位平台的工作原理及其设计方法。工作台采用柔性导向机构实现平移及转动功能,采用压电陶瓷作为驱动元件,外置纳米级电容传感器作为位移量测量反馈元件,采用数字PID控制方法,可以实现纳米级精度的定位。给... 详细信息

提出一种新型的五自由度精密定位平台的工作原理及其设计方法。工作台采用柔性导向机构实现平移及转动功能,采用压电陶瓷作为驱动元件,外置纳米级电容传感器作为位移量测量反馈元件,采用数字PID控制方法,可以实现纳米级精度的定位。给出了多种形式柔性导向机构刚度计算公式及设计实例。

关键词：精密定位柔性机构压电/电致伸缩驱动五自由度

五自由度光电鼠标:能实现三维空间交互的新型USB鼠标的设计与实现

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电子学报 2010年第2期38卷 460-464页

作者：王兴凤秦开怀清华大学计算机科学与技术系北京100084

为满足虚拟现实、网络游戏和手术模拟等的需求,本文设计并实现了一种能实现三维空间交互的新型五自由度USB光电鼠标,该鼠标在传统二维鼠标的基础上增加2个自由度,这2个自由度以滚轮的形式分布在鼠标的两侧,分别实现绕X轴和Y轴的旋转,从... 详细信息

为满足虚拟现实、网络游戏和手术模拟等的需求,本文设计并实现了一种能实现三维空间交互的新型五自由度USB光电鼠标,该鼠标在传统二维鼠标的基础上增加2个自由度,这2个自由度以滚轮的形式分布在鼠标的两侧,分别实现绕X轴和Y轴的旋转,从而实现5个自由度的交互输入.文中给出了硬件电路、固化程序、驱动程序、样机和应用系统的设计等.该鼠标完全兼容传统的二维鼠标,接入计算机就能直接当传统的二维鼠标使用,安装新的驱动程序后能实现三维交互输入,并且不再另外需要二维鼠标的配合,单手操作即可.实验表明:该五自由度三维鼠标交互输入的效果良好,并且操作简单方便.

关键词：计算机交互输入设备 USB光电鼠标五自由度

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五自由度机械臂系统设计与控制方式研究

青岛大学学报（工程技术版） 2023年第1期38卷 104-111,118页

作者：王钧田垄翔李斌孙传珠吴洋符朝兴青岛大学机电工程学院山东青岛266071

针对机械臂在智能制造领域越来越大的需求,本文主要对五自由度机械臂系统进行设计,设计制作了一款具有人机交互功能的机械臂。通过对系统总体方案的设计,建立机械臂模型,选取关节连接件、电机、主控芯片和电源等部件,编写角度控制、姿... 详细信息

针对机械臂在智能制造领域越来越大的需求,本文主要对五自由度机械臂系统进行设计,设计制作了一款具有人机交互功能的机械臂。通过对系统总体方案的设计,建立机械臂模型,选取关节连接件、电机、主控芯片和电源等部件,编写角度控制、姿态解算和用于解决冲击问题的比例-积分-微分(process identification,PID)控制程序,并结合模拟数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)角度反馈,实现机械臂误差补偿,确定PID参数,通过拟合控制函数提高控制精度。同时,开发了实现人机交互的上位控制系统,并对泡沫块、小木块和方块纸3种不同物体在不同的位置分别进行抓取实验。实验结果表明,3种物体抓取成功率分别为100%,96%和98%,实验过程稳定可靠,满足设计系统可行性要求。该研究扩大了机械臂在工业领域的应用范围,对改善传统工业结构具有重要意义。

关键词：机械臂五自由度控制系统人机交互

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精密运动平台的五自由度误差同时测量方法

中南大学学报（自然科学版） 2017年第10期48卷 2629-2635页

作者：王丽军郑煜吕文李继攀段吉安中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083

提出一种同时测量运动平台五自由度误差的方法。采用准直的激光光束作为基准,仅以角锥棱镜作为误差测量的敏感器件,由1个斜方棱镜和聚焦透镜并辅以光电位移传感器组成测量系统。研究结果表明:直线运动平台2个直线度误差和3个角度误差可... 详细信息

提出一种同时测量运动平台五自由度误差的方法。采用准直的激光光束作为基准,仅以角锥棱镜作为误差测量的敏感器件,由1个斜方棱镜和聚焦透镜并辅以光电位移传感器组成测量系统。研究结果表明:直线运动平台2个直线度误差和3个角度误差可同时测量,且测量头无电缆连接;测量直线度误差的分辨率小于0.1μm,角度误差的分辨率小于1″;直线度和角度测量精度分别达到1μm和5″。测量系统结构简单,易于安装和调节,适用于运动平台多自由度误差精密测量。

关键词：同时测量五自由度运动误差准直光束运动平台

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五自由度立体视觉机器人平台建模与物体跟踪

北京交通大学学报 2006年第5期30卷 105-108页

作者：杜欣赵晓光谭民北京交通大学电气工程学院北京100044 中科院自动化所北京100080

从立体视觉与机器人控制集成的角度出发,建立了一个主动立体视觉跟踪和定位系统,用于柔性装配线中装配零件的运动跟踪和装配工位的定位.该系统具有五个自由度,采用D_H方法得到五自由度立体视觉平台的运动学模型,并获得运动学的正解.该... 详细信息

从立体视觉与机器人控制集成的角度出发,建立了一个主动立体视觉跟踪和定位系统,用于柔性装配线中装配零件的运动跟踪和装配工位的定位.该系统具有五个自由度,采用D_H方法得到五自由度立体视觉平台的运动学模型,并获得运动学的正解.该系统能在工作空间内迅速跟踪移动物体,并有较好的精度.通过该跟踪实验证明了模型的正确性和方法的有效性.

关键词：立体视觉 D-H建模五自由度

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交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度理论模型

中国科学：技术科学 2021年第4期51卷 399-412页

作者：蒋书运王耀东南大学机械工程学院南京211189

交叉滚柱直线导轨广泛应用于机床等精密机械中,静刚度为交叉滚柱直线导轨的重要性能指标,然而到目前为止,尚未见到该导轨静刚度的理论模型的报道.本研究建立交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度的理论模型.首先,基于Hertz线接触理论与弹性... 详细信息

交叉滚柱直线导轨广泛应用于机床等精密机械中,静刚度为交叉滚柱直线导轨的重要性能指标,然而到目前为止,尚未见到该导轨静刚度的理论模型的报道.本研究建立交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度的理论模型.首先,基于Hertz线接触理论与弹性理论的Boussinesq解,采用分片法推导了滚柱-滚道接触力及接触力矩的函数表达式;在此基础上,建立直线导轨结合部变形协调方程、物理方程与静力平衡方程,迭代求解方程获得交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度.其次,以一款交叉滚柱直线导轨为例,开展了导轨五自由度静刚度的实验测试,并与理论模型计算结果进行了对比,验证了本模型的正确性.最后,分析讨论了预紧力对交叉滚柱直线导轨各向位移及刚度的影响,为交叉滚柱直线导轨预紧力的调节奠定理论基础.

关键词：交叉滚柱直线导轨静刚度五自由度预紧力接触载荷

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新型五自由度混联机器人及其动力学分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2015年第S1期43卷 32-36页

作者：李瑞峰郭万金曹雏清哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080 南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 哈尔滨工业大学芜湖机器人产业技术研究院安徽芜湖241007

设计了一种新型五自由度混联机器人结构,对其构型进行了介绍和分析.应用D-H方法建立了该五自由度混联机器人的运动学模型.在此基础上,基于递归牛顿-欧拉算法对该混联机器人进行了动力学分析,推导了机器人各连杆的速度、加速度、惯性力... 详细信息

设计了一种新型五自由度混联机器人结构,对其构型进行了介绍和分析.应用D-H方法建立了该五自由度混联机器人的运动学模型.在此基础上,基于递归牛顿-欧拉算法对该混联机器人进行了动力学分析,推导了机器人各连杆的速度、加速度、惯性力和力矩,同时,推导了各连杆相互作用的力、力矩及关节驱动力或力矩,研究了各连杆的运动速度、加速度及受力情况.通过Matlab数值仿真和ADAMS虚拟样机验证了动力学分析求解的正确性,为后续结构优化和运动控制提供了依据.

关键词：五自由度混联机器人动力学分析递归牛顿-欧拉算法