（机械制造及其自动化专业论文）球面孔位非接触测量系统运动控制系统研究.pdf

四川大学硕士学位论文 量j 7 7 s 3 0 7 球面孔位非接触测量系统运动控制系统研究 机械制造及自动化 研究生王大志指导教师黄劫 自2 0 世纪中叶以来，科学技术以从未有过的速度飞速发展。伴随着计算 机技术、电子技术和自动控制理论的进展，对电机的运动控制己由过去简单的 起停控制发展到对其速度、位移和转矩等物理量进行精确控制的阶段，原先的 “电机控制系统”、“电气控制系统”已逐渐发展到具有更高精度、更高速度 和更大柔性的“运动控制系统”。 本文针对球面孔位非接触测量系统对球体转位的定位精度和转位速度的 技术要求，开展了步进电机闭环运动控制系统的研究，主要包括运动控制系统 总体方案论证、嵌入式运动控制器的设计、步进电机运动控制算法研究、转位 位置数据采集方案的确定以及对步进电机位置反馈控制算法优化等内容，主要 可概括为以下几点： 1 在系统总体控制方案上，为满足转位机构定位精度的要求，确定采用 闭环控制方案。在步进电机的计算机控制方式上，针对在w i n d o w s 操作系统下用p c 机直接控制步进电机实时性不强的问题，确定采用 p c 机与单片机主从式协同控制方式。 2 阐述了基于p c 机 s a 总线运动控制器的设计方法，对嵌入式运动控 制器与p c 机i s a 总线的接口电路、控制引脚分配进行了较为全面的 分析，并根据本系统运动控制特点制定了相应的通讯协议。 3 利用单片机最小系统实现了对3 台步进电机的控制，根据单片机编程 特点，对步进电机的调速方法、加减速控制以及点位控制进行了较为 深入的分析并通过程序予以实现。 4 在对定位位置数据采集方面，较为深入地分析了轴角编码器与p c 机 四川大学硕士学位论文 串口通信原理，针对单向无应答通讯模式编制了具有较强纠错能力的 通讯软件，保证了数据传输稳定可靠。 5 为缩短位置调节过渡过程，采用比例调节控制算法，并在软件上予以 实现。 基于本文所述的步进电机闭环控制系统，在充分利用成熟技术的基础上， 解决了闭环控制系统各个环节的技术问题，并对自行设计的运动控制系统和模 块化位置反馈部件进行了集成和整合，实现了各部件时序、功能的匹配。经实 践证明，本控制系统达到了“机器视觉球面孔位测量系统研究”项目对转位机 构运动控制精度和速度的技术要求，满足项目测量需要。 关键词：运动控制、闭环、步进电机、串口通信、反馈控制 i i 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r n o n - c o n t a c tm e a s u r e s y s t e m m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t e w a n gd a z h is u p e r v i s o rh u a n g j i e s i n c em i d d l e2 0 t hc e n t u r i e s ，s c i e n t i f i ct e c h n o l o g yd e v e l o p sw i t ht h eh i g h e r s p e e dt h a ne v e rb e f o r e a c c o m p a n yw i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i cc o n t r o l l i n gt h e o r e t i c ，t h ef o r e p a s s e dc o n t r o lo fe l e c t r o m o t o rw a ss i m p l y s t a r t i n go rs t o p p i n g n o wi tw a sa l r e a d yc o n e e m e dw i la c c u r a t ep h y s i c a ld a t as u c h a s s p e e d ，d i s p l a c e m e n t ，t o r s i o na n ds oo n p r i m a r y e l e c t r o m o t o rc o n t r o l l i n g s y s t e m ，e l e c t r i cc o n t r o l l i n gs y s t e m h a sd e v e l o p p e dt o t h em o v e m e n tc o n t r o l l i n g s y s t e m ，w h i c ho fh i g h e rp r e c i s i o na n ds p e e d ，a n dm o l ef l e x i b l e t h i st h e s i si sd e a da g a i n s tt h et e c h n i c a ld e m a n do no r i e n t a t i o np r e c i s i o na n d r e v o l v i n gs p e e d ，w h e ns p h e r er e v o l v e di nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fp o s i t i o n sf o r h o l es e r i e s ，s t u d i e do ns t e p p e rm o o rc l o s e dl o o pm o t i v ec o n t r o ls y s t e m ，m o s d y i n v o l v e dd e m o n s t r a t i o no ft h et o t a lp r o j e c to ft h em o v e m e mc o n t r o l l i n gs y s t e m ， d e s i g no ft h ee m b e d d e dm o v e m e n tc o n t r o l l e r ，s t u d yo nt h em o v e m e mc o n t r o l a l g o r i t h mo fs t e p p e rm o t o r ，e s t a b l i s h m e n to ft h ei m a g ec a p t u r i n gp r o j e c to f l o c o m o t i o nd i s p l a c e m e n ta n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo ft h ed i s p l a c e m e mf e e d b a c k c o n t r o lo fs t e p p e rm o o r e t c ，i tc o u l db er e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，i nt h es y s t e m i ct o t a lc o n t r o lp m j e c t ，i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do n o r i e n t a t i o n p r e c i s i o n o ft h el o c o m o t i o nm a c h i n e ，m a k es a l et h ec l o s e dl o o p c o n t r o l l i n gp r o j e c ti st h eb e s t b a s e do nc o m p u t e rc o n t r o lm o d eo fs t e p p e rm o t o r , a i m e da tt h ed e f i c i e n c yo f i i i 四川大学硕士学位论文 r e a lt i m ew h e ns t e p p e rm o t o rw a sc o n t r o l l e dd i r e c t l yb yp cc o m p u t e ru n d e rt h e w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m a d o p t e dt h em a s t e r s l a v ec o n t r o lm o d e ，w h i c hm a d eu p o fap cc o m p u t e ra n das i n g l e c h i p s e c o n d y ，e x p o u n d e dt h ed e s i g no fm o t i v ec o n t r o l l e rb a s e do ni s ab u s i np c c o m p u t c r ，g e n e r a l l ya n a l y s e d t h ei n t e r f a c ee l e c t r o c i r c u i tb e t w e e ne m b e d e d m o v e m e n tc o n t r o l l e ra n di s ab u si np cc o m p u t e r , d i s t r i b u t i o no fc o n t r o l l i n gp i n s ， a n da c c o r d i n gt ot h em o v e m e n tc o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h i s s y s t e m e s t a b l i s h e dr e l e v a n tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h i r d l y ，r e a l i z e dt h ec o n t r o lo ft h r e es t e p p e rm o t o r sb yt h em i n i m a ls i n g l e c h i p s y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs i n g l e c h i pp r o g r a m m e ，h o m ea n a l y z e d t i m i n go fs t e p p e rm o t o r , a c c e l e r a t i n go rd e c e l e r a t i n gc o n t r o la n ds p o tl o c a t i o n c o n t r o l ，c a r r i e di to u tb yp r o g r a m m e f o u r t h l y ，a to r i e n t a t i o nd i s p l a c e m e n td a t ac a p t u r i n g ，h o m ea n a l y z e dt h et h e o r y a b o u ta n g l ee n c o d e r sa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o no fp cc o m p u t e r ，p r o g r a m m e d c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eo f s t r o n g e r c o r r e c f i o nf o r s i n g l en o n 。r e s p o n s e c o m m u n i c a t i o nm o d e ，t h e n ，t h es e c u r i t yo fd a t at r a n s m i s s i o nc o u l dh ei n s u r e d f i n a l l y ，i n o r d e rt os h o r t e nt h et r a n s i t i o no fp o s i t i o nr e g u l a t i o n ，a p p l i e d p r o p o r t i o n a lm o d u l a t i o nc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m ，a n dr e a l i z e di to ns o f t w a r e b a s e do nt h ec l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gs y s t e mo fs t e p p e rm o t o r ，a n df u l lu s eo f m a t u r et e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sr e s o l v e dv a r i o u so f t e c h n i c a lp r o b l e m s ，w h i c hp l a ya s k e yp o i n t si nc l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n di n t e g r a t e dt h ep a r t so fm o v e m e n t c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dd i s p l a c e m e n t f e e d b a c km o d u l e ，b o t ha r es e l f - d e s i g n e d ， m a t c h e d s c h e d u l i n ga n d f u n c t i o no fe a c hp a r t s i t s p r a c t i c e dt h a t ，t h i sc o n t r o l l i n gs y s t e ma c h i e v e st h et e c h n i c a ld e m a n d so n p r e c i s i o na n dv e l o c i t yo fm o v e m e n tc o n t r o l l i n go fl o c o m o t i o nm a c h i n e ，s a t i s f i e st h e m e a s u r e m e n tr e q u e s t so ft h ei t e m k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ，c l o s e dl o o p ，s t e p p e r m o t o r ， s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n s 。f e e d b a c kc o n t r o l 四川大学硕士学位论文 1 绪论 “运动控制系统”的概念出现于上世纪八十年代中期，已在国际上得到广 泛认同i l 】。运动控制系统主要是指由运动控制器、驱动装置、电动机、执行机 构和反馈装置组成的闭环控制系统，通过其对电动机的控制实现对执行机构运 动的位置、速度、加速度等物理量的精确控制驯。反馈装置将执行机构的位置、 速度等物理信息反馈给运动控制器，运动控制器接受该闭环信号，并将其与给 定值比较，若有差值，则再将差值回送给驱动装置驱动电动机，从而使执行机 构按给定速度运动或达到指定位置。典型运动控制系统框图如图1 1 所示。 图1 - 1 运动控制系统的一般结构 运动控制系统的典型应用主要有：两轴或多轴之间的协调运动、各轴或 各执行机构之间的速度调节或位置的精确控制：激发机械运动，大加速度或减 速度的高速运动等1 2 j 。 近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立 的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的行业领域接受，并达到一个相当 大的应用规模。目前，运动控制系统按其结构主要分为如下3 种： 1 )基于计算机标准总线的运动控制系统 这类系统具有开放的体系结构，由独立于计算机的运动控制器与计算机相 结合构成。其运动控制器大都采用d s p 或微机芯片作为c p u ，可以完成运动规 划、高速实时插补、伺服滤波控制和逻辑功能，用户可利用其开放的函数库在 d o s 或w i n d o w s 等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。如美国 o e l t a t a u 公司的p l a c 多轴运动控制器和深圳固高公司的c y g h 系列运动控制 器产品等。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。 2 )s o v f 开放式运动控制系统 四川大学硕士学位论文 这类系统的大部分运动控制功由软件实现，因而能提供给用户最大的灵 活性。用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控 制内核，开发所需的各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的 选择和灵活性。 3 )嵌入式结构的运动控制系统 这种运动控制系统实质上是基于总线结构的运动控制器的变异，它把单片 机、数字信号处理器( d s p ) 等微控制器嵌入到运动控制器中，与计算机之间 的通信依然是靠计算机总线( 例如i s a 总线) 。对于标准总线的计算机模块， 这种产品采用了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更加适合工业应 用。 1 1 运动控制系统的发展历程 运动控制技术的发展经历了从直流到交流，从开环到闭环直到基于网络的 运动控制系统的发展过程驯。 i ，1 ，1 直流和交流的运动控制系统 1 9 世纪8 0 年代前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。1 9 世纪末交流 电气传动出现在工业应用领域。与交流系统相比，直流控制系统简单、调速性 能好，长期以来占统治地位，直到2 0 世纪9 0 年代，在先进的电力电子技术及 现代控制理论的支持下，交流调速因其宽调速范围、高稳定精度、快速动态响 应和四象限运行良好等性能，开始在工业现场得到应用，并显现出取代直流调 速的趋势。 1 。i 2 开环和闭环的运动控制系统 由开环系统发展到闭环反馈系统是运动控制系统的一个重要发展趋势。开 环控制系统是指没有输出反馈的控制系统 3 】。在开环控制系统中，既不需要对 输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统的输入端与输入量进行比较， 因此，开环控制系统具有结构简单，成本低的特点。在运动控制系统要求成本 低、控制精度不高的情况下，多采用开环的控制模式。能对输出量与参考输入 四川大学颐士学位论文 量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系 统，称为闭环控制系统。在闭环控制系统中，输入信号与反馈信号比较后的差 值供给控制器，再调节受控对象的输出，以使系统的输出达到期望值。在相同 条件下，闭环控制模式能获得较高的静、动态性能。因此，为了实现运动控制 系统的高速度、高精度等高性能控制通常采取闭环控制模式。 1 1 3 基于网络的运动控制系统 随着计算机技术、电子技术和通信技术的飞速发展，网络技术正把全世界 的计算机系统、通信系统集成起来。在网络技术的支持下，应用在工业控制领 域的运动控制技术也由过去的单机运动控制系统逐步向多机运动控制系统发 展，工业控制系统的集成化、信息化程度将得到极大的提高。目前，结合网络 技术和运动控制技术的开发基于网络技术的运动控制系统在国内外虽尚处于起 步阶段，但其广泛的应用前景和优良的技术性能使这类研究工作显示出勃勃生 机。 1 2 运动控制技术的发展方向及我国运动控制技术的现状 运动控制技术是- - l q 涉及多学科的综合技术，它的发展得益于两大原因： 其一是技术因素，伴随着计算机技术、微处理器技术、自动控制技术和网络技 术的发展而发展；其二是市场因素，庞大的市场需求为运动控制技术的发展提 供了强大的动力。当今的技术发展日新月异，高新技术的进步也促进了运动 控制系统的发展。总的来说，运动控制系统将进一步向着网络化、数字化、智 能化纵深方向发展。作为现代化设备的核心控制部件，开放性、可靠性是决定 其能否在工业界立足的关键，也是衡量其性能的重要指标。高速度、高精度是 运动控制技术追求的目标，因此，要充分利用高速数字处理器的计算能力，进 行复杂的运动规划，高速实时多轴运动以及更加复杂的运动学和动力学计算。 使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用网络技术、f p g a 技术等，使系统的结构更加合理和开放，通过网络连接方式减少系统的连线。 就目前来看，我国在运动控制器产品开发方面相对落后，专业研发开放式 四川i 大学硕士学位论文 运动控制器产品的公司不多，很多公司是在国内推广国外生产的运动控制器产 品。“八五”期间，我国广大科研工作者也成功开发了两种采用模块化、嵌入式 软硬件结构的数控平台和华中i 型、蓝天i 型、航天i 型、中华i 型等4 种基本系 统，其中以华中i 型较具代表性，它采用工业p c 机上插接口卡的结构，运行在 d o s 平台上，具有较好的模块化、层次化特征，有一定扩展性和伸缩性。但从 整体来说，这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器产品。 自2 0 世纪8 0 年代初期，通用运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤 其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行 业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。总的来说，在通用 控制器的研究方面，我国与发达国家还有较大差距。 由此可见，开发具有自主知识产权、性髓优良的运动控制系统，不仅是市 场的需要，也是提高我国运动控制技术水平，提升制造业能力的迫切要求。 1 3 课题的来源和任务描述 1 3 1 课题来源 本课题来源于四川省科技厅应用基础研究项目“机器视觉及图像处理技术 研究”课题中关于建立满足项目测量要求的运动控制系统的研究。 1 3 2 课题任务描述 课题总体要求是测量球面孔系的座标位置，被测量部件是表面粗糙度很低 的半球壳，其外半径从5 0 m m 到8 5 m m 不等，球体表面有按一定规律分布的巾 l 5 m m 的通孔和盲孔，且所有圆孔的轴线均通过球心，在每一个被测量球 体的顶部均有一轴线经过球心且垂直于半球壳端面的通孔，该孔为测量的基准 孔，被测球体示意图如图1 2 所示。 课题任务是测量球体表面圆孔与基准孔之间的空间夹角，即测量孔系坐 标。要求每孔的转位及测量时间不超过4 0 s ，总的测量不确定度不超过3 0 ”。 其中，球体表面每个圆孔的测量与计算处理时间不超过2 4 s ，测量不确定度不 超过1 5 ”。测量系统球体转位装置每一孔位的转位时间不超过2 0 s ，转位误差 4 四川大学硕士学位论文 不超过1 5 ”。 图1 2 被测球体示意图 5 四川大学硕士学位论文 2 球面孑l 位精密测量系统的结构和原理 2 1 测量原理 本课题的任务主要是测量球体零件表面孔系位置，拟采用图像处理确定圆 心，结合空间坐标计算的方法予以实现。具体工作原理和算法推导如下： 针对本测量系统的被测球体，建立图2 - 1 所示的几何模型。 图2 1 球面孔系坐标几何模型 设球体项部基准孔的圆心为a ，被测孔圆心为c ，基准孔轴线和被测孔轴 线之间的夹角，就是需要测量的角度。球体上a 、c 孔在y z 平蕊和x z 平面内 夹角的设计尺寸分别是y ，要测量a 、c 两孔的实际角度时，球体转位装置 首先按照设计尺寸把球体绕x 、y 轴旋转队y 。旋转运动采用闭环控制，只要 反馈元件精度足够，可保证转位精度远高于制造精度和测量精度，因而转位误 差可忽略。由于存在制造误差，c 点不会与a 点原位重合，假设转至p 点，求 球面上任意一圆孔中心点p 与基准孔中心点a 的角度关系数学模型如下： ( 1 ) 设在球体上，一个平面不通过球心与球表面相截的圆弧称为小圆 弧，而过球心的平面与球表面相截的圆弧称为大圆弧。 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 作计算辅助线： a 、作直线r , q 垂直坐标平面x y 于点q ； b 、过点q 作直线o b 交坐标平面x y 上的大圆弧于点b ； c 、过平面o a b 作大圆弧a b ，则点p 必然在大圆弧a b 上，且o p = r ； d 、作直线q m 垂直y 轴于点m ，作直线q n 垂直x 轴于点n ； e 、作直线m s 平行于z 轴，交坐标平面y z 上的大圆弧于点s ，则平 面p q m s 在球面上的小圆弧为p s ； f 、作直线n t 平行于z 轴，交坐标平面x z 上的大圆弧于点t ，则平 面p q n t 在球面上的小圆弧为p t ； ( 3 ) 若线段q m = a ，q n = b 为已知条件，则： d q = 压矛i 驴= 厮 p q = 扣阿= 扛i 丽 p m = , o m 2 + p q 2 = 2 + 尺2 一( 4 2 + 6 2 ) = r 2 一b 2 p = 压矿再矿：归i 瓦丽= 厨 么q o n = 一器= 一哇 么p d a = 么0 p q = a r c s m 面o q = a r c s i n 半 么p m s = 么q p m = 删n 等= 删n 志 z 肿“q p n 协第一咖志 显然，点p 绕x 和y 轴旋转到基准点a 位置时： 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 四i i 大学硕士学位论文 绕x 轴旋转的角度0 = z p n t ； 绕y 轴旋转的角度x = z p m s ： 点p 到基准点a 的空间夹角为z p o a 。 在进行整个球面孔系坐标测量时，首先测量基准孔，得到它的中心点a 坐标 为( x o ，y o ) 。然后把球面另一被测圆孔( 设其中心为点c ，如图2 3 所示) 按 设计尺寸转位至测量位置，由于点c 不可能完全与原来点a 处重合，假设点c 转位到非常靠近基准点a 的点p 处，此时点c 绕x 、y 轴旋转到点p 的角度 分别为叭y ( 该值在闭环控制下完成转位，由反馈环节反馈至计算机。误差 忽略) 。最后对该圆孔进行测量，得到其中心点p 的坐标值为( x ，y ) ，设光学 成像系统放大倍数为p ，由图2 一l 得： a=(xxo)p(2-09) b = f y y o ) p ( 2 - 1 0 ) 0 ：z p n t ：a r c s i n 一!：a r c s i n 一 ! ! i ( 2 1 1 ) , r 2 一a z 4 p 2 r 2 一( x x o ) 2 a ：l p m s ：a r c s i n !：a r c s i n l 茎三丝! ( 2 1 2 ) r 2 一b 2 p 2 屁2 一( y 一蚝) 2 由0 、l ，及九、- 得到被测量圆孑l 中心c 到基准孔中心a 绕x 及y 轴旋转 的角度及b 为： 415矿-4-0(2-13) 【= y + 名 即： 口：矿+ a r c s i n 兰三圣 。 p 2 r 2 一( x x o ) 2 = y + 锄c s i n 了霍声荔x ；三- i x 雨o 2 1 4 四川大学硕士学位论文 实际测量时，x - - x o 和y y 0 的值( 常在1 5 0 p m 以下) 远远小于p r ， 在式( 2 1 4 ) 的分母中可以忽略不计，因此上式可简化为： 口= y + 删n 等 f l - - y + a r c s i n 了x - x o ( 2 - 1 5 ) 式2 1 5 即为球面上任意圆孔到基准孔的绕x 轴旋转的转角瑾及绕y 轴旋 转的转角p 计算公式。其中，v 为球体绕x 轴旋转的角度，t 为球体绕y 轴旋 转的角度，a 、p 、l ，、y 的单位均为弧度；p 为光路系统放大倍数， r 为球体 半径， ( x o ，) 、( x ，y ) 分别为由图像识别得到的基准孔和被测量圆孔中心的 坐标值。 从式2 一1 5 可知。实现课题要求的角度测量主要任务就是获得如下两个几 何量： ( 1 ) 球体绕x 、y 轴转位的角度，即式2 1 5 中的v 和y ； ( 2 ) 在球体旋转到位的情况下，圆孔中心的坐标即式2 1 5 中的x 和y 。 2 2 测量系统结构 测量系统的整个装置如图2 2 所示。整个测量系统主要由球体转位系统、 图像采集系统、运动控制系统和后台处理计算机系统四大部分组成。 测量系统的主要组成部分为： ( 1 ) 球体转位系统主要包括球体夹持机构、蜗杆蜗轮传动装置、驱动电机、 轴角编码器，数码显示箱等。 ( 2 ) 图像采集系统主要包括光源、物镜、分光片、光栅尺、数据采集卡、监 测用面阵c c d 和测量用线阵c c d 及其驱动器。 四川大学硕上学位论文 ( 3 ) 运动控制系统主要包括扫描步进电机、扫描步进电机驱动器、转位步进 电机及其驱动器、嵌入式运动控制器。 ( 4 ) 后台处理计算机系统主要利用上位计算机( p c 机) 在操作系统( m i c r o s o f t w i n d o w s9 8 版) 上运行v i s u a lc + + 6 0 软件，控制整个测量系统的运行，指示 嵌入式运动控制器驱动球体转位，带动线阵c c d 扫描圆孔图像；读取c c d 数 据采集卡上s r a m 内存储的图像数据和光栅数据；对圆孔图像进行处理及圆 心识别，根据测量数学模型计算两孔之间的夹角，并将其存储在后台数据库中。 2 3 测量过程描述 对每一个圆孔的测量过程为：通过转位系统将被测孔转位至光电捌量系统 的物镜视场内，然后，启动扫描电机驱动线阵c c d 运动，由线阵c c d 扫描圆 孔图像，高精度光栅位移传感器用来记录线阵c c d 每一行的位置坐标。线阵 c c d 每行包含5 0 0 0 个像元，每个像元间距为7 1 tm ，故有效扫描宽度为5 0 0 0 1 0 四川大学硕士学位论文 7um = 3 5 m m 。电机有效行程为3 2 m m ，因此，最大采集区域为3 5 n u n 3 2 m m 。线阵c c d 扫描一个行程，就完成一次图像数据采集，由线阵c c d 采 集到的数据和由光栅尺记录的线阵c c d 坐标的数据被送到数据采集卡中，上 位机通过数据总线从采集卡的s r a m 中读出c c d 数据和光栅数据，然后，采 用数字图像处理的方法对灰度图像进行处理，识别出圆心坐标。具体的测量方 法： ( 1 ) 校正测量系统，使基准孔轴线与光电测头上的物镜轴线重合。 ( 2 ) 启动扫描电机采集基准孔图像数据，并识别出其圆心坐标。 ( 3 ) 利用球体转位装置将被测孔转过名义角度，其转位角度通过两轴端的高 精度轴角编码器进行反馈，以闭环方式实现球体转位控制。 ( 4 ) 重复( 2 ) 步，识别出被测孔圆心坐标，结合转位角度，根据式2 1 5 即可得出两孔之间的实际夹角。 2 4 实现系统精密测量的关键技术 由系统的测量原理可知，实现该系统精密测量的关键因素主要有如下4 方 面的内容： ( 1 ) 线阵c c d 及光栅位移传感器的精度。 ( 2 ) 合理的图像处理算法及圆心识别算法。 ( 3 ) 步进电机驱动线阵c c d 运动的平稳性及可靠性。由测量原理可知，球 体圆孔图像的数据需要依靠步进电机驱动线阵c c d 扫描并配以光栅尺 记录线阵c c d 行坐位位置获得，因此步进电机的平稳性及可靠性将直 接影响到图像数据的采集。如果电机运行不良，将会发生c c d 扫描数 据及光栅数据的残缺与丢失线阵c c d 的间距也无法保证，这在后续 的圆，t l , 坐标识别中将产生极大的负面影响，甚至可能使测量无法正常进 行。 四川大学硕士学位沦文 ( 4 ) 球体转位系统的精度。由测量原理可知，进行孔位夹角测量需要转位装 置的转位支持，转位角度将直接应用于孔位之间实际夹角的计算，因此， 转位角度的精确程度将直接影响到系统测量的精确程度。 由于( 1 ) ( 2 ) 不是本论文的研究重点。放不做深入讨论。对于( 3 ) ( 4 ) 项，线阵c c d 的扫描运动以及球体转位系统的精度均依赖于扫描电机及转位 电机的运动性能及控制精度。在既定的运动控制模式下，嵌入式运动控制器将 控制信号发送给电机驱动器，控制扫描电机和转位电机带动执行机构运动。从 这一角度来看，该测量系统所采用的运动控制技术将是实现系统精密测量的关 键技术之一。 四川文学颈七学位论文 3 运动控制系统总体方案研究 由系统的测量原理可知，球体转位装置是实现系统精密测量的关键之一。 测量系统不但要求球体转位装置的定位精度很高( 转位误差不超过1 5 ”) ，而 且对转位装置的定位时间有一定限制，( 转位时间不超过2 0 s ) 这就决定了对 整个伺服控制系统的设计必须同时满足精度和速度两方面的要求。 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，其输出量 随输入量的变化而变化，因此又称之为随动系统或伺服机构1 6 j 。伺服系统可划 分为多种类别，本课题的运动控制部分属于电气伺服系统的范畴。 电气伺服系统是指以各种伺服电机作为驱动元件的伺服系统。一般为三闭 环结构，即电流闭环、速度闭环、位置闭环。典型电气伺服系统框图如图3 一l 所示。 h 皇塑垦堡卜 l 卧咩_ 孚h 量坶 l l 匝亟卜一 li 图3 一i 电气伺服系统的一般结构 电气伺服系统具有高精度、高速度、高可靠性、易于控制等特点，广泛的 应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控机床、工业机器人，火炮随 动系统等。 下面从运动控制模式、伺服电机类型和计算机控制方式等三个方面进行分 析比较，进而确定满足球面测量系统要求的运动控制系统总体方案。 3 1 运动控制模式的选择 在控制理论中，控制系统按其结构形式可划分为开环控制系统和闭环控 制系统 2 6 l 。开环控制系统与闭环控制系统的本质区别就在于是否引入了输出 四川大学硕士学位论文 量的反馈 6 】。 3 1 1 开环控制模式 开环系统没有输出量的反馈信息，输出量与输入量之间只有顺向作用 没有反向联系。典型的开环系统框图如图3 2 所示。 图3 2 开环控制系统框图 显然，开环系统的定位精度完全依赖于执行器件的控制精度以及齿轮、 蜗轮蜗杆等传动机构的精度。 对本课题而言，如果采用开环的控制策略，由于系统要求的位置精度很 高，即使采用各种技术手段将电机的控制精度调节得很高，但受机械传动误差 的影响，最终位置精度也难阻保证。要使机械传动精度能保证转位误差不超过 1 0 ”，需要使用高精度机械传动机构。显然，这会极大的增加加工成本和制造 难度。因此，开环控制模式对本课题有较高位置精度要求的转位控制是不适用 的。 3 1 2 闭环控制模式 闭环控制系统通常应用在对控制精度要求较高的场合。由于它引入了反 馈技术，能对输出量与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为反馈控制 手段，因而可以达到很高的控制精度 2 6 l 。典型闭环系统框图如图3 3 所示。 图3 3 闭环控制系统框图 1 4 四川大学硕士学位论文 本课题对转位机构的定位精度有较高要求，因此，引入了位置反馈，构 成位置闭环控制系统。反馈传感器选用高精度轴角编码器，上位p c 机通过串 行口读取编码器角度，然后将实际值与理想值比较，将所得的角度偏差转化成 命令信息再发送给控制器以控制电动机转到理想角度。由此可见，闭环系统由 于引入了反馈技术，恰能弥补开环系统的不足，可以消除转位装置机械传动误 差对定位精度的影响，通过角度偏差补偿的方式，而不是单纯依靠传动副本身 的精度来保证控制精度。 从理论上讲，闭环控制系统的定位精度取决于测量元件的精度，但这并 不意味着可任意降低对传动机构传动精度的要求。传动副间隙过大，会造成在 具体操作中系统调试困难。因此，还是应适当提高机械部分的传动精度以及电 动机转子的转动精度，以使理想角度值和实际角度值之问的偏差不大，也即尽 量减小角度增益，这样更有利于系统稳定，在最短的时间内转动到位。 经以上分析，对两个方向的转位电机采用闭环控制模式。 在测量时，系统对测量时间也有要求，但是由于系统给定的是时间段，而 不是时间点。因此，不需要精确控制定位速度。基于这种考虑，在本伺服系统 中未引入速度反馈，不对速度进行精确控制，而只需将电动机速度调到一定高 度，并能正常运转，满足系统对定位时间的要求即可。 下面分析对扫描电机采取的控制模式。扫描电机的任务是驱动线阵c c d 作扫描运动，由线阵c c d 进行圆孔图像数据采集，由于图像采集卡容量的限 制，线阵c c d 最多能连续采集1 0 2 4 行图像数据，采集一行所需时间为1 0 m s ， 连续采集1 0 2 4 行共需1 0 l l s 。通过调整步进电机的速度，使线阵c c d 在1 0 b 1 l s 内从右极限移动到左极限，就可完成对圆孔图像1 0 2 4 行的数据采集。可见， 测量系统对扫描电机主要是关注其动态运动性能，即要求其在规定时间内平稳 可靠地驱动线阵c c d 扫描完行程，并不需要对扫描电机进行精确的位置和速 度控制。因此，对扫描电机未引入位置和速度的反馈环节，确定采用开环控制 模式。 综上所述，对两个方向上的转位电机分别引入位置反馈。采用闭环控制模 式；而对扫描电机采用开环控制模式。 四川大学硕士学位论文 3 2 伺服电动机的选择 伺服电动机是指能够精密控制其位置的一类电动机。伺服电动机在伺服系 统中用作执行元件 6 j 。在伺服控制系统中，常用的伺服电动机主要有交流伺服 电动机和步迸电动机，与之相应的伺服系统又分为交流伺服系统和步进电动机 伺服系统，选择什么样的伺服电动机对伺服系统的性能影响很大。因此，具体 选用交流伺服系统还是步进电动机伺服系统，要从系统的性能，成本以及应用 场合等多方面进行比较，在满足系统要求的情况下，选择性价比最高的驱动方 案。 3 2 1 交流伺服系统 交流伺服系统主要由伺服电动机和伺服驱动器两部分组成，多用于数控机 床进给驱动控制，工业机器人关节驱动控制和其他需要运动和位置控制的机电 一体化产品，可实现点位控制、直线控制和连续轨迹控制。在系统中，多要引 入位置反馈、速度反馈以及电流反馈，属于多环伺服系统。因此，系统往往比 较复杂。随着电子技术以及计算机技术的发展，交流伺服系统已由过去的模拟 交流伺服系统向现在的数字式交流伺服系统发展。采用高速微控制器( 例如单 片机、数字信号处理器d s p 等) 的伺服控制单元将逐渐代替以模拟电子器件 为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将 原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制。从而使现代控制理论的先进算法 ( 如：最优控制、人工智能、模糊控制等) 能够应用在伺服系统中。 3 2 2 步进电动机伺服系统 步进电动机是一种数字式控制电机，它能将输入的电脉冲信号转换成角位 移。对其输入一个电脉冲后，其转轴( 电动机的转子) 就转过一定的角度，称 为一步，连续发送脉冲信号就形成了步进电动机的步进式运动。通过调整脉冲 频率实现对其调速，通过调整脉冲数实现对其位置控制。 步进电机具有结构简单，控制方便，启动灵敏，没有累积误差等特点 3 0 jo 一般用于精度要求不高，成本要求较低的开环系统。也可以采取一定的技术手 1 6 四川大学硕士学位论文 段，通过引入位置或速度反馈将其构成一个闭环伺服系统，以获得更高的控制 精度。 3 3 3 伺服电动机类型的确定 经过以上分析可知，交流伺服系统可以获得较高的位置和速度精度，但是 由于它是一个多环控制系统，显著缺点就是系统复杂。虽然交流伺服系统可不 引入速度反馈和电流反馈，这在一定程度上简化了系统结构，但是由于伺服电 动机接受的是交流信号，无法直接接收微控制器输出的数字信号，因此，需要 采用d a 转换技术，将微控制器输出的数字信号转化成模拟信号后输入。在转 换成模拟信号后。电平的匹配也是一个问题，因此还要加上电平匹配这一环节。 典型的交流伺服位置控制系统框图如图3 4 所示。 图3 4 交流伺服位置控制系统 与伺服电动机比较，步进电动机在几个方面都具有优势。步进电动机是一 种数字式控制电机，其驱动器可以直接接收微控制器输出数字信号，不存在 d a 转换的问题。而且现在多数步进电机都有模块化的驱动装置，功率驱动可 完全交由驱动器来解决，微控制器只需向驱动器发送步进脉冲，通过输入的脉 冲数实现其位置控制，通过改变脉冲频率实现其调速，调速方式简单。虽然一 般而言，步进电动机无法获得伺服电动机那样的控制精度，但是只要充分利用 步进电动机的细分驱动提高其分辨率，步进电动机也能达到很高的控制精度。 这样两者比较而言。针对本运动控制系统的具体要求，伺服电动机的高精度、 高速度优势与步进电动机比较并不明显，相反的，微控制器控制伺服电动机又 比较复杂，这又是其大劣势，而步进电机价格较低，具有明显的成本优势。 因此，在综合考虑技术因素与成本因素后，确定采用步进电动机伺服系统。 四川大学硕士学位论文 3 3 计算机控制方式的选择 针对本系统的特点，对步进电动机所采取的控制方式，按其驱动信号的来 源主要有两种，即p c 机直接控制方式以及采用p c 机与单片机的主从式控制 方式。采用哪一种控制方式对步进电动机的运动性能有很大的影响，下面具体 分析两种控制方式的特点，进而确定针对本系统步进电机的最佳控制方式。 3 3 1p c 机直接控制方式 p c 机直接控制方式，是指采用p c 机结合其i o 接f i 卡来控制电动机运动 的方法。所采用的i o 接口卡通常是以8 2 5 5 或8 1 5 5 并行