摘要:讲述了用PSD构造柔性臂末端振动测量系统的设计与实现过程,包括测量原理,光学系统的构造,PSD的后续处理电路和系统标定等。介绍了一个基于PSD的双连杆柔性机械臂末端振动的测量系统及实验结果。测量准确度达0.1mm。
1 引 言
测量柔性臂末端的振动位移是研究柔性机械手时首先要考虑的问题。常用的测量方法主要有两种:一是用应变片或加速度计,二是使用PSD、CCD等光学器件。应变片和加速度计是测量物体的速度和位移时常用的器件,但是它们只能测量物体上某一点的位移,要想获得柔性臂末端的全部信息,必须在柔性臂上分别布置几个加速度计,然后对数据进行综合,这样所得到的结果往往不精确。PSD(position sensitive detec-tor)的出现,为人们提供了新的测量手段。PSD是以光斑的位置作为模拟信号而输出的半导体器件,当光斑在它的感光表面移动时,能够提供连续位置信号。与可提供离散位置信号的传感器(比如CCD)相比,PSD具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快,后续处理电路结构简单等优点,因而在位置坐标的精确测量上得到了广泛的应用。
本文讲述了用PSD构造柔性臂末端振动测量系统的设计与实现过程,包括测量原理,光学系统的构造,PSD的后续处理电路,系统标定等。最后介绍了一个基于PSD的双连杆柔性机械臂末端振动的测量系统及实验结果。测量准确度达0.1mm。
2 柔性机械杆的结构偏转
系统所要测量的偏转是指机械手的每一根柔性杆末端的位置信息。为控制柔性臂的结构变形和振动,末端位置信息是很重要的。有了末端位置信息,所有的变形、振动,以及其它的误差源都能够通过控制进行补偿。
如图1所示,坐标系(o-xyz)代表机械杆没有发生振动偏移时的端点位置信息,坐标系(o′-x′y′z′)代表机械杆发生振动偏移后的端点位置信息。其中dx,dy,dz,ax,ay和az就是测量系统要测量的数据。
3 光学系统
光学系统一般有三种方案,如图2所示。
图2(a)在挠性杆的末端安装PSD,在杆的根部安装激光器。将激光直接打到PSD表面,激光束不会因为柔性臂发生偏转而改变方向,则光斑在PSD上的坐标就反映了柔性臂末端的振动信息。由于激光具有很好的直线性,所以具有较高的精度。但是因为价格和工艺的原因,所使用的PSD的尺寸不会很大,因此这种方案的测量范围较小。
图2(b)和图2(a)的不同之处在于用LED做光源,光源和PSD的安装位置也相反。这时要用PSD摄像机,PSD摄像机主要由成像物镜、带通滤波片和PSD三部分组成(如图3所示)。通过机械手臂的长度、测量范围以及PSD的口径,利用理想光学的物像关系,确定透镜的焦距和视场角。LED和滤波片的选择应与PSD的峰值波长相匹配,这样可以大大消除杂散光,同时可以增加信噪比。LED具有价格便宜、体积小、重量轻等优点,安装在挠性杆的末端,不会影响其振动情况。经过精心设计,这种方案可具有较大的测量范围和较好的精度,所以图2(b)是一种较实用的方案。
图2(a)和图2(b)的光路比较简单,可用于测量图1中的dx、dy及az,而图2(c)是复杂光路的一个例子,它可测得图1中除dz以外的其余五个量。图2(c)由三个PSD和三个激光器组成,其中一个PSD前装有透镜,PSD位于透镜的焦平面上。通过不带透镜的两个PSD,可以测得dx、dy及az。由于一束平行光通过透镜,在焦平面上会聚成一点,柔性杆在dx、dy及az方向的偏转不会对带透镜的PSD产生影响,所以通过带透镜的PSD,可以得到ax和ay,由于dz与其余的量相比而言非常小,可忽略为0,所以图2(c)可得到柔性臂末端位置的全部信息。
图2仅说明了光路设计的一般思路,对于不同的测量系统,根据不同的要求,研究者们将提出更加精巧复杂的光学设计方案。图3为光学系统。
4 PSD检测处理电路
PSD是测试系统的核心元件,分为一维PSD和二维PSD两种。它是一种基于横向光电效应原理工作的半导体光电器件。与象限探测器及电荷耦合器件不同,PSD是非分割型器件,只有一个完整的光敏面,可将光源照射在光敏面上的光斑强度和位移量转换成电流信号,其输出与光的能量中心位置有关,因此可以确定光的能量中心的位置,且没有象限分隔线,对光斑位置可连续测量。图4所示为一维PSD剖面图。图中I0、I1、I2分别为基极、阳极1、阳极2中的电流;xA为入射光到中心在x方向的距离;xB为入射光到阳极1在x方向的距离;L为PSD感光区的半长。
以PSD的几何中心为坐标原点:
通过I1和I2的差或比,可获得入射点的位置。运算中可消去了I0,也就是说测量公式仅与入射光斑的能量中心位置有关,而与光斑强度、尺寸、分布和入射角无关,这就给测量带来很大的方便。同一维PSD的分析过程一样,我们可以得到二维PSD的坐标位置电流函数表达式。
图5给出了二维枕形PSD的后续处理电路框图(其中x1、x2、y1、y2分别表示二维PSD的四路输出电流,表示PSD的二维坐标值),后续处理装置可将照射光点产生的四个电流信号转换为光点的位置信号。在PSD后续处理电路中,除放大模块以外,其它模块既可以用具体电路实现,也可以将放大后的信号经过A/D转换变成数字量送入计算机,用计算机实现。如何实现弱小信号的放大抗噪,是放大模块设计的重点,也是测量系统成败的关键。硬件设计上可采取以下措施:(1)采用多级放大提高信噪比;(2)采用具有小的输入偏流的放大器件;(3)在放大器前增加电阻、电容构成的高通滤波器过滤环境光的背景干扰;4)保证各路具有相同的放大性能。
5 实验结果
实验前先对测量系统进行标定。其目的是建立PSD的信号输出和机械杆末端振动信息之间的关系。同时对测量系统进行校验。在实际标定时,要模拟机械杆末端振动的情况构造一个标定平台。将PSD摄像机固定在标定架上,在另一端,把红外LED固定在千分尺上。一方面水平移动LED,并纪录移动的位移;另一方面用测量系统得到测试结果,将两者进行比较,用插值或逼近的方法就得到了测量系统的标定曲线或数据表格。本套测量系统,主要指标有四项:响应时间、稳定性、分辨率和线性度。响应时间是指进行一次测量的时间,要求不超过1ms。稳定性是指当输入保持不变时,输出的偏移量。分辨率是指可被检测到的最小光点位移。线性度是指光点位移和输出之间的线性关系。测量实验结果如下:(以下数据均为水平方向的归一化数据,所以没有单位)
(1)响应时间:循环测量5000次,总的测量时间为5s,所以系统一次测量的时间可达1ms。
(2)稳定性:下面是当保持光源不动时对大臂和小臂的PSD摄像机分别测量所测得的两组数据。表1为大臂PSD摄像机所测得的数据,表2为小臂PSD摄像机所测得的数据。经处理后得出测量系统的零点漂移小于0.1mm。
(3)分辨率:将光源以0.1mm为步长,移动1mm,进行10次采样。所测得数据如下:大臂PSD摄像机(臂长1m,要求测量范围±4cm)测得的结果如表3和图6所示。小臂PSD摄像机(臂长0.4m,要求测量范围±2cm)测得的结果如表4和图7所示。其测量系统的分辨率小于0.1mm。
(4)线性度:将光源以1mm为步长,在测量范围内移动,所测结果如图8和图9所示。图8为大臂PSD摄像机测量结果;图9为小臂PSD摄像机测量结果。其线性度均在0.1mm以下。
用PSD作传感器对柔性双连杆机械手末端振动检测的研究,得到了0.1mm的测量准确度。同时,由于PSD具有测量精度高、实时性强以及测量系统结构简单等特点,这项技术可以广泛应用于需要精确位置测量的方面。
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资助项目:本项目受智能技术与国家重点实验室资助
作者简介:刘兴占(1941-),男,辽宁人,清华大学副教授,硕士,从事计量测试、激光应用等研究
