六自由度虚拟轴机床的智能位姿检测及实时误差补偿控制研究

摘要

虚拟轴机床,又称并联机床,是机器人技术、机床结构技术、数控技术等多学科交叉结合的产物,具有高精度、高刚性、高速度、高加速度、高柔性、高灵活性、推力大、重量轻等潜在优异性能。在虚拟轴机床的研究中,为了更好地实现对末端刀具的高精度控制,机床末端刀具准确到达指定位姿的能力成为其重要的技术指标之一。目前,在虚拟轴机床数控加工中只能通过编码器获得伺服电机的运动状态,无法直接获得末端刀具的实时位姿。虚拟轴机床末端运动位姿的实时检测难题,影响着虚拟轴机床末端刀具的运动控制精度,并已成为困扰虚拟轴机床在实现产业化方面取得实质性突破的关键问题之一。因此,本文对虚拟轴机床末端刀具的位姿检测方法进行的研究,不仅具有较高的实用价值,而且具有较高的学术价值。
　　 本文首先总结了国内外虚拟轴机床的研究概况,包括运动学、动力学、工作空间、控制策略、检测方法及误差补偿等,论述了本课题研究的内容、目的和意义。其次,对该机床的数控系统硬件系统进行了研究。另外,结合本课题的研究对象----6-PTRT型虚拟轴机床,从运动学分析的角度阐述六自由度虚拟轴机床运动学的相关理论,为虚拟轴机床的控制与检测奠定基础。根据具体的运动学分析,利用RBF神经网络任意逼近非线性函数的能力,对给定的末端位姿及其运动学逆解进行训练,从而利用训练好的RBF神经网络实现对虚拟轴机床末端位姿的检测,并将RBF神经网络检测的结果与BP神经网络检测的结果进行仿真对比,以验证RBF神经网络的优越性。然后对虚拟轴机床的位姿进行误差补偿。最后,针对虚拟轴机床的特点,利用VC++开发工具,建立数控系统交互界面,设计出该检测方法及误差补偿方法的软件,实现对虚拟轴机床末端位姿的高精度检测。仿真和实验结果表明了本文所设计的检测方法在虚拟轴机床位姿检测中的有效性,同时为虚拟轴机床末端刀具的直接闭环高精度控制奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 虚拟轴机床的发展概况

1.3 虚拟轴机床的研究现状

1.3.1 虚拟轴机床的运动学和动力学分析

1.3.2 虚拟轴机床工作空间及奇异位形分析

1.3.3 虚拟轴机床控制策略和位姿检测分析

1.4 虚拟轴机床的误差补偿简介及研究现状

1.5 课题研究的内容、目的及意义

1.5.1 课题研究的内容

1.5.2 课题研究的目的及意义

1.6 本章小结

第二章 六自由度虚拟轴机床数控系统硬件研究

2.1 引言

2.2 运动控制卡选型

2.2.1 运动控制卡的研究现状

2.2.2 运动控制卡的选型

2.3 交流伺服控制系统硬件研究

2.3.1 电机的选型

2.3.2 伺服驱动系统的选型

2.3.3 编码器的选型

2.4 六自由度虚拟轴机床数控系统的工作原理

2.5 本章小结

第三章 六自由度虚拟轴机床的运动学分析

3.1 引言

3.2 六自由度虚拟轴机床并联机构分析

3.2.1 六自由度虚拟轴机床并联机构结构参数

3.2.2 六自由度虚拟轴机床并联机构运动模型建立

3.3 六自由度虚拟轴机床的运动学分析

3.3.1 六自由度虚拟轴机床的逆解分析

3.3.2 六自由度虚拟轴机床的J下解分析

3.3.3 虚拟轴机床的速度、加速度分析

3.4 六自由度虚拟轴机床的工作空间和奇异位分析

3.5 本章小结

第四章 六自由度虚拟轴机床位姿检测研究

4.1 引言

4.2 RBF神经网络的设计

4.2.1 RBF神经网络的模型

4.2.2 RBF神经网络的学习算法及样本训练

4.3 虚拟轴机床位姿检测仿真及其结果分析

4.3.1 虚拟轴机床位姿检测仿真实验

4.3.2 基于RBF和BP神经网络的系统仿真对比分析

4.4 本章小结

第五章 六自由度虚拟轴机床位姿误差补偿研究

5.1 引言

5.2 虚拟轴机床误差分析及误差补偿的实现与分类

5.2.1 虚拟轴机床误差分析

5.2.2 虚拟轴机床误差补偿的实现与分类

5.3 软件误差补偿原理

5.4 基于BP神经网络的虚拟轴机床误差补偿

5.4.1 神经网络样本的建立

5.4.2 隐含层神经元数目的确定

5.4.3 BP神经网络误差补偿

5.5 本章小结

第六章 虚拟轴机床检测与误差补偿软件设计及实验分析

6.1 引言

6.2 虚拟轴机床数控系统软件平台

6.3 虚拟轴机床数控系统软件总体结构

6.4 虚拟轴机床控制软件的各模块设计

6.4.1 人机交互界面设计

6.4.2 通讯模块设计

6.4.3 动态链接技术在系统中的应用

6.5 虚拟轴机床控制系统实验及结果分析

6.5.1 虚拟轴机床实验软硬件准备

6.5.2 虚拟轴机床检测实验及其结果分析

6.6 本章小结

第七章 全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文与成果