一种基于多轴耦合运动机构的误差主动补偿装置与方法

本发明涉及一种多轴耦合运动机构的主动补偿装置与方法，具体涉及到一种基于多轴耦合运动机构的误差主动补偿装置与方法。

背景技术：

1、在精密加工、精密装配领域中，固定组件的安装基准位置与被安装组件的位置对准是整个工序的重要步骤，该步骤决定了加工及安装产品的精度，甚至决定安装与加工是否能够成功。精密对准及精密装配主要执行的操作是将一个组件固定后，将其他被安装组件根据固定组件位置，按照所要求的规律进行位姿调整，以实现对被执行组件在空间自由度的控制，进而实现被执行组件与固定组件的位姿对准。被执行部件的相对位置精密控制是实现精密对准的关键，被执行部件在空间中具有六个自由度，因此被执行部件需要安装在多轴耦合运动对准机构上以实现六个自由度的调整，如图1所示。固定安装组件中有固定安装组件基准位置，被对准组件安装在多轴耦合运动对准机构上，被对准组件有理想安装位置，但多数情况下，被对准组件往往不会处于理想位置，可能由于安装原因往任意方向偏移，例如被对准组件的第一偏移位置和第二偏移位置。调整被执行组件的六个自由度即可实现相对固定组件安装位置的对准，而被执行组件的空间位置主要通过多轴耦合运动对准机构来实现。因此多轴耦合运动对准机构的运动及控制精度至关重要。

2、而对于多轴耦合对准机构，各轴之间的耦合误差会相互影响其运动精度，即当其中一轴运动时，其他轴会因此产生耦合运动，进而造成耦合误差。耦合误差是影响多轴耦合运动对准机构精度的主要问题，在非精密加工装配中将此误差忽略不计，但在高精密加工与装配中，该误差将严重影响加工及精密装配的精度。

3、而其根据产生的原因又可以分为两种，一种为由于安装偏心导致的耦合误差，该种误差是由于被对准组件未安装在多轴耦合运动对准机构的中心位置，因此当多轴耦合机构进行运动时，被对准机构并不能按照所要求位姿进行调整，如果不进行修正控制，就会造成位姿偏差。另外一种是由于机构本身的耦合特性导致的。由于设计原理、多轴间的装配，外部干扰等，各轴的精度会收到其他轴的影响，尤其在多轴机构运动过程中，各轴的精度会受到其他轴的位置，速度及加速度的等动态运动特性的影响，产生动态耦合误差，而该种误差的成因较为复杂，从产生机理及理论分析上分析较难得到一个准确的模型，因此也较难通过理论分析的方法对该误差进行补偿。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中的需求和问题，本发明提供了一种基于多轴耦合运动机构的误差主动补偿装置与方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一、一种基于多轴耦合运动机构的误差主动补偿方法

4、1)构建原始多轴耦合运动机构模型；

5、2)根据原始多轴耦合运动机构模型，建立机构位姿偏心误差模型，利用机构位姿偏心误差模型对多轴耦合运动机构进行偏心误差的补偿控制后，获得偏心修正后的多轴耦合运动机构模型；

6、3)基于偏心修正后的多轴耦合运动机构模型，结合机构本身的耦合运动特性，构建各轴运动耦合误差模型，利用各轴运动耦合误差模型修正耦合误差，获得更新的多轴耦合运动机构模型；

7、4)不断采集运动信号测量数据并更新各轴运动耦合误差模型，直至最新的多轴耦合运动机构模型的加工精度满足预设要求，完成多轴耦合运动机构的误差补偿。

8、所述2)中，机构位姿偏心误差模型的公式如下：

9、δx1＝rsin(θy)-rsin(δθy)

10、δz1_1＝rcos(θy)-rcos(δθy)

11、δz1_2＝rsin(θx)-rcos(δθx)

12、δz1_3＝zideal-zactual

13、δy1_3＝yideal-yactual

14、δx1_3＝xideal-xactual

15、其中，δx1为由于θy轴没有安装到旋转中心时调整的x轴的平移运动量；δz1_1为由于θy轴没有安装在中心位置造成的z轴平移方向的移动量；δy1为由于θx轴没有安装到旋转中心需要调整的y轴的平移运动量，δz1_2为由于θx轴没有安装在中心位置造成的z轴平移方向的移动量；δz1_3为由于z轴没有安装到中心位置导致的偏移；δy1_3为由于y轴没有安装到中心位置导致的偏移；δx1_3为由于x轴没有安装到中心位置导致的偏移；r为安装位置到理想中心位置的距离，θy为y轴旋转初始角度，δθy为旋转的角度差；zideal为理想的z轴位置，zactural为实际的z轴位置；yideal为理想的y轴位置，yactural为实际的y轴位置；xideal为理想的x轴位置，xactural为实际的x轴位置。

16、所述3)中，对于每个轴与其他轴之间的耦合运动，利用多轴耦合运动机构的运动信号测量数据建立当前轴的运动耦合误差模型，具体包括以下步骤：

17、s1：给当前轴的每个位置激励运动信号，接着实时检测多轴耦合运动机构中其他轴的位置变化数据，获得当前轴的一组位置耦合运动信息；

18、s2：改变当前轴的激励位置，重复s2，获得当前轴的多组位置耦合运动信息；

19、s3：分别改变当前轴的激励速度和加速度，重复s1和s2，分别获得当前轴的多组速度耦合运动信息和多组加速度耦合运动信息；

20、s4：利用当前轴的多组位置、速度和加速度耦合运动信息建立当前轴的运动耦合误差模型，公式如下：

21、

22、其中，δx3、δy3、δz3、δθx3、δθy3、δθz3为由于耦合特性其他各轴对应轴方向产生的误差，x、y、z、θx、δθy、δθz分别为六个轴的实时位置；为六个轴的实时速度；为六个轴的实时加速度；a为各轴位置到各轴误差的传递矩阵，v为各轴速度到各轴误差的传递矩阵，c为各轴加速度到各轴误差的传递矩阵，d表示各个轴误差的拟合后的常量差值矩阵。通过以上数学模型可以将各轴的运动特性与各轴间的耦合误差进行描述。

23、所述运动信号为扫频信号、斜坡信号、方波信号或者三角波信号。

24、二、一种基于多轴耦合运动机构的误差主动补偿装置

25、包括：

26、偏心状态计算模块、偏心指令修正控制器、动态耦合误差计算模块、动态误差指令修正器；

27、偏心状态计算模块，用于原始多轴耦合运动机构模型进行偏心误差建模，获得机构位姿偏心误差模型；

28、偏心指令修正控制器，用于根据机构位姿偏心误差模型对多轴耦合运动机构进行偏心误差的补偿控制后，获得偏心修正后的多轴耦合运动机构模型；

29、动态耦合误差计算模块，用于根据偏心修正后的多轴耦合运动机构模型，结合机构本身的耦合运动特性，构建各轴运动耦合误差模型；

30、动态误差指令修正器，用于利用各轴运动耦合误差模型修正耦合误差，获得更新的多轴耦合运动机构模型，最终获得满足预设精度的多轴耦合运动机构模型。

31、本发明的有益效果是：

32、针对位姿偏差，本发明采用理论分析的方法，建立偏心与产生误差的模型，依据该模型设计安装偏心指令修正控制器，对该误差进行补偿控制，以实现对安装偏心带来的轴耦合误差的补偿，本发明对该误差通过理论分析进行完全建模，因此该种误差理论上可以进行完全补偿修正。

33、对于耦合特性导致的动态误差，本发明针对某个轴的误差建立该轴误差与其他轴的位置、速度及加速度之间的数学模型，利用该数学模型对各个轴的误差进行实时补偿控制。