（机械电子工程专业论文）基于armlinux的管螺纹梳刀刀片检测仪.pdf

西华大学硕士学位论文 基于a r m & l i n u x 的管螺纹梳刀刀片 检测仪 机械电子工程专业 研究生刁帮喜指导教师黄惟公教授 在管螺纹梳刀刀片的生产过程中，为了提高梳刀刀片的检测效率，有必要 研制自动化的刀具检测仪器。随着数字信息技术的高速发展，嵌入式技术已经 广泛的渗入到各个方面。其中a r m 与l i n u x 的组合，因其成本低廉、性能优越， 更是得到广泛的应用，满足了高端嵌入式产品对处理速度和图形界面的高水平 要求。本文通过对各种刀具检测技术的比较和分析，提出基于a r m l i n u x 的 管螺纹梳刀刀片检测仪方案。 管螺纹梳刀刀片检测仪由机械运动机构、线阵c c d 数据采集模块、数据处 理与显示平台组成。系统的工作原理是采用线阵c c d 和机械运动机构相结合的 办法扫描、采集刀片轮廓曲线数据的，再利用串口将数据传输到a r m l i n u x 平台中，并由数据处理软件完成刀具轮廓尺寸的数据处理，最后刀具的检测结 果以及刀片轮廓曲线等显示在图形界面上。 本文论述了系统的软硬件实现，分析了测量中各种可能的误差来源和理论 测量精度。本文重点讨论了刀具数据处理原理、方法、m a t l a b 仿真、软硬件构 成，同时分析了c c d 数据采集部分的原理、软硬件构成。具体的研究内容如下： 确定了管螺纹梳刀刀片检测仪的整体方案，包括系统整体架构、硬件 设计方案、软件开发方案。 计算刀片轮廓曲线方程，确定管螺纹梳刀刀片数据的处理方法。 建立了石油管螺纹梳刀刀片的整个理论轮廓的3 7 段基本曲线方程，采用 了最小二乘拟合算法拟合刀具轮廓( 在拟合实际刀具轮廓的过程中，为了避免 3 7 段基本曲线中相临曲线过渡数据点的相互干扰，采取了丢掉部分过渡数据点 i 西华大学硕士学位论文 的办法( 详细内容请参阅第3 章c + + 的数据拟合部分) ) 。 采用m a t l a b 仿真处理刀片轮廓曲线数据，编耕出整个软件，并且验证 了管螺纹梳刀刀片数据的处理方法的正确性。 编制出数据处理与显示平台的应用软件。 完成了a r m 平台上l i n u x 系统与测控单片机模块的串口通讯，编制了数据 处理与显示平台上的数据处理和图形界面代码。 设计出采集刀片轮廓数据的计算机视觉系统( 即c a d 数据采集部分) 。 关键词：刀具测量仪l i n u xq t e m b e d d e d 串口拟合 i i 西华大学硕士学位论文 s t u d y o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n to fc h a s e rf o r c u t t i n gs t e e lp i p eb a s e do n a 尉m l i n u x， m a j o r ：m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a d u t e ：d i a ob a n g x is u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gw e i g o n g i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa l la u t o m a t e dc u t t i n gt o o l sm e a s u r e m e n ts y s t e m , s o t h a ti tc 锄i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm e a s u r i n gc u t t i n gt 0 0 1 w i t ht h eh i g hs p e e d d e v e l o p m e n to f n u m e r i c a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sw i d e l y p e n e t r a t e di n t oa l lk i n d so fd o m a i n s a r ma n dl i n u xh a so b t a i n e dw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n , b e c a u s et h e yc o s ti i a l ea n dt h ep e r f o r m a n c ei ss u p e r i o r t h e yh a v e s a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to f h i g he n de m b e d d e dp r o d u c ta b o u th i g hp r o c e s s i n gs p e e d a n df r i e n d l yg r a p h i c a li n t e r f a c e i nt h i sp a p e ra l lk i n d so fm e a s u r i n gt e c h n o l o g yf o r c u t t i n gt o o la r ec o m p a r e da n da n a l y z e db e f o r et h ep r o j e c to f am e a s u r i n gi n s t r u m e n t o f t h et h r e a dc h a s e ri np e t r o l e u ms t e e lp i p eb a s e d0 1 1a r m & l i n u xi sp r e s e n t e d t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n to f t h et h r e a dc h a s e ri np e t r o l e u ms t e e lp i p ei sm a d e o fm o v e m e n tp l a t f o r m , l i n e a rc c dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n ga n d d i s p l a yp l a t f o r m t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h i ss y s t e mi st h a tt h el i n e a rc c da n d t h e m o v e m e n tp l a t f o r mm u t u a l l yc o o r d i n a t et 0m e a s u r ed a t a , a n dd a t ai st r a n s p o r t e d i n t ot h ed a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a yp l a t f o r mt h r o u g hu a r ti n t e r f a c e ，t h e nt h e s o f t w a r eo fd a t ap r o c e s s i n gc a l lm e a s u r ei tp r e c i s e l y , f i n a l l yt h ed a t ap r o c e s s i n g r e s u l ta n dt h eo u t l i n ec u r v eo f c u t t i n gt o o li sd i s p l a y e do bg r a p h i c a li n t e r f a c e t h er e a l i z a t i o no f s y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed i s c u s s e & a l lt y p e so f p o s s i b l ee r r o rs o u r c e sa r ea n a l y z e da n dt h ea c t u a lr e s u l t so fm e a s u r e m e n ta r e p r e s e n t e d t h ed a t ap r o c e s s i n gp r i n c i p l e o fc u t t i n gt o o l ，m e t h o d , m a t l a b s i m u l a t i o n , t h ec o m p o s i t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r em a i n l yd i s c u s s e d t h e n i n 西华大学硕士学位论文 w ea n a l y z et h ep r i n c i p l e sa n dt h ec o m p o s i t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u tt h e c c dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ih a v ea c h i e v e dt od ot h ef o l l o w i n gr e s e a r c h b l u ep r i n tf o rt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n to ft h et h r e a dc h a s e ri np e t r o l e u m s t e e lp i p ei ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ew h o l es y s t e m , t h e d e s i g n i n gp r o p o s a lo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e c u r v ee q u a t i o no fc u t t i n gt o o lo u t l i n ei sc o m p u t e da n dt h ed a t ap r o c e s s i n g m e t h o do fc u t t i n gt o o li sp r o p o s e d t h eb a s i c3 7c a l v e se q u a t i o no fw h o l et h e o r e t i c a lo u t l i n ei ss o l v e d a n dt h e a l g o r i t h mo f t h el e a s ts q u a r ef i t t i n gi su s e d t of i tc u t t i n gt o o lo u t l i n e w h o l es o f t w a r ef o rt h es i m u l a t e dd a t ap r o c e s s i n go ft h eo u t l i n e a b o u t c u t t 吨t o o li nm a t l a b i sp r o g r a m m e d a n dt h ea l g o r i t h mo fd a t ap r o c e s s i n gi s c o n f i r m e dt ob ec o r r e c t a p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h ep l a t f o r mo fd a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i s p r o g r a m m e d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mo na r m a n dt h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nl i n e a rc c di sr e a l i z e d c o m p u t e r v i s i o ns y s t e mu s e df o rd a t aa c q u i s i t i o ni sd e s i g n e d w o r d s ：m e a s u r e m e n to fc u t t i n gt o o l ，l i n u x ，q t e m b e d d e d ，u a r t ，f i t t i n g 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 g 月，日 f 月，日 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 管螺纹梳刀刀片检测仪的发展现状、研究目的及意义 研究目的： 将先进的电子技术、光电技术应用于管螺纹梳刀刀片尺寸测量与检验。研 发一种经济、高精度、人机接口友好的自动化石油管螺纹梳刀刀片尺寸测量仪 器。 本论文用线阵c c d 与移动工作台相互配合测量刀具外形，并用单片机，以 及放大电路、a d 转换器预处理数据，然后通过串口传输数据到a r m 与嵌入式 l i n u x 构成的数据处理、显示平台上，最后在数据处理、显示平台上分析、处 理数据，并在其上用友好的界面显示结果。 意义： 管螺纹梳刀刀片与各类普通车丝机及数控车丝机配套使用，已经被广泛地 应用于加工各种石油油管、套管、石油钻杆( 接头) 、抽油杆、菜油树、封隔器、 隔热管等管材上的螺纹，包括各种油套管的v 形圆螺纹，偏梯形螺纹、钻杆螺 纹及管线管螺纹等：而且有的产品对螺纹精度要求特别高，如石油钻杆螺纹。 所以该仪器有广泛的应用前景。 由于刀片的需求量很大，所以强烈要求加快刀片的生产、提高刀片的检验 速度，然而传统的刀片检验方法太慢、误差大、不便于操作，当然目前国内也 有很多新的自动化检测仪器面世，不过通过各种渠道查阅资料、文献表明，那 些新的检测仪基本都是基于面阵c c d 与工控机的，不但价格昂贵，而且精度有 限；目前嵌入式技术广泛应用于各行各业，不但软硬件成本迅猛下降i 而且各 种开发技术成熟；另外在c c d 方面，同一时期内采用线阵c c d 的测量精度比采 用面阵c c d 更高( 请参阅下面中的计算机视觉测量法) 。所以在本论文中提出， 采用嵌入式系统做数据处理及显示、线阵f o 做视觉传感器，将研制出更经济， 更美观、更精致、精度更高的测量仪器。而该仪器也是自动化的，正好满足了 市场的要求，提高了生产率。 该仪器的研制成功，会对其它相关测量仪器的研制有很大促进作用。 西华大学硕士学位论文 管螺纹梳刀刀片检测仪的发展现状： 目前工业上物体型貌的测量方法很多“”，从测量方式上主要分为两大类： 接触式测量和非接触式测量。其中接触式又可分为机械式手工测量法和测头测 量法“”；非接触式可以分为光学投影法、基于计算机视觉的测量法。下面主要 介绍几种典型的测量方法。 a 、机械式测量法 机械测量法是指人工用卡尺测量或将测量尺规固定于机床上测量。文献 1 l 介绍了一种用于卧式加工中心，可测量刀具悬伸长度和刀具半径的简易对刀 测量装置。该测量装置主要由千分表、测量杆、弹簧和测量座构成，能够达到 的极限误差为3 u f l l 。 b 、测头测量法 接触式测头测量都带有不同类型的探头，通过探头在物体表面滑动感知物 体形貌的变化。这类表面质量测量系统，可以检测平缓曲面和平面的质量，如 表面有无蚀坑等小缺陷。例如，轮廓仪可以精确测定物体轮廓的起伏变化，径 向精度可以达到0 0 5 “m ，主要用于精密表面的轮廓检测。三坐标测量仪可以 测量较为复杂的机械加工表面，通过探针在表面滑动可以给出表面各点的三维 坐标，精度较高，主要用于形位公差的测量。文献1 4 介绍了一种数控测量系统， 由反馈型的测头、数控系统和测量控制软件组成。控制测头与被测刀具表面接 触，感应被测件形状的变化，并把位移量转变成模拟量以正弦波的形式输出， 再经过a d 转换输入计算机处理。在测量中可利用波形细分技术来提高测量精 度。 c 、光学投影法 光学投影法是指将刀具的光学影像通过光路放大变换，显示在投影屏上， 然后人工瞄准测量。文献1 5 介绍了利用光学投影的方法来测量刀具的坐标位置 和刀尖角度、圆角。该装置将刀具放入定位主轴中，并用投影屏瞄准定位，即 可在光栅显表上显示出可测量刀尖角度、圆角以及检查刃口等。下面图1 1 是 哈尔滨量具刃具集团有限公司生产的光学投影测量仪 d 、计算机视觉测量法 近年来，计算机技术及c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 固体摄像器技术的 西华大学硕士学位论文 f i g 1 10 p t i c a lp r o j e c t i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t 图1 1 光学投影测量仪 迅速发展为工业上的非接触式测量开辟了广阔的空间。这种测量方法主要是将 光测技术与计算机图像处理进行有机的结合，用c c d 成像系统对被测物体影像 进行摄取，再由计算机对图像进行处理并分析、识别，最终得到各项检测数据。 所以，这种非接触检测技术又可以称为基于数字图像的精密测量技术。图像测 量技术是近年来在测量领域形成的一门新的测量技术。它以光学为基础，融光 电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术为一体，组成 光、机、电、算的综合测量系统。对被测物体的各项几何参数进行图像测量， 是一种测量精度和测量效率都比较高的非接触式测量技术。一般的方法是将被 测物体置于一个平行光场中，利用光学系统进行投影或反射成像，用面阵c c d 摄像机作为接收图像的硬件设备，该图像数字化后，由计算机( 工业上一般都 用工控机) 进行管理、图像处理和分析。参考文献1 2 就是根据这种原理研制的 非接触测量仪。 参考文献1 2 中论述的非接触测量仪系统示意图见图1 2 。图中，1 面阵c c o 摄像头：2 支架：3 刀具：4 x - y 运动平台：5 图像处理模块：6 数据传输线。 系统的总体架构原理图，如图1 3 所示。本数字图像刀具测量机由面阵c c d 相机、图像采集卡、图像处理软件、工控机及其外设组成。其工作过程如下： 3 西华大学硕士学位论文 f i g 1 2t h ec u t t i n gt o o lp a r a m e t e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n to f u s i n g s u r f a c ec c d 图1 2 采用面阵c c d 的刀具参数测量机“” 将被测刀具置于系统照明设备之上，c c d 相机置于刀具垂直上方。在水平面内 移动刀具进行对刀，然后在固定焦距下对刀具拍照，将图像数据传输到工控机 里，通过图像处理软件的自动处理，得到刀具的边缘轮廓，计算出长度、宽度、 半径等几何参数，并且以一定的格式存储、打印以及从串口输出参数。 下面是由北京天地宇科技有限责任公司生产的非接触测量仪，其原理上是 由面阵c c d 和工控机构成。 目前国内外对石油管螺纹梳刀刀片参数的检测主要有两种方法：1 、用投影仪将 刀片放大，然后人工观测刀片放大之后的影像是否落在理论取值范围内，最后 判断、并得出结论，这种方法目前在国内使用较多。2 、采用面阵c c d 和工控机 组成的测量系统。 以上提到的两种方法均有缺点。第一种检测过程中需要人参与观测，测量 结果往往受人的因素影响，并且检测速度较慢：第二种由于刀具的数据处理和 显示平台采用了工控机，所以成本较高、仪器的体积大：并且在测量线长度尺 寸时，我们只需c c d 单行、单位长度上像素达到一定密度时，测量结果的精度 就能满足我们的要求，当c c d 单行、单位长度上像素相同时，线阵c c d 比面阵 c c d 便宜；另外测量精度受面阵c c d 的严重限制( 在同一时期，线阵c c d 在单 位线长上可制造出的像元比面阵多，也就是在线长度测量上可达到的最高精度， 线阵c c d 比面阵c c d 要高) ，所以我们提出该方案：线阵c c d 与嵌入式系统( a r m 4 西华大学硕士学位论文 l i n u x 平台) 组成的测量系统。 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a m 图1 3 原理图1 f i g 1 4i nk i n dc h a r t 图1 4 实物图 1 2 本课题的来源、主要内容、创新之处 本课题的来源： 5 西华大学硕士学位论文 本课题是与成都工具研究所合作研发项目。 本课题研究的主要内容： 本课题的目的是实现管螺纹梳刀刀片几何尺寸的自动化测量与分析，并将 测量的结果显示出来，以便帮助用户将合格与不合格产品区分开，同时知道刀 片的哪部分尺寸不合格，方便工人的加工修改。本人在课题中的工作内容如下： a 、确定管螺纹梳刀刀片测量仪的整体方案，包括系统整体架构、硬件设计方案 、软件开发方案。a r m l i n u x 构成本系统的数据处理与显示平台。q t e 作为我们的图形界面开发库。单片机系统构成我们的数据采集模块( 测控模 块) 。 b 、计算刀片轮廓曲线方程，确定管螺纹梳刀刀片数据的处理方法。 c 、采用m a t l a b 仿真处理刀片轮廓曲线数据，编制出整个软件，并且验证了管 螺纹梳刀刀片数据的处理方法的正确性。 d 、编制出数据处理与显示平台的应用软件。 e 、实现了a r m l i n u x 平台( 数据处理与显示平台) 与单片机系统的通讯( 测 控模块或者数据采集模块) 。 f 、设计出采集刀片轮廓点数据的计算机视觉系统。 本课题的创新之处包括以下几个方面： a 、提出了用高速通用的3 2 位微控制器( $ 3 c 2 4 1 0 x ) 与l i n u x 操作系统作为管 螺纹梳刀刀片测量仪的数据处理、显示平台。 b 、提出了用8 位单片机与3 2 位微控制器相结合的方案，构建整个管螺纹梳刀 刀片测量仪。 c 、将最小二乘拟合法引入管螺纹梳刀刀片轮廓数据的处理中。 6 西华大学硕士学位论文 2 管螺纹梳刀刀片检测仪原理及其构成 2 1 检测仪的总体筐架 管螺纹梳刀刀片检测仪整个系统分为两个子系统，一个主要负责刀具轮廓 数据的采集我们称之为测控子系统或者测控模块( 也可称为下位机或者计算机 视觉系统) ，另一个主要负责刀具轮廓数据的处理与显示我们称之为数据处理与 显示子系统或者数据处理与显示平台( 也可称为上位机) 。其中测控子系统包括： 机械运动机构( 运动工作台) ，步进电机及其驱动，长度计( 光栅) ，c c d 及其 控制电路，串口通讯。数据处理与显示子系统包括：串口通讯，数据处理，数 3 f i g 2 1s c h e m a t i cd r a w i n g 图2 1 示意图 据显示。 本设计是以线阵c c d 作为图象传感器，以获得管螺纹梳刀刀片轮廓上点的 y 坐标( 刀片的纵向尺寸) 。同时再通过长度计( 光栅) 得到管螺纹梳刀刀片轮 廓上点的x 坐标( 横向尺寸) ，然后测控单元( 下位机) 将数据通过串口( u a r t ) 7 西华大学硕士学位论文 上传到数据处理、显示平台( 上位机) 。然后数据处理、显示平台将获得的数据 进行拟合等相关处理，并显示出刀片轮廓图形、以判断刀片轮廓尺寸是否在允 许的误差范围内，实现产品检验的目的。 。 c c d 采集数据及工作台原理示意图如图2 1 所示，其中1 为支架，2 为长度 计，3 为c c d 、光学镜头，4 为待测刀片，5 为运动工作台，6 为静止工作台( 其 中放置光源，步进电机及其驱动带动运动工作台移动) ；整个系统工作的原理图 如图2 2 所示。 系统原理图说明 光源发射出光线，光线经过透镜之后，成为平行光线，平行光线向线阵 c c d 射出，由于刀片在透镜与c c d 之间，光线被刀片当住一部分，在这一部分 c c d 接收不到光，而c c d 未被当住的部分就接收到光( 上述的意思是：将刀片 的外型投影到c c d 上) 。由c c d 的原理知道，c c d 的输出信号里面包含了未接 收到光线的c c d 的长度也既是刀片的宽度( 这里是为了方便解释才将c c d 明确 的分为接收到光与未接收到光部分，实际上，c c d 的输出信号里面，从有光到 无光是个渐变过程，我们需要引入必要的算法，来高精度的确定刀具轮廓的尺 寸，也就是说刀具的轮廓应该位于渐变过程中的某一点) 。 c c d 的输入信号是由单片机产生的驱动信号，输出信号经过放大处理后送 给a d 转换，a d 的转换结果存储到r a m 中，待到采集完c c d 的一次输出( 即 刀具轮廓的一点数据) 之后，c p u 读取数据并且计算刀具的轮廓宽度( 上述的 轮廓宽度即轮廓采样点的y 坐标) 。 移动工作台( 刀片置于其上) 由步进电机、丝杆螺母机构和位移反馈装 置( 长度计) 组成。由步进电机和丝杆螺母机构带动移动工作台移动，并通过 长度计获得工作台位置( 即刀片的位置) 。此过程与相互配合交替进行，最后 连同由长度计获得的工作台位置( 即刀片的位置) 与刀具的轮廓宽度( 上述的 轮廓宽度即轮廓采样点的y 坐标，或者称为由c c d 采集的数据；刀片的位置即 轮廓采样点的x 坐标) 一起上传给上位机。上述过程反复循环，直到采集 完整个刀片轮廓曲线。即获得图象的二维参数。 单片机在下位机系统中起着非常重要的作用，它担负着线阵c c d 驱动信 号的产生、c c d 输出信号的采集初步处理( 边缘识别) 、步进电机驱动信号的产 8 西华大学硕士学位论文 f i g 2 2s y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 图2 2 系统原理图 生、工作台位移的测量( 通过长度计) 、数据串口通讯等任务，它是下位机系统 ( 即测控单元) 的核心。 数据处理、显示平台是构建在a r m 微控制器和l i n u x 操作系统上的。该 平台不但能给我们提供很高数据处理速度( 我们的芯片是三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ， 系统运行主频为2 0 0 m ) ，而且利用q t e 图形库可以开发出很友好的图形用户界 面。 为了能更清楚的理解我们这个系统，图2 3 给出了系统的组成框图。 9 西华大学硕士学位论文 f i g 2 3s y s t e md i a g r a m 图2 3 系统组成框图 刀具的技术参数为：图2 4 、图2 5 f i g 2 4m e c h a n i c a ld r a w i n go fc u t t i n gt o o l 图2 4 刀具的机械图 1 0 西华大学硕士学位论文 2 2 基于计算机视觉的测控模块 测控模块是整个系统重要的组成部分，它主要完成刀具轮廓图象的采集并 上传给数据处理与显示平台。那么它是如何实现刀具轮廓图象的采集和采集结 f i g 2 5l l e c h a n i c a ld r a w i n go fc u t t i n gt o o l 图2 5 刀具的机械图 果的上传呢? 其中具体轮廓图象的采集是由运动工作台与线阵c c d 相互配合实 现的，数据的上传是通过串口通讯实现的。整个测控模块的各项工作都是由核 心c p u 协调、控制实现的。测控模块的具体设计请参考第4 章管螺纹梳刀 刀片测量仪的测控模块设计。 2 3 数据处理及其显示平台 2 3 1 硬件部分 管螺纹梳刀刀片测量仪的数据处理与显示平台是构建在以a r m 9 为核心的 硬件平台上的，整个硬件平台的构成框图如图2 6 所示，该平台是通过串口通 讯从测控平台获得的刀具轮廓数据，进而对其所获得的数据做拟合等相关处理， 最后判断刀具轮廓尺寸是否符合要求，并在l c d 上显示刀具的轮廓图象和刀具 尺寸是否符合要求的判断结果。 各部分基本功能描述如下： 串行接口电路用于$ 3 c 2 4 1 0 x 系统( 数据处理、显示平台) 与测控模块应用系 西华大学硕士学位论文 统串行通讯。 f i g 2 6f r a m eo f t h ed a t ap r o l c c s s i n ga n dd e m o n s t r a t e sp l a t f o r m 图2 6 数据处理与显示平台框图 1 0 l d 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统可以 i o m 的速率接入以太网，在我们的仪器中它主要作用是方便应用程序的开发( 建 立n f s 文件系统) 。 u s b 接口可用于u s b 通讯进行程序下载或u s b 设备的连接，以及鼠标的接入。 f l a s h 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统、b o o t l o a d e r 或其他在系统掉电后需要保存的用户数据。； s d v , a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于 s d r a m 存储器中。 l c d 接口用于连接l c d 显示模块。 j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调 试、编程等。 2 3 2 软件平台 管螺纹梳刀刀片测量仪的数据处理与显示平台选用了嵌入式l i n u x 操作系 统。并使用了l i n u x 支持的图形界面开发库o t e 。对l 1 n u x 和o t e 的具体介 绍请参阅“管螺纹梳刀刀片测量仪的数据处理与显示平台的设计”一章中的“管 1 2 西华大学硕士学位论文 螺纹梳刀刀片测量仪软件平台及图形库”一节。 l i n u x 系统的启动过程如下图2 7 示。其中我们的应用程序在文件系统中。 f i g 2 7l i n u xs t a r tp r o c e s s 图2 7l i n u x 启动过程 q t e m b e d d e d 是著名的q t 库开发商t r o l l t e c h 发布的面向嵌入式系统的 q t 版本。因为q t 是k d e 等项目使用的g u l 支持库，所以有许多基于q t 的x w i n d o w 程序可以非常方便地移植到o t e m b e d d e d 版本上。因此，自从q t e m b e d d e d 以 g p l 条款发布以来，就有大量的嵌入式l i n u x 开发商转到o t e m b e d d e d 系统上。 q t e m b e d d e d 拥有下面一些特征： 拥有同q t 一样的a p i ；开发者只需要了解q t 的a p i ，不用关心程序所用到的 系统与平台。 它的结构很好地优化了内存和资源地利用。 拥有自己的窗口系统：q 忱不需要一些子图形系统。它可以直接对底层的图 形驱动进行操作。 模块化：开发者可以根据需要自己定制所需要的模块。 与硬件平台无关：q c e 可以应用在所有主流平台和c p u 上。支持所有主流 的嵌入式l i n u x 。 提供压缩字体格式：即使在很小的内存中，也可以提供一流的字体支持。 支持多种的硬件和软件的输入。 2 3 3 检测仪的人机接口 本仪器可以通过鼠标操作，也可以直接点击触摸屏操作。在测量仪的图形 界面上主要实现几大功能，处理状态进度条，运行状态提示符( 一个闪烁的 方块) ，刀具轮廓显示，如图2 1 1 ，刀具轮廓最大误差位置及其值的显示， 刀具尺寸检测结果即是否符合要求文字提示，拟合出的基本曲线参数显示 参数。详细的人机接口请参阅“管螺纹梳刀刀片检测仪的数据处理与显示平台 西华大学硕士学位论文 的设计”一章。 f i g 2 8m a i nw i n d o w 图2 8 主窗口 西华大学硕士学位论文 3 管螺纹梳刀刀片检测仪的数据处理 3 1 数据拟合及刀片轮廓方程的建立 3 1 1 数据拟合原理“1 在大量的应用领域中，人们经常面临用一个解析函数描述数据( 通常是测量 值) 的任务。对这个问题有两种方法。a 、插值法。在插值法里，数据假定是正 确的，要求以某种方法描述数据点之间所发生的情况。b 、曲线拟合或回归。人 们设法找出某条光滑曲线，它能最佳地拟合数据，但不必要经过任何数据点。 曲线拟合可用许多不同的方法定义最佳拟合，并存在无穷数目的曲线。但 是正如它证实的那样，当最佳拟合被解释为数据点的最小误差平方和，且所用 的曲线限定为多项式时，那么曲线拟合是相当简捷的。数学上，称为多项式的 最小二乘曲线拟合。 由于我们管螺纹梳刀刀片轮廓是由直线和圆幅两种基本曲线构成，所以下 面分别解释一下直线的拟合和圆的拟合。 a 直线拟合 假设在管螺纹梳刀刀片轮廓上某段数据理论上已知y 与x 成线性关系，如果对应 不同x i 坐标值下，测得y i ，i = 1 ，2 ，n ，记它们的线性关系如下： 只= 口+ 务+ 五+ 乞a = l ，2 ，疗，黠 2 ) 式中a 、b 为拟合直线方程参数的估计量，i 为独立、等权和正态偶然误差为 了获得拟合这组数据的最佳线性关系，用线性最小二乘法计算a 、b 即： 2 = o , , - b 而一口) 2 取最小值时的a 、b 值，就是我们需要求的值。 i = li = l 根据极值存在的必要条件，欲使e 2 为极小，必须有分别对a 、b 的偏导为o 。 l = i 即： 西华大学硕士学位论文 令 解得 甩6 + ( 芝鼍) * t l - = 窆乃和( 窆葺) b + ( 窆薯：) 口：窆t ) ， 捌i e l t = 1i = li = 1 五= x t _ x = - e y , + 置一x y + a = - j - - 一 x l i x t x 2 n ，置= x i 2 i = l ，x y = x i y i 6 ：兰= 圣：! 以 所以直线拟合方程为 y = a + b * x b 圆的拟合 用最小二乘法拟合圆曲线：r 2 = 一4 ) 2 + o ，一占) 2 其中a 、b 为圆心坐标值，r 为圆的半径。 以上等式可以化为：r 2 = x 2 2 * a * x + a 2 + y 2 2 * b * y + b 2 为了方便计算起见，我们将求解参数a 、b 、r 转化为求解a 、b 、c 即令：a = 2 。一 b = - 2 + 口 c = a 2 + b 2 一r 2 可得圆曲线方程的另一个表达形式： x 2 + y 2 + 口宰x + 6 y + c = o 只要求得参数a 、b 、c 就可以求得半径和圆心参数。 a ：旦 2 b ：三 - 2 胙1 石丽e 再 假设在管螺纹梳刀刀片轮廓上某段数据，理论上已知y 与x 是圆幅上的实测值， 如果对应不同坐标值下，测得咒，i = 1 ，2 ，n ，记样本集( 薯，弗) 待l ，2 ，3 疗 中各点到圆心的距离为z ： 1 6 西华大学硕士学位论文 西2 = ( t - a ) 2 + ( 咒一b ) 2 点( 葺，咒) 到圆心的距离的平方与半径r 平方的差为： 谚= d , - r 2 = ( 墨- a ) 2 + ( 只一b ) 2 - r 2 = 2 + y j 2 + 口而+ 6 乃+ c 令m ( 以b ，c ) 为毒的平方和： 中( 口，b ，c ) = 4 2 = ( t 2 + 乃2 + 口+ 6 + y i + c ) 2 求参数a ，b ，c 使得m ( 口，b ，c ) 的值最小。 由于巾( 口，b ，c ) 是a ，b ，c 表达式的平方和，所以始终大于等于o ，因此函数有大于 等于0 的极小值。 f ( a ，b ，c ) 对a ，b ，c 分别求偏导，并令偏导等于o ，联立方程得到极点值。 l i p ：解下列方程组。 立! 字= 2 ( # + 只2 + 口t + 6 乃+ c ) 4 蕾= 。 o t p ( 矿a , b , c ) = 2 ( x , z + 乃2 + 口t + 6 咒+ c ) + 咒= o 曼竺! 蓦：生堕= 2 ( # + 疗+ a 玉+ 6 ) + c ) = o 解上述方程组。 令 可解得： c = n 暑2 一x j + o j _ d = n + 薯+ 乃一而乃 五= 疗而3 一以葺y j 2 一( t 2 片2 ) + 墨-jj-j、j7 6 = ”乃2 一咒咒 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 日= 珂咒3 + 以片# 一( # 4 乃2 ) + 咒 1 7 西华大学硕士学位论文 + 归石历r h c e d 口= _ ：一 口一g c 。：一! 墨：二丝：! ! ：墨! ：丝 玎 得到a ，b ，r 的拟合值： 4 ：旦 b ：土 也 月：昙拓五i 两 所以圆的方程为：r 2 = 一一) 2 + ( y 一口) 2 3 1 2 刀片轮廓方程的建立 刀具轮廓曲线方程可以用于产生m a t a l a b 仿真用到的虚拟刀片轮廓数据， 另外对实际刀片的拟合轮廓是否符合要求的判断也需要用到( 用于产生理想的 被比较对象，以辨别实际轮廓是否符合要求，具体如何判别请参阅“c + + 语言数 据拟合”一节) ，理论上刀具拟合轮廓( 如图3 1 ) ，包括直线和圆弧共3 7 段( 如 图3 2 所示) 。 。 f i g 3 1c u t t e ro u t l i n e 图3 1 刀具轮廓 下面开始求轮廓的各段基本曲线的方程如下： 1 8 西华大学硕士学位论文 以与3 4 段基本曲线平行且重合的坐标轴为x 轴，3 0 段基本曲线和3 2 段基 本曲线的对称中心线为y 轴( 坐标系如图3 3 所示) 。 l258 f i g 3 2t h i r t ys e v e ns e g m e n tc u r v e 图3 23 7 段基本曲线的位置 x f i g 3 3r e f e r e n c ef r a m e 图3 3 坐标系 第一段曲线： 第一段曲线的已知条件有( 如图3 4 所示) ：1 ) 、与y 轴方向的夹角为6 0 0 ，2 ) 、 左边端点的x 坐标值，但是没有y 坐标。所以要求解曲线的方程还差条件。要 解决这个问题我们可以先求解第二段曲线的方程，然后由第二段的方程求出与 第一段方程的交点，最后由该交点和上述其它已知条件解出第一段曲线的方程。 第二段曲线： 西华大学硕士学位论文 第二段曲线的已知条件有：1 ) 、该直线与与x 轴夹角为l o o ，2 ) 、该直线上某点 i 甜 一，1 八 l b ，一一一 、 ： 一 。! i ： 一 1 58 7 f i g 3 4f i r s ts e g m e n tc u r v e 图3 4 第一段曲线的已知条件 的坐标值( 包括x 、y 坐标) 。所以很容易求解出直线的方程。 a 、第二段曲线上某点的x 坐标为： x = - 1 0 1 6 0 。 y = 一1 8 1 2 - 1 3 7 2 ) = - 0 4 4 0 b 、第二段曲线的斜率为k = t g o o o ) = o 1 7 6 3 假设：第二段曲线的方程为y = | j x + 6 ， 然后将上述a 、b 条件代入方程得到： - 0 4 4 0 = 0 1 7 6 3 + ( - 1 0 1 6 m + 6 所以b = - 0 4 4 + 1 0 1 6 0 1 7 6 3 即：b = 1 3 5 1 2 因此第二段直线的方程为：y = _ o 5 7 7 4 + x = 1 0 6 7 6 另外仅仅有上述方程表达式还不够。要描述一条线段必须给它的交量一个 界限，即取值范围。由图纸上所给参数很容易求得： 第二条线段的左端点x 轴坐标为x = 一1 5 8 7 2 5 1 4 3 ) = 一1 1 9 4 0 第二条线段的右端点x 轴坐标为暂时已知条件还不够需要等第三段曲线的 西华大学硕士学位论文 方程求解出来之后，再与第二段曲线求交点，交点的x 轴坐标值就是第二段曲 1 3 7 2 f 坨一，1 厂、7 蒡尹 一厂v 。 一 1 n 1 6 0 f i g 3 5s e c o n ds e g m e n tc u r v e 图3 5 第二段曲线的已知条件 线的右端点x 轴坐标值。 最后，我们再求第一段曲线的时候由于缺少条件，未能解出方程。现在可 以解出第二段线段的左端点( 也是第一线段的右端点) 坐标值为：x = 一1 1 9 4 】r = 0 1 7 6 3 + 卜1 1 9 4 ) + 1 3 5 1 2 = - 0 7 5 3 8 再加上我们已经知道的第一段曲线的斜率。所以方程的求解就是：