（机械电子工程专业论文）基于图形驱动技术的坐标测量机测控系统研究.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 基于图形驱动技术的坐标测量机测控系统研究 机械电子工程 刘增启 签名：盘j 笪疆鏖 杨军良( 副教授) 签名：盈缮虚一 摘要 三坐标测量机作为一种高精度的通用测量设备已经有了几十年的发展 历史，随着现代工业的发展，三坐标测量机正逐渐成为机械制造业的主导 检测设备。三坐标测量机本身自动化、智能化的程度也在不断增大，智能 坐标测量技术和虚拟三坐标测量机是目前三坐标测量机发展的主导方向之 一，而三坐标测量软件中对c a d 图形功能的引入，更是将三坐标测量机的 应用领域和易用性推到一个新的高度。 由于图形驱动式坐标测量软件具有图文并茂，所见即所得，界面简洁 友好等优点，同时针对国内外坐标测量机的发展趋势及制造信息化发展的 需要，本文通过对国内外坐标测量机测控系统的研究，提出了在现有较成 熟的控制系统平台下，利用o b j e c t a r x 和v i s u a lc + + 6 0 的开发环境，在 c a d c m m 集成技术基础上，对a u t o c a d 或m d t 进行二次开发。采用编 程让用户直接在图形中交互选择测量要素，从c a d 的图形数据库中获得图 纸的几何信息，通过d d e 技术实现提取的信息和测量软件实现数据交换， 测量机根据此信息自动生成测量程序，实现自动测量。 本文首先介绍了基于图形驱动技术的坐标测量机系统的整体设计思 路，并对基于d s p 运动控制卡的控制系统的搭建，空间坐标获取方法及软 件编程模块等进行了介绍，接着详细讨论了从a u t o c a d 中二维和三维图形 的信息读取与数据转换的方法，并介绍了测量路径规划的方法，c a d 和坐 标测量机的接口方式等问题并通过实例对实体图形提取的信息来验证。最 后，总结本文的工作并展望了进一步的研究方向。 关键字：坐标测量机；运动控制；二次开发；c a d ；图形驱动；测控系 统 t i t l e ：r e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m o fc m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) b a s e do nt h e g r a p h i cd r i v i n gt e c h n o l o g y m a j o r ：m e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g n a m e ：z e n g q il i i i s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f j u n l i a n gy a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e 盈乒丛 s _ g n a t w e 丛监妒7 a so n ei d o do fh i g h - a c c o m c ym e a s u r i n ge q u i p m e n tb ea p p l i e d0 ru s e du n i v e r s a l l y , t h r e e - c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) h a ss e v e r a lt e n sy e a r so fd e v e l o p m e n th i s t o r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r , e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m , i n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d e mi n d u s t r y , c m mi s , g r a d u a l l y , b e c o m i n gt h el e a d i n gi n s p e c t i o ne q u i p m e n to ft h em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h em a c h i n e s a u t o m a t e da n di n t e l l e c t u a l i z e dd e g r e ea r ea l s oe n h a n c i n gu n e e a s i n g l y ，a n dn o w , o n eo ft h el e a d i n g d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc m mi st h ei n t e l l i g e n c ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dt h ev i r t u a l c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( v c m m ) b u t ，i ti st h ei n t r o d u c t i o no ft h ec a dg r a p h i cf u n c t i o ni n t ot h e c m ms o f t w a r et h a tp u s h e st h ea p p l i c a t i o nf i e l da n da d a p t a b i l i t yo fc m mt oan e wh i i g hl e v e l t h ec m m ss o f t w a r eb a s e do nt h eg r a p h i cd r i v i n gt e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r ss u c ha s ：e x c e l l e n ti nb o t h p i c t u r e sa n dw o r d s ；j u s tw h a ty o us e e ，w h a ty o ug e t ；f r i e n d l yi n t e r f a c ea n ds oo n i nt h em e a n t i m e ，f o rt h e t r e a d so fd e v e l o p i n gd o m e s t i ca n df o r e i g nc m ma n dt h en e e d so fd e v e l o p i n gm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sb a s e d o ni n f o r m a t i o n ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho fd o m e s t i ca n df o r e i g nc m mm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e dt h es y s t e mb a s e do nt h eg r a p h i cd r i v i n gt e c h n o l o g y u s i n gt h ee n v i r o n m e n to f0 b j e c t a r x a n dv i s u a lc + + 6 o t h es e c o n dd e v e l o p m e n ti na u t 0 c a do rm d ti sp e r f o r m e db a s e do nt h ec a d c m m i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y b yp r o g r a m m i n g ，u s e r c a nc h o o s et h em e a s u r i n gf a c t o r sd i r e c t l yf r o mt h eg r a p ha n d t h eg e o m e t r i ci n f o r m a t i o ni sg o t t e nf r o mt h ec a d g r a p h i cd a t a b a s e ，t h e nu s i n gt h ed d et e c h n o l o g yt h ed a t a e x c h a n g eb e t w e e nt h e 0 b m i n e di n f o r m a t i o na n dm e a s u r i n gs o f t w a r ei s r e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h e m e a s u r e m e n t p a t hg e n e r a t e db yt h ei n f o r m a t i o nt h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n t o fc m mi sr e a l i z e d i nt h et h e s i s ，t h es y s t e m a t i cd e s i g nw a yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec m mb a s e do nt h e g r a p h i c d r i v i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h et h e s i sd i s c u s s e st h ec o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e d 0 1 1t h ed s p c o n t r o lc a r da n dt h em e t h o do fg e t t i n gt h es p a c ec o o r d i n 眦a f t e rt h a t , t h et h e s i ad i s c u s s e di nd e t a i lo nt h e m e t h o do fg e t t i n gt h ei n f o r m a t i o na n dd a t ae x c h a n g eo ft h e2 da n d3 dg r a p h i c sf r o mt h ea u t o c a d s o m e p r o b l e m s s u c ha st h em e a s u r e m e n tp a t hp l a n n i n g , t h ei n t e r f a c eb e 押e e nc a d a n dc m ma r ea l s ob e e n d i s c u s s e d n es y s t e mi sv e r i f i e dt h r o u g he x a m p l e s a tl a s t , as i m p l es u m m a r i z a t i o nf o rt h et h e s i sa n d p r o s p e c tf o rt h ep o s s i b l ea p p l i c a t i o n sa r cg i v e n k e yw o r d s ：c m m m o t i o nc o n t r o l ；s e c o n dd e v e l o p m e n t ；c a d ；g r a p h i cd r i v i n g ；m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：壶! i 兰秀庭硐年? 月冶日 学位论文使用授权声明 本人盘楚鋈丕在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位沦文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：训螈忍 导师签名：丑金鋈醢一功年? 月形日 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着现代制造工业的飞速发展，各国制造商越来越清楚地认识到产品质量是企业在国 际市场竞争中取胜的关键。在整个产品周期中，质量控制已成为一个重要的环节。兰坐标 测量机( c m m ) 是集光学、机械、数控技术和计算机为一体的高效新型精密测量仪器。 它的测量原理是，将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上点集坐标位置的测量，在 测得这些点的坐标位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状和 相对位置等等。由于三坐标测量机以点位测量逻辑对几何尺寸、形状误差、位置误差等目 标参数进行测量，所以从原理讲，它是可以对任何复杂的工件进行测量的。尤其是与计算 机的结合取得长足进展，使得三坐标测量机不仅能够提供多样、通用的测量方法，而且对 其进行数控开发一三坐标测量机的自动测量得以实现。如今三坐标测量机的应用越来越 广，它已成为自动生产中控制、干预生产过程和检验产品的有效手段。 1 2 坐标测量机的发展 国外三坐标测量机的研制早在五十年代初期已经开始，由英国f e r r a n t i 公司研 制成功世界上第一台数字移动式三坐标测量机。六十年代末约有近十个国家三十多个 公司生产坐标测量机，但这一时期的坐标测量机仍然处于初级阶段，基本上是在实验 室中使用。到八十年代初，坐标测量机渐渐的由实验室走向车间。纵观坐标测量机发 展的5 0 年，按操作方式分，坐标测量机经历了手动型、机动型、数控型的发展，现在 正在成为由计算机控制的、跻身于工业网络的质量检测设备。 对三坐标测量机的主要要求是精度高、功能强、操作方便。三坐标测量机的精度 与速度主要取决于机械结构、控制系统和测头，功能则主要取决于软件和测头，而操 作方便与否也与软件有很大的关系。早期的坐标测量机大都采用各厂家的专用计算机， 使用各自的“乡土语言”，c p u 速度慢、存储器存储量小，故软件测量功能不齐全，人 机界面不够友好，操作繁琐、效率低。目前国内外三坐标测量机，软件系统从本质上 可以归纳为两种：可编程式和菜单驱动式。德国l e i t z 公司的q u i n d 0 s 和天津大学的 p o s c o m 属于可编程式。用户可根据软件提供的指令对测量任务进行联机或脱机编程， 该类系统适合于具有较高文化程度的高级用户使用。德国l e i t z 公司的m e s c a l 和美 国的b r a w n s h a r p e 公司的m i c r om e a s u r e 等均属菜单驱动式。用户通过点击菜单的 方式实现软件系统预先确定的各种不同测量任务。它操作较简单，适合多种不同层次 的用户。随着坐标测量软件的进一步完善，部分坐标测量机供应商已经开始考虑图形 化的驱动，并已投入大量的资金和人力进行研究。因为图形化驱动将会比编程式和菜 单式更易于学习和理解，操作更简单、更直接，更适合于各种不同层次的用户。 西安理工大学硕士学位论文 1 3 图形驱动技术的发展 随着c a d c a m 技术的发展，将c a d 技术应用于三坐标测量，实现坐标测量机图形 化驱动已经是大势所趋。而能够进行人机交互式提取c a d 系统中所测要素的信息更是 c a d c m m 的关键。首先，测量元素是以三维图形显示的，而不是像传统软件那样， 仅显示数据列表，从而实现了“所见即所得”。其次，在进行相关计算和分析过程中选 择元素时，可以从显示窗口上直观地选取图形，而不是查找数据库列表里的元素标号。 图形操作环境使用户的工作具有轻松感，提高了效率，也使得测量的中间结果判断十 分容易，可以避免许多显而易见的测量错误。 目前，尽管有许多种具有c a d 引擎的测量软件包，但真正得到市场考验和用户认 可的只是区区几家。美国w i l c o x 公司目前是全球最大的测量软件开发商，其产品 p c d m i s 也是最早推出的具有c a d 测量功能的测量软件包，全球拥有量已超过了 2 0 ，0 0 0 套，在中国有5 0 0 套左右。另外，法国m c t r o l o g i c g r o u p 开发出了的m e t r o l o g i e n 软件，已能实现图形驱动( 即点击图形视图实现软件系统的图形驱动，代替了先前 的菜单驱动，做到了所见即所得) 。而目前国内自己开发具有图形驱动功能的测量软件 包目前还处于起步阶段( 2 1 。 1 4 论文的意义和主要工作 正是基于上述的原因以及针对国内外坐标测量机的发展趋势及制造信息化发展的需 要，本课题的主要内容就是研究与开发出基于图形驱动技术的坐标测量机的测控系统。由 于图形驱动式坐标测量软件具有图文并茂，所见即所得，界面简洁友好等优点，比菜单驱 动式软件更容易学习和操作，更容易被用户接受，因此研究图形驱动式软件具有重要的现 实意义。其基本思路是：借鉴c a d c a m 技术的思想，利用c a d 图形对坐标测量机的图 形化驱动。 本课题的主要工作包括： 硬件方面使用运动控制卡，电机，伺服驱动等搭建坐标测量机的控制系统，设计及调 试运动控制卡与其他控制设备的接口板； 软件方面用c a d 二次开发工具o b j e c t a r x 进行三维实体图形信息的提取，进行测量 的轨迹规划。 本论文的具体内容包括： 第一部分：阐述了国内外坐标测量的发展状况，提出了坐标测量机的图形驱动。 第二部分：构建了测量机的测量和控咖系统。 第三部分：用c a d 二次开发的方法进行三维实体图形信息的提取，进行测量的轨迹 规划，并介绍了c a d 和坐标测量机的接口方式。并对实体图形提取的信息进行了验证。 第四部分：总结与展望。 2 系统总体设计 2 系统总体设计 系统的主体是由两大部分组成的，测控系统和图形驱动，测控系统主要是通过硬件的 设计进行构建，而图形式驱动功能的实现则是靠软件开发来实现的。 2 1 测控系统的构建 测控系统是坐标测量机的关键组成部分之一。其主要功能是：读取空间坐标值， 控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的 运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的安全性与可靠性，有的还包括对 坐标测量机进行几何误差与温度误差补偿以提高坐标测量机的测量精度等。 本测量机的测控系统的硬件主要由控制计算机、d s p 运动控制器、伺服系统、扫 描测头以及光栅测量系统构成。系统的组成原理如图2 - 1 所示： 图2 - 1 测控系统组成框图 f i g 2 1d i a g r a mo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 控制系统主要由运动控制器、伺服放大器、伺服电机、位置测量系统组成，主要完成 测量过程中，对运动构件的速度和位置控制功能。计算机通过运动控制卡，实现对每个轴 的运动控制。伺服电机上安装的旋转变压器的输出电压，反映了驱动电机的转速大小，它 被反馈给伺服放大器，对运动轴电机实行速度控制，构成速度内环。运动构件的位置测量 信号反馈给运动控制器，构成位置外环，从而形成一个双闭环的控制系统，所以具有较高 的运动精度。 测量系统主要包括测头的选择和光栅测量系统的设计，。 2 2 系统软件的开发 硬件基础，软件才是关键。如果软件系统不强，整个硬件系统再好，那这个测量机的 功能也会十分有限。本文所提出的基于图形驱动技术的坐标测量机测控系统，图形驱动主 要是通过软件的形式来实现的，其软件结构框图如图2 - 2 所示，主要分为七个功能模块： 3 西安理工大学硕士学位论文 图形图形的特征识别与数据提取，测量路径规划，零件识别，测量管理，伺服驱动，数据 处理，信息采集。 提测 取量 零测伺信 数 图 j 路 h 件- j量h 服 j 息 据 形 叫 径 叫 识 一 管 一 驱 叫 采 叫 处 信规 别理 动集 理 息划 图2 - 2 软件结构框图 f i g 2 - 2s o f t w a r ef r a m ec h a r t 七个功能模块的详细介绍如下： ( 1 ) 图形的特征识别与数据提取，对已知图形提取各检测特征的数据； ( 2 ) 测量路径规划：本模块的主要功能是根据c a d c m m 接i = l 转换得到的零件模型和 测点分布策略得出的测量点以及测头在不同测量点的位置等信息，生成零件的测量路径。 最后将生成的测量程序与伺服系统相结合，控制测量机的测量活动。 ( 3 ) 零件识别：当零件放置于工作台上时，通过这个模块，不仅可以自动获得零件的姿 态和位置，还可以对零件种类自动进行识别。例如当生产不同零件时，不需要人工调入当 前制造零件的c a d 文件，测量机会自动识别、提取零件的几何信息进行测量，提高了生 产效率。本系统计划在测量机的横梁上安装c c d 摄像头，由此来获得零件的图像，再通 过各种图像处理来实现零件的自动识别。 ( 4 ) 测量管理：主要包括测头管理、零件坐标系建立和简单测量元素的选取等。其中测 头管理内容有：标定标准球，选定不同测头，对配置的测头进行校正以及对校正测头以后 的数据进行保存。零件坐标系建立包括参考坐标系的生成、坐标原点的建立、坐标旋转、 坐标原点的找正和参考系的存储等。简单元素选取指可以直接对一些简单的元素如：点、 平面、球体、圆柱等简单元素进行测量。 ( 5 ) 伺服驱动：包括对测量机的运动方向、运动速度、测量速度和位移参数进行控制。 ( 6 ) 数据采集：利用三坐标测量机对零件的测量得到所有几何信息进行采集，将其存储。 数据处理：主要是对测量所得到的数据进行处理与分析。 在以上各个模块中，木论文主要对第一、二两个模块进行研究，即图形的特征识 别与数据提取和测量路径规划。 2 3 本章小结 从硬件和软件两方面介绍了坐标测量机测控系统的设计思路，介绍了硬件组成及 其实现过程，软件方面给出了软件设计的整体结构和本文的主要内容，提出了图形化 驱动的思想，介绍了图形化驱动的实现方法。 4 测控系统硬件设计 3 测控系统硬件设计 测控系统是坐标测量机的关键组成部分之一。其主要功能是：读取空间坐标值， 控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的 运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的安全性与可靠性，有的还包括对 坐标测量机进行几何误差与温度误差补偿以提高坐标测量机的测量精度等。 3 1 控制系统 3 1 1 运动控制器 伴随着半导体制造业、计算机制造业、数控机床、工业机器人及其它产业机械的 快速发展，数字运动控制器的开发与应用取得了惊人的业绩，在一些工业发达国家已 形成了一种新兴的产业。之所以如此，是因为它为从事各种机电一体化设备控制工作 的应用工程师提供了功能完备、使用灵活的控制平台。从而使得应用工程师可以利用 计算机或工业控制计算机的现有资源来构筑各种各样的专业化的控制器1 4 | 0 简单地说，运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，实 现预定运动轨迹的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器。 目前，开放式运动控制器的发展趋势是以d s p 芯片作为运动控制处理器，p c 机作为 信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即“p c + 运动控制器”的模式。这样 将p c 机的信息处理能力和开放式特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合 在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点， 在很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和满足市场需求的能力1 1 5 | o 与传统的数控装置相比，数字运动控制器具有以下特点： ( 1 ) 技术更新，功能更强，一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的 位置、速度和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能： ( 2 ) 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求 的控制系统； ( 3 ) 操作简单，在p c 机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数 控软件； 在本课题中，我们采用了雷赛公司生产的d m c 3 0 0 0 系列的运动控制卡。d m c 3 0 0 0 系是一种性能优越，功能强大的运动控制卡，特别适合于多轴插补联动等复杂用途。由于 卡上带有硬件插补处理器，两轴圆弧插补和多轴直线插补均可在卡上进行处理，p c 机仅 需向卡上写入插补运动的终点( 和圆心值) 即可。卡上的预置寄存器可预先存储下一运动 的数据，待当前运动执行完毕后，即自动装载并执行下一运动，因此本卡能很好的执行多 段连续路径插补运动。此卡还有许多高级功能，如t s 形速度曲线、编码器( 或光栅) 计 5 西安理工大学硕士学住论文 数、手轮输入、精密z 信号找零、非对称速度曲线、动态可改变速度和目标位置等。 d m c 3 0 0 0 系列控制卡主要性能如下： 1 4 轴步进伺服电机控制； 3 2 位p c i 总线，即插即用； 每轴最大输出脉冲频率4 m h z ； 2 - 3 轴直线硬件插补； 两轴圆弧硬件插补； 常矢量速度连续插补； 梯形和s 形速度曲线； 非对称速度曲线； 两种编码器输入类型：a b 相或双脉冲； 每轴编码器输入脉冲频率可达1 m h z ； 运动中可实时光滑改变速度和目标位置； 脉冲输出类型：脉冲脉冲或脉冲，方向； 由上位机控制的位插补； 功能强大的m o t i o n 3 0 0 0 演示软件； 3 2 位通用i o 口( 1 6 入1 6 出，可扩充为3 2 入3 2 出) ； 支持手轮和j o g 操作； 传动机构间隙补偿； 同一系统中支持多达1 6 块控制卡； d m c 3 0 0 0d l l 运动函数库适用w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 叩妞等操作系统： 支持v b v c c + + b u i l d e r 等开发工具编程。 3 1 2 伺服系统 伺服系统是测控系统的重要组成部分，用以实现系统的位置伺服控制和主轴转速 伺服控制。本系统采用速度内环和位置外环的双环控制模式。下面以单轴控制模式作 具体说明。 单轴伺服控制系统结构如图3 - 1 所示，其工作原理是：位置信号( 光栅信号) 经过细 分、整形后送入计数器，从而获得实际的空间坐标值。d s p 将实际的坐标值和设定的 坐标值进行比较( 设定的坐标值由插补计算得出) ，得到位置误差，d s p 将位置误差带 入p i d 伺服控制公式，计算出控制电压，运动控制卡通过模拟通道将控制电压送到伺 服驱动器，由伺服驱动器控制电机运转，从而形成外部位置环。速度调节环由伺服驱 动器内部接收电机编码器信号进行速度误差补偿控制电机运转实现内部速度环。这样 就形成了本系统的双环控制模式。 6 测控系统硬件设计 图3 1 位置伺服控制结构图 f i g 3 1b l o c k - d i a g r a mo f p o s i t i o n $ e l v oc o n t r o l 本课题中选用了p a n a s o n i e 公司同步型交流伺服电机，m d m a 0 8 2 a i c 型伺服电机 2 台，用于x 、y 轴的驱动；m s m a 0 8 2 a i c 型伺服电机1 台，用于z 轴的驱动，同时 选择了配套的p a n a s o n i c 交流伺服控制器。伺服电机的参数为：增量型旋转编码器为 2 5 0 0 脉冲，转，额定速度为3 0 0 0 r m i n 。 在搭建起伺服系统的硬件基础之后，还需要使用调节控制器对它进行控制，以满 足实际应用时的要求。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微 分控制，简称p i d 控制。它以其能较好地兼顾系统的动态性能和静态性能，结构简单、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术工具。当被控对象的结构和 参数不能完全掌握，或得不到准确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最 为方便。 在模拟控制系统中，常规p i d 控制系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。它是 一种线性控制器，根据给定值，( f ) 与实际输出值c ( f ) 构成控制偏差e ( f ) e ( f ) 一，( f ) - c ( t )( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、微分( i ) 、积分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象 进行控制，故称p i d 控制器。其控制归律为 = 耳h 知出+ 半1 2 ， 或写成传递函数形式 g m 鬻一耳+ 等域s ( 3 3 ) 式中k 。比例系数5 k ，积分系数； k 。微分系数。 比例调节，积分调节和微分调节在控制系统中的作用如下： ( 1 ) 比例调节是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即 产生调节作用以减少偏差。 ( 2 ) 积分调节是使系统消除稳态误差，提高无差度。积分作用常与另两种调节 规律结合，组成p i 调节器或p i d 调节器。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 微分调节微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差 变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。微分作用不能单独使用，需要与另外两种 调节规律相结合，组成p d 或p i d 控制器。 关于系统的p i d 控制器参数调节方法，本课题中采用了试凑的方法。具体做法是： ( 1 ) 先调比例系数。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反 应快、超调小的响应曲线。如果系统稳态误差减小到允许范围，响应曲线己属满意， 那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。 ( 2 ) 如果在比例控制基础上系统稳态误差不能满足设计要求，则加入积分环节。 整定时首先将积分时间z 置为较大的数值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩 小( 如缩小为原值的0 8 ) ，然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下， 系统稳态误差得到消除。在此过程中，可根据曲线的好坏反复改变比例系数和积分时 间，以其得到满意的控制结果，得到整定参数。 ( 3 ) 若使用比例积分控制消除了系统稳态误差，但动态过程反复调整仍不能满意， 则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先将微分时间乃置为零， 在第二步整定基础上增大乃，同样地相应改变比例系数和积分时间，逐步试凑以获得 满意的调节效果和控制参数。 所谓“满意”的调节效果是根据不同的对象和控制要求而异的，此外p i d 控制器的 参数对控制质量的影响不是十分敏感，因而在系统中参数的选择不是唯一的。事实上， 比例、积分、微分三部分往往互相补偿，因此用不同的调节参数，完全有可能得到同 样的控制效果。从应用的角度看，只要被控对象在主要方面的指标已达到设计要求， 那么相应的控制器参数即可作为有效的控制参数。 3 1 3 控制卡与伺服系统接口电路的设计 在选择了控制卡和伺服电机以后，还需要设计一个接口电路，d m c 3 0 0 0 卡与松下伺服 系统的连接，以第1 轴为例，其连线图如图3 2 所示： 主要的接口信号有： 1 ) 脉冲输入信号 每一轴的两个信号输出p u l 和d i r 可用来输出脉冲和方向信号，这两个输出口可 以由程序设定成c w c c w 双脉冲模式或脉冲+ 方向模式，用户可通过设定j 1 - j 8 跳线来设 定脉冲为差分输出或单端输出两种方式，在跳线选择为差分输出模式下，每一个信号可以 被差分成一对相异的信号，如p u l 0 可分解为p u l 0 + 和p u l 0 - 。使用差分输出方式可有效 的减少传输中的干扰，建议线路较长时使用差分输出方式。 如果脉冲输出为开集电极输出模式，则p u l 广和d i r - 作为脉冲和方向信号的输出端， 请注意流过p u l - 和d m 一端的电流不能超过2 0 m a ，这个电流由p c s v 提供。如果脉冲输出 为差分输出模式，则p u 、p u l - 和d i r + 、d i r 一组成互异的脉冲和方向信号( 伺服控制 8 测控系统硬件设计 大多选用如此方式) 。图中1 、2 、3 、4 分别表示p u l + 、p u l - 、d i r + 、d i r - 。 内留提擞v d d o 砰! 竺丝i r 石_ t 一 原点井美 图3 2 控制卡与伺服连线图 f i g 3 - 2t h ec o n n e c t i o nc h a r to f c o n t r o lc a r da n ds e f v o 2 ) 编码器反馈信号 包括e a 、e b 和e z ，每个轴都有三对差分的a 相、b 相和z 相信号，e a 和e b 用来 进行位置计算，e z 用作原点索引信号。在编码器邑、e a - 、e b + 、e b 和e z + 、e z - 之 间的差分信号的电压差必须高于3 5 v 或更多，必须考虑连接编码器或电机驱动电源的驱 动能力，每对差分信号将被转化成e a 、e b 、e z 的”儿数字信号。 3 ) 原点开关信号 机械原点信号输入用来查找该轴的原点，可通过用户软件设定原点开关模式。内部环 路加有过滤器可以过滤高频噪声，以保证正常工作。当控制卡工作状态设为回原点模式时， 9 西安理工大学硕士学位论文 原点信号可以用来停止输出脉冲信号和方向信号。 4 ) 位置到位信号肿 位置到位信号来自伺服电机驱动器，指示位置误差为零，内部环路加有过滤器可以过 滤高频噪声，以保证正常工作。本功能禁止时，可用作通用数字输入口。 5 ) 通用数字输出口信号o u t 通用数字输出信号，可用来作伺服开信号( s v o n ) 或伺服报警清除信号( e r c ) 及作为其 它用途的通用数字输出口。 6 ) + 1 2 v 和+ 2 4 v 夕b 部电源 其它接口设计： 1 ) 限位逻辑电路 c n c 型测量机往往会在各轴两端安装限位开关，当坐标测量机运动至测量限位后， 控制系统应立即减速，自动停止进给，并由自动模式切换到手动模式，通过手动模式向原 来进给方向的相反方向运动。如果坐标测量机继续沿原方向运动，控制系统应产生紧急制 动信号，使坐标测量机停止运动。 运动控制器具有限位输入口，通过软件可对限位信号触发方式进行设置，只要输 入电平满足要求就会自动使机床停止运动。所以转接板上就要有把机械开关的开与关 转换为电路中的高、低电平的电路。 此部分电路的任务是：进行电平转换，运动控制器的信号是1 儿电平，为了增强 抗干扰能力，机械系统上的限位开关用的是1 2 v 的电平，因此要进行必要的电平转换； 为防止噪音引起误动作，要用光电隔离器件将来自测量机的的限位信号加以隔离t 1 7 l 。 逻辑信号电平转换见图3 3 。 1 2 v ( c 佣【+ ) x 5 k3 x 一， 图3 - 3 限位逻辑信号电平转换图 f i g 3 3l i m i tl o g i cs i g n a ll e v e lt r a n s f o r m a t i o nd i a g r a m 2 ) 急停逻辑电路 坐标测量机是精密测量仪器，必须保障其运行的可靠性和安全性，为了防止系统失 控和其他意外事件，操作盒上设有急停按钮，当出现紧急情况时，按下急停按钮制动 伺服系统。为防止误操作恢复急停按钮，急停逻辑完成的功能是；按下急停按钮，断 开伺服驱动器的电源，松开急停按钮并按复位开关，系统恢复对伺服系统的供电t l g l 。 急停逻辑见图3 - 4 。 测控系统硬件设计 图3 4 急停电路逻辑 f i g 3 - 4e m e r g e n c ys t o pc i r c u i tl o g i c 3 ) 信号隔离 信号干扰一直是控制系统的难点，本系统也不例外：由于采用了交流伺服电机和交流 伺服驱动器、变压器等电气设备。由这些设备产生的磁场，高压或高频电气设备产生的电 场，以及电气设备通断电流等，都将产生极强烈的电磁场干扰信号。这些电磁干扰信号能够 通过传导和辐射两种途径，窜入测控装置中干扰测控系统正常工作。例如，通过容性耦合或 感性耦合能够把电磁场干扰辐射到测控装景中；通过输入输出信号线、电源线和地线能够 把电磁场干扰传导到测控装置中。进入测控系统的电磁信号将干扰测控装置的正常工作。 电磁干扰信号按其本身的特性分为直流干扰、交流干扰、脉冲和随机干扰。虽然电磁干扰 的形式很多，但按电磁干扰信号的作用方式不同，可以分为常态干扰和共态干扰两种。 从技术角度分析，通过电源引入的干扰信号是造成测控装置工作不可靠的主要因素。 因此在采用隔离方法的同时，使用独立的电源对被隔离的各个部分进行供电，以切断通过电 源窜入的各种干扰。 在有干扰信号的输入输出引脚上对地线( g n d ) 之间增加滤波电容。这种方法往往可 以收到明显效果。但值得指出的是，对于数字信号在输出高电平时，由于电容的充电效应， 会使得输出的信号峰值变缓并向后偏移( 有去除抖动功能) ；而在输出低电平时，由于电容放 电的效应也会使信号波形变缓。这样，实际上使信号产生了一个小的延时t d ，t d 值过大可 能影响电路工作的时序，所以在选择电容值时应加以注意，当信号频率较高时，应选择较小 的电容；信号频率较低可选择较大的电容。 隔离板的功能是为了减小干扰的影响，通过使用模拟信号隔离放大器和光电耦合器把 运动控制器和伺服驱动器隔离开来。有效的抑制伺服对系统的干扰。 4 ) 人机交互接口 人机交互接口包括显示器和操纵盒，其作用就是与系统进行信息交流。其中，操纵 盒上集成了标准键盘、鼠标、操纵杆，对系统实现手动控制，使控制系统更加灵活方便。 控制系统的急停按钮及复位按钮也设置在操纵盒，对系统的手动控制是通过x 、y 、z 轴 1 1 西安理工大学硕士学位论文 的操纵杆来实现的，操纵杆输出的模拟电流通过比较器后进入运动控制器的模拟通道，从 而实现对系统的控制。操纵杆电路原理图见图3 5 ： i o k + 5 v 3 2 测量系统 3 1 1 扫描测头 图3 - 5 操纵杆电路原理图 f i g 3 5j o ys t i c ks c h e m a t i cc i r c u i t 取运动控制器 精密测量机构的精度和灵活性在很大程度上受到其测头的影响。现在广泛使用的 测头为光学非接触式测头和机械接触式测头。机械接触式测头主要有两种：触发测头 和扫描测头。触发测量的主要缺点是没有用于扫描控制的输出信号，精度较低高速 扫描测量是精密测量技术的发展趋势，是应用于柔性制造系统的主要途径，可广泛应 用于航空、航天、汽车等领域，能够实现对产品外形、模具等复杂表面高精度、高速 度检测1 9 1 。 扫描测头是一个高精度三维测量装置，它有一套精密机械机构使测端在石，y ，z 三 个方向产生小的平移，用高精度传感器对这三个位移进行测量。 模拟测头的特点是，不仅可以得到测头在空间精确位置，而且可以实现与工件表 面相接触的连续测量，即扫描测量，这就为空间曲面的测量提供了极大方便n 们。 大多数的扫描测头为三维电感测头，其结构如图3 6 。 扫描测头的特点是在三个坐标方向上都设有传感器，可以分辨三个方向的信号， 并分别显示三个分量，可做扫描测量，也可作数控自动监测的自动化测头。 转接座1 7 上布置了五个探针，是可以互换的探针系列，其中x 向有两个、y 向有 两个、z 向有一个，可方便的对工件进行触测。通过更换探针，使z 方向除能进行上 端面的测量外，还可进行下端面的测量。由于该测头的探针很多，故又命名为“星形测 头”，它的精度较高，重复精度可达0 1 u m 左右。 测头采用三层片簧导轨形式礴接座1 7 借助于具有两个片簧的平四边形机构1 6 做x 向的运动。平行四边形机构1 6 有固定在平行四边形机构1 的下方，借助于1 中的两条平 行片簧，转接座1 7 做y 向的平移运动。 平行四边形机构1 悬挂在平行四边形机构3 的右侧，依靠它的片簧导轨做z 向上 下平移运动。该悬挂系统有三个内部已连好的、无间隙、无摩擦并又有很高抗扭刚度 的导向系统组合。为了增强片簧刚度和稳定性，片簧中部为金属压板。为了保证灵敏、 测控系统硬件设计 精确，片簧不能太厚，一般选为0 1 r a m 。由于z 向导轨是水平安放，故采用三组弹簧2 、 1 4 、1 5 加以平衡。可调弹簧1 4 的上方有一螺旋升降机构，靠控制电机1 0 转动螺杆1 1 时螺母套3 升降来自动调整平衡力的大小。当变换探针时，可调整弹簧1 4 平衡重力。 为了减小z 向弹簧片受剪切应力而引起变形，设置了弹簧2 、1 5 ，用以平衡测头x 、y 部件的自重，以保证z 轴的精确。 t8 9 l o l l 1 2 图3 - 6 双片簧层叠式三维电感测头的结构示意图 f i g