光学三维测量机毕业设计.doc

摘摘 要要 逆向工程是当前用于产品开发和仿制加工的一种先进手段，是集测量技术、 cad 技术、激光技术、材料技术和计算机控制技术等为一体的高新技术，它针 对现有的工件（样品或模型） ，利用 3d 数字化测量仪器快速、准确的测得大量 轮廓坐标点，并对这些坐标点进行去噪，匹配加以构建，修改后输入到 cad/cam 系统，生成 nc 的刀具加工路径，或输入 cnc 进行生成所需的模具， 或者生成某种格式的文件输入到快速成形机将样品模型制造出来。三维光学测 量机就是这样一种设备，它可以将在三维物理空间中的被测物体复制到三维数 据空间当中并进行重现，我们称之为建立三维模型。这种能力使三维扫描仪拥 有非常巨大的应用前景。由于逆向工程技术具有广泛的应用领域和实用价值， 因此，世界上主要工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研发和推广应用，他 们无不站在 21 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。目前该 项技术已经广泛应用于机械零部件的快速开发、汽车和飞机覆盖件的快速检测 和反求、快速模具、医疗及康复工程、家用电器、工业设计、工艺品制作以及 儿童玩具等领域，取得了巨大的经济效益。本次设计主要是完成光学三维测量 机机械部分和控制系统的设计，本文提出的结构光三维测量系统是一种光栅式 结构光扫描双目视觉测量技术。由于是面扫描，所以，在速度上有很大的优势， 可以很好的实现被测自由曲面的快速、高精度的三维尺寸测量。通过对测量机 的个部分部件的设计，最后完成光学三维测量机的设计工作。 关键词关键词 逆向工程 三维模型 光学三维测量机 光栅 扫描 abstract reverse engineering is currently used for product development and imitation of an advanced means of processing, is set measurement technology, cad technology, laser technology, materials technology and computer-controlled technology, which integrates high-tech, it addresses the existing part (or sample model), using 3 d digital measuring instruments quickly and accurately measured the outline of a large number coordinates, and coordinates of these points denoising, match to build, the revised import to cad / cam system, generating the nc tool processing path, or enter cnc to generate the necessary die, or generate a certain format of the files into a rapid prototyping machine will be created by the sample model. three- dimensional optical measuring machine is one such device, which can be three- dimensional physical space of the detected objects copied to the 3d data space and return them, we call it the establishment of three-dimensional model. this ability to 3-d scanner has a very great prospect. since reverse engineering is a wide range of applications and practical value, the worlds major industrial countries have invested heavily in research and development of the technology and application, they all stand in the 21st century global competition in world manufacturing strategy to deal with this highly a technology. currently the technology has been widely used in the rapid development of machinery parts, automobile and aircraft coverage of the rapid detection and anti-seeking, rapid tooling, medical and rehabilitation engineering, home appliances, industrial design, craft making and childrens toys, and other fields and achieved a huge economic benefits. the optical design is complete three- dimensional measuring machines and mechanical control system design, the papers three-dimensional structure of optical measurement system is a grating structure of binocular vision measuring optical scanning technology. since the scan, therefore, have great speed on the edge, you can achieve very good surface tested free of the fast, high-precision 3d measurement. by measuring machine parts parts of the design, the final completion of three-dimensional optical measuring machine design. key words reverse engineering three-dimensional model of optical scanning three-dimensional measuring machines grating 目目 录录 摘要摘要i abstract ii 第一章第一章 绪论绪论 1 引言 1 1.1 三维光学测量机的应用与发展状况 2 1.2 设计研究的目的和意义 3 1.3 本文的内容安排 4 1.4 本章总结 4 第二章第二章 光学三维测量机的测量原理光学三维测量机的测量原理 5 2.1 测量机的测量原理 5 2.2 三维测量机的特点 5 2.3 控制系统原理介绍 6 2.4 本章总结 7 第三章第三章 光学三维测量机整体设计方案光学三维测量机整体设计方案18 3.1 设计要求 8 3.2 光学三维测量机基本结构分析 8 3.2.1 设计任务和内容 8 3.2.2 总体设计法案的拟定 8 3.2.3 光学三维测量机机械部分设计9 3.2.4 控制部分设计10 3.3 主要参数设定 .16 3.4 本章总结 16 第四章第四章 机械部分的具体设计及其硬件选择机械部分的具体设计及其硬件选择17 4.1 底座设计17 4.2 滑动体主要设计 .18 4.3 光学扫描仪测量系统的硬件组成 .18 4.3.1 结构光三维测量系统的硬件组成 18 4.3.2 ccd 基本知识19 4.3.3 图像采集卡20 4.3.4 选择结果 20 4.4 光栅电动平移台基本结构设计 .21 4.5 本章总结 .21 第五章第五章 光学三维测量机的设计计算光学三维测量机的设计计算 22 5.1 控制系统中电机的选择 .22 5.1.1 步进电机概述22 5.1.2 电动机容量的选择原则22 5.1.3 步进电动机的容量计算23 5.2 联轴器的选择 .23 5.3 丝杠螺母副的选用计算24 5.3.1 丝杠螺母导程的确定 24 5.3.2 确定丝杠的等效转速 24 5.3.3 丝杠的等效负载 24 5.3.4 确定丝杠所受的最大动载荷 24 5.3.5 计算轴承动载荷 25 5.3.6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率计算25 5.4 丝杠的扭转刚度 .26 5.5 传动精度计算26 5.6 本章总结 .27 第六章第六章 总结和展望总结和展望28 6.1 全文总结 .28 6.2 展望 .28 致致 谢谢30 参考文献参考文献31 第一章 绪论 引言 随着计算机与网络技术的发展，信息高速公路加快了科技信息的传播速度， 产品生命周期越来越短。追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多， 批量越来越小，企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争。而更重要的是产 品开发速度以及上市时间的竞争，这种趋势在 21 世纪头 10 年将日趋强劲。因 此产品的开发速度和制造技术的柔性和可移植性变得十分关键。 快速原型制造(rapid prototyping，以下简称 rp)技术就是在这种背景下 产生的。rp 技术综合运用了计算机辅助设计技术、数控技术、激光技术、材 料科学和自动化控制等技术的发展成果，采用分层增材制造的新概念取代传统 的去材或变形法加工，是当代最具有代表性的制造技术之一。快速原型制造技 术对所加工的零件的几何形状无特别要求，可以将给定数据还原成实体模型， 即它可快速、准确地将设计思想变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快 速的评估、及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快 新产品推向市场的进程。 对于大多数产品，都可以在通用的 cad 软件上设计出它们的三维模型，求 得相应的数据，另一方面我们还需要对原产品进行复制或仿制加工，或进行产 品的二次开发，在某些情况下由于存在多种因素的影响，如功能，工艺，外观， 使得相当一些零件的形状很复杂，无法用通用的方法在 cad 软件上准确的设计 出它们的实物模型，而且整个开发周期长，开发成本高，因此有必要首先开发 出一定比例的小的实物模型，如木模，蜡模等。反求工程(也称逆向工程 reverse engineering)应运而生，反求工程是根据已有的实物样件，利用 3d 测量技术快速测得实物的数据点，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、 工艺等诸多方面。所谓“逆向工程”是相对于通常的先有设计意图再进行设计 然后再加工出实物的设计流程顺向工程而言。如图 11 所示： 逆向工程是当前用于产品开发和仿制加工的一种先进手段，是集测量技术、 cad 技术、激光技术、材料技术和计算机控制技术等为一体的高新技术，它针 对现有的工件（样品或模型） ，利用 3d 数字化测量仪器快速、准确的测得大量 轮廓坐标点，并对这些坐标点进行去噪，匹配加以构建，修改后输入到 cad/cam 系统，生成 nc 的刀具加工路径，或输入 cnc 进行生成所需的模具， 或者生成某种格式的文件输入到快速成形机将样品模型制造出来。 1.1 光学三维测量机的应用与发展状况 三维光学测量机就是这样一种设备，它可以将在三维物理空间中的被测物 体复制到三维数据空间当中并进行重现，我们称之为建立三维模型。这种能力 使三维扫描仪拥有非常巨大的应用前景。由于逆向工程技术具有广泛的应用领 域和实用价值，因此，世界上主要工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研发 和推广应用，他们无不站在 21 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这 一技术。目前该项技术已经广泛应用于机械零部件的快速开发、汽车和飞机覆 盖件的快速检测和反求、快速模具、医疗及康复工程、家用电器、工业设计、 工艺品制作以及儿童玩具等领域，取得了巨大的经济效益。 目前，国外不同测量原理的逆向设备已进入我国市场，如英国 3d- scanner 公司、德国 gom 公司以及美国、日本、比利时等国产品。国外设备虽 然性能优良，但价格十分昂贵，国内企业，特别是大量的中小企业一般很难有 能力购买。而且国外产品并不能完全适合我国国情，还需本土化。课题组申请 的省自然科学基金资助项目，能够从整体上降低逆向工程技术在我国的使用门 槛，使国内众多的中小企业能够使用这种先进技术来提高产品开发能力和市场 竞争能力。 国外生产厂家采取多种方式大力推介他们的设备，如，德国 gom 公司正在 开发中文版三维测量软件。形势十分严峻,时不我待。尽快开发出提升我国制 造业水平和自主创新能力的这一关键设备，是我们义不容辞的责任。 近年来，华中科技大学、上海交大、西安交大、清华大学、南京航空航天 大学、大连理工大学等高校也加强了对逆向工程技术的研究。华中科技大学生 产了我国第一台商品化激光线扫描台式反求设备，北京天远公司也推出了他们 的产品。但总体上来看，国内的逆向工程技术研究和设备研发还处于初级阶段， 设备品种单一，与国外先进技术相比还有很大差距，远没有达到大面积推广与 应用的水平。 1.2 设计研究的目的和意义 逆向工程（reverse engineering）在传统的汽车，航空航天，通讯、家 电、艺术品的快速模具制造与检测领域有着广泛的应用。它是一门集机器视觉、 cad/cam、光学测量、数控、精密机械、图像采集与处理、工业设计为一体的 高新技术，是一种对模型进行仿型测量、cad 模型重构、模型加工并进行优化 评估的设计方法。作为先进制造技术重要分支，已成为吸收、消化国内外先进 技术、实现产品快速开发和创新的重要手段，可以避免走自行开发中的许多弯 路，极大地增强企业的竞争能力。它针对现有的模型或样品，利用 3d 数字化 测量仪器，准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行三维 cad 曲面重构，在此基 础上再设计，实现产品“创新” 。然后通过 cam 系统，产生刀具 nc 加工代码， 控制 cnc 设备进行产品加工，或者送到快速成型机将模型或样品快速制作出来。 这一技术使产品模型得到精确的表达和再现，为产品的进一步分析、优化和制 造确立了统一的对象。例如：在汽车车身等复杂覆盖件的工业设计中，形状独 特而复杂的自由曲面一般不能直接建立起 cad 模型，而是以制件模型（如粘土 模型等）或经手工修改后的样件为设计原型，这类零件具有非常复杂的自由曲 面，其设计表达或数学模型的建立非常困难。但是，一旦重构出自由曲面，并 建立起 cad 模型后，就可以方便地进行设计、有限元分析、模型修改、误差分 析和数控加工指令生成等。这就要求根据这些模型的表面测量数据，基于新的 设计理念重构汽车车身 cad 模型（或新产品模型） ，并进行反复优化评估，直 到得到满意的设计结果。 三维扫描测量技术、设备和软件是逆向工程的重要组成部分。在产品快速 设计开发、快速模具和复杂型面数控加工等方面都具有重要意义。 1.3 本文的内容安排 绪论主要阐述逆向工程的概念，三维光学测量机在逆向工程中的作用以及 它的应用与发展，本次设计的目的及其重大意义。 第二章首先介绍三维光学测量机系统的测量原理，测量机的特点，然后详 细介绍了控制系统的原理。 第三章主要介绍三维光学测量机的整体设计法案。 第四章主要描述机械部分的设计和一些硬件件的选择，对相应的硬件进行 详细的介绍。 第五章介绍测量机的相关设计计算。 第六章进行了全文总结以及对测量机的未来展望。 1.4 本章总结 本章首先介绍逆向工程的发展背景，概念，三维测量机在逆向工程中的应 用状况；随后介绍了逆向工程中数据获取方法和 cad 建模方法，并将各种方法 进行了简单比较；本次设计的目的、意义。最后对本次设计的整体安排进行了 介绍。 第二章 光学三维测量机的测量原理 2.1 测量机的测量原理 光栅投影照相式三维测量仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，应用 的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。采用一种结合结构光技 术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。与传统的 三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。光线垂直照射被测物体表 面，运动控制器通过驱动器控制步进电机带动双目面阵 ccd 实时地将被测物体 的图像送入图像采集卡，图像采集卡把采集到的数据信息送入计算机进行相应 的图像处理以后得到三维的数据点云。其基本原理如图 2-1 所示： 2.2 三维测量机的特点 1、扫描速度极快：5 秒内可得到 100 多万点，效率很高 2、第三代的面扫描方式：每次扫描一个面，获得整个面的三维数据，测 量点分布密度极高且非常规则 3、非接触扫描：利用照相式原理，进行非接触式光学扫描，得到物体表 面三维数据。而且适应了柔软、易变形物体的测量要求。 4、精度高：利用独有的测量技术，实际精度可达 0.02mm 5、大景深：扫描景深可达 300500mm，为国内最高。适合景深较大物体 扫描 6、标志点自动拼接：可将多次测量结果自动拼接，扫描时物体可任意翻 转和挪动。通过对标志点的拼接加以生成多次测量数据，从而实现大面积扫描。 减少了测量的死角。 7、点云噪声处理和修剪：可以对测量产生的噪音点进行修剪、剔除。 8、对环境要求不高：环境光对该扫描系统影响不大，在大多数的环境下 都能获得高性能的数据 9、便携式设计：设备部件易拆易装，方便带至测量现场。 10、测量输出数据接口广泛：测量所得的点云数据为 asc、vrml 格式，可 直接与 surfacer（image ware） 、ug、catia、geomagic、proe、master cam 等软件交互数据 11、软件性能良好：兼容 windows98nt2000xp 平台，用户易学易 用，不需过多的培训就可以熟练操作，兼容性好，简便易学 12、彩色扫描：不但可以得到数字信息，还可以得到 rgb 彩色信息 2.3 控制系统原理介绍 随着自动控制技术的发展，控制系统的种类越来越多，可以分为开环控制 系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统如图 2-2 所示： 计算机（可以包含各种控制器）根据所要求的进给速度和位移输出一定频 率和数量的脉冲，这种脉冲信号往往是标准的 ttl 电平，驱动能力小，不足以 驱动电机，此时就需要相应的功率放大器步进电机驱动电路把相应的信号 放大。每个脉冲驱动步进电机旋转一个步距角，从而带动丝杠，由丝杠带动刀 具、测头等。由于步进电机的机械位移与输入的脉冲有严格的对应关系，而脉 冲输入的频率则对应电机的转速，因此通过输入脉冲数和频率即可控制速度和 位移。但开环系统没有反馈装置，计算机输出一定的脉冲数，无法知道步进电 机是否丢步，丝杠是否移动到了指定的位置。因此这种系统只能靠机械和电机 的精度保证，系统速度和精度都较低。 指令脉冲 丝杠 图 2-2 开环进给伺服控制系统 计算机 步进电机 驱动电路 步进电机 闭环系统常用在精度要求较高的反求系统中，一种构成位置环控制系统原 理如图 2-3 所示。当位置反馈信号从电机端部通过编码器或者从丝杠端部获得 （如图 2-3 虚线所示） ，间接测量执行部件的实际位置为半闭环系统；当位置 反馈信号从丝杠等执行部件上直接测实际的位置或位移（如图 2-3 实线所示） 为全闭环系统。这种闭环或半闭环系统由于对实际的执行部件的位置进行反馈， 因此其位移精度高于开环系统。 由图 2-3 见闭环伺服控制系统包含速度调节部分和位置调节部分，数控 装置进给的指令通常包括位移和速度两个信息。为了使电机的输出速度和位置 跟随速度和位置指令，系统设有速度和位置控制部分。速度测量一般用测速发 电机或脉冲编码器，随时测得电机的实际转速，与速度指令相比得到速度误差 信号，即可对电机的速度进行调节；位置反馈用一般脉冲编码器或直线光栅尺， 将测得的实际位置与指令位置比较的得到的结果即是位置误差信号，根据其差 值与指令进给速度的要求，按一定的运动规律进行转换后得到进给伺服系统的 速度指令。 从扫描系统的特点，速度，精度，成本等方面考虑，我们选择了半闭环 控制系统，采用编码器反馈回各轴的位置信息，然后再与设定值进行比较，将 偏差信号作为误差补偿信号，这样的半闭环控制系统硬件比较简单，控制较方 便，系统的精度介于开环和闭环系统之间，精度符合我们要求。 2.4 本章总结 本章首先介绍了三维扫描系统的工作原理，采用结构光三角原理进行测量； 接着简单介绍了控制系统的分类，介绍了开环控制系统和闭环控制系统，并根 据系统的精度要求和成本考虑选用了带有编码器反馈的半闭环控制系统，并符 合三维光学测量系统的要求。 指令 图 2-3 一种闭环伺服控制系统的组成 位置调节器 速度调节器 电机 速度反馈 位置反馈 机械装置 第三章 光学三维测量机整体设计方案 3.1 设计要求 在绘制产品总装图和部件装配图时要注意设计的科学性和条理性。设计一 个部件，其过程大致如下：首先，确定末端执行件的概略形状尺寸，然后，设 计末端执行件与其相临的下一个功能部件的结合的形式与概率尺寸。若为运动 导轨结合部，则执行件一测相当于滑台，相临部件一测相当于滑座，考虑导轨 精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。根据导轨结合部的设计结果和该运动的 行程，直到基础支撑件。 在设计中，处处从实际出发分析和处理问题是至关重要的。从大处讲，联 系实际是指对工艺可能性的分析，在参数拟订和方案确定中，既要了解当今的 先进生产水平和可能趋势，更应了解我国的实际生产水平，使设计的机器能发 挥最佳的效果。从小处讲，指对设计的机械零部件的制造工艺、装配和维修要 进行认真的切实际的考虑和分析。学会使用设计手册，对推荐的设计数据和各 类标准要结合实际情况取舍。通过设计实践，了解和掌握结合实际、综合思考 的设计方法。 3.2 光学三维测量机的基本结构分析 1， 主机机械系统（x、y、z 三轴或其它）； 2， 测头系统； 3， 电气控制硬件系统； 4， 数据处理软件系统（测量软件）； 3.2.1 设计任务和内容 设计任务定位在光学三维测量机机械结构及运动控制系统设计，其中机械 部分的设计包括底座设计，主要承担运动功能。设备部件易拆易装，方便带至测 量现场，不受地域的限制；其次是滑道的设计，包括限位手柄、整体结构的设计， 主要使测量机的扫描头可以实现 y 轴、z 轴、绕 z 轴旋转的运动功能，扩大 其测量范围。最后是测量机扫描头的设计，包括内部结构设计，主要是光栅电 动平移台的设计；第二，控制系统设计。 3.2.2 总体设计法案的拟定 方案拟订为测量机机械结构和控制系统的设计，其中主要是测量机的整体 结构定型；扫描头沿 y、z 轴的运动，绕 z 轴的旋转系统设计；底座支撑设计； 扫描头设计。plc 控制系统设计。 3.2.3 光学三维测量机机械部分设计 测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计，可分为创新设计、变 形设计、和组合设计三大类型，设计的过程随设计类型而不同，其中创新设计 的过程最典型，可分为产品规划阶段、方案设计、技术设计和施工设计四个阶 段。产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上 识别产品需求，进行可行性分析，制定设计技术任务书。 初步设计方案具体化，技术设计阶段是将方案设计阶段拟订的初步设计方 案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计；进行结构设计；通过 技术经济分析，选择较优的设计方案。 （1）确定结构原理放案 根据初步设计方案，再充分理解原理的基础上，确定结构原理方案。其中 包括决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据等，决定 和限制结构设计的空间条件， 。在上述的依据约束下，对主要功能结构进行构 思，初步确定其材料和形状，进行粗略的结构设计。 （2）总体设计 总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化。总体设计的内容大 致包括主要结构参数、总体布局、系统原理图、其它。 （3）结构设计 结构设计阶段的主要任务是在总体设计的基础上，对结构原理方案结构化， 绘制产品总装图；提出初步的零件表及装配说明书。进行结构设计时，必须遵 守有关标准规范，充分考虑人机工程、外观造型、结构可靠和耐用性、加工和 装配工艺性等。光学三维测量机的结构草图如下： 图 3-1 光学三维测量机 3.2.4 控制部分设计 光学三维测量机系统的控制部分采用 plc 控制。 本书以 s7-200 系列 plc 为目标机型，介绍西门子 plc 的特点，为今后更 好地学习和掌握 s7-300/400 打下基础。s7-200 系列 plc 作为西门子 simatic plc 家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各 个领域得到广泛的应用。 1.s7-200 系列 plc 的基本硬件组成 s7-200 系列 plc 可提供 4 种不同的基 本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、 存储卡、写入器、文本显示器等。 （1）基本单元 s7-200 系列 plc 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 cpu 供选择使用， 其输入输出点数的分配见表 3-1： 表 3-1 s7-200 系列 plc 中 cpu22x 的基本单元 型 号输入点输出点可带扩展模块数 s7-200cpu22164 s7-200cpu22286 2 个扩展模块，78 路数字量 i/o 点或 10 路 模拟量 i/o 点 s7-200cpu2241410 7 个扩展模块，168 路数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o 点 s7-200cpu2262416 2 个扩展模块，248 路数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o 点 s7- 200cpu226xm 2416 2 个扩展模块，48 路数字量 i/o 点或 35 路 模拟量 i/o 点 （2）.扩展单元 s7-200 系列 plc 主要有 6 种扩展单元，它本身没有 cpu，只能与基本单元 相连接使用，用于扩展 i/o 点数，s7-200 系列 plc 扩展单元型号及输入输出 点数的分配如表 3-2 所示。 表 3-2 s7-200 系列 plc 扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号输入点输出点 em2218无 em222无8数字量扩展模块 em2234/8/164/8/16 em2313无 em232无2模拟量扩展模块 em23531 （3）.编程器 plc 在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、 存储和管理等，并将用户程序送入 plc 中，在调试过程中，进行监控和故障检 测。s7-200 系列 plc 可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程 及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能 型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接 采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，s7-200 系列 plc 的专用编程软件为 step7-micro/win。 （4）程序存储卡 为了保证程序及重要参数的安全，一般小型 plc 设有外接 eeprom 卡盒接 口，通过该接口可以将卡盒的内容写入 plc，也可将 plc 内的程序及重要参数 传到外接 eeprom 卡盒内作为备份。程序存储卡 eeprom 有 6es 7291-8gc00- 0xa0 和 6es 7291-8gd00-0xa0 两种，程序容量分别为 8k 和 16k 程序步。 （5）.写入器 写入器的功能是实现 plc 和 eprom 之间的程序传送，是将 plc 中 ram 区的 程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将 plc 中程序存储卡中的程序通过写 入器传送到 ram 区。 （6） 文本显示器 文本显示器 td200 不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为 控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显 示用选择/确认的方法，最多可显示 80 条信息，每条信息最多 4 个变量的状态。 过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。td200 面板上的 8 个可编程序 的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可 以进行参数设置和诊断。 2. s7-200 系列 plc 的主要技术性能 下面以 s7-200 cpu224 为例说明 s7 系列 plc 的主要技术性能。 （1）一般性能，s7-200 cpu224 的一般性能如表 3-3 所示。 表 3-3 s7-200 cpu224 一般性能 电源电压dc 24v，ac 100230v 电源电压波动dc 20.4-28.8v，ac 84-264v（47-63hz） 环境温度、湿度水平安装 0550c，垂直安装 0450c，595% 大气压8601080hpa 保护等级ip20 到 iec529 输出给传感器的电压dc 24v （20.4-28.8v） 输出给传感器的电流280ma，电子式短路保护（600ma） 为扩展模块提供的输出电660ma 流 程序存储器8k 字节/典型值为 2.6k 条指令 数据存储器2.5k 字 存储器子模块1 个可插入的存储器子模块 数据后备 整个 bd1 在 eeprom 中无需维护。在 ram 中当前的 db1 标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维 持，后备时间 190h（400c 时 120h），插入电池后备 200 天 编程语言lad，fbd，stl 程序结构一个主程序块（可以包括子程序） 程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms） 子程序级8 级 用户程序保护3 级口令保护 指令集逻辑运算、应用功能 位操作执行时间0.37s 扫描时间监控300ms（可重启动） 内部标志位256，可保持：eeprom 中 0112 计数器0256，可保持：256，6 个高速计数器 定时器 可保持：256， 4 个定时器，1ms30s 16 个定时器，10ms5min 236 个定时器，100ms54min 接口一个 rs485 通信接口 可连接的编程器/pcpg740pii，pg760pii，pc（at） 本机 i/o 数字量输入：14，其中 4 个可用作硬件中断，14 个用于高速功能 数字量输出：10，其中 2 个可用作本机功能， 模拟电位器：2 个 可连接的 i/o 数字量输入/输出：最多 94/74 模拟量输入/输出：最多 28/7（或 14） as 接口输入/输出：496 最多可接扩展模块7 个 （2）输入特性 s7-200 cpu224 的输入特性如表 3-4 所示。 表 3-4 s7-200 cpu224 输入特性 类型源型或汇型 输入电压 dc 24v，“1 信号”：14-35a，“0 信号”：0- 5a， 隔离光耦隔离，6 点和 8 点 输入电流“1 信号”：最大 4ma 输入延迟（额定输入电压） 所有标准输入：全部 0.2-12.8ms（可调节） 中断输入：（i0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节） 高速计数器：（i0.0-0.5）最大 30khz （3）输出特性，s7-200 cpu224 输出特性如表 3-5 所示。 表 3-5 s7-200 cpu224 的输出特性 类型晶体管输出型继电器输出型 额定负载电压dc 24v（20.4-28.8v） dc 24v（4-30v） ac24-230v（20-250v） 输出电压“1 信号”：最小 dc 20vl+/l- 隔离光耦隔离，5 点继电器隔离，3 点和 4 点 最大输出电流“1 信号”：0.75a“1 信号”：2a 最小输出电流“0 信号”：10sa“0 信号”：0ma 输出开关容量 阻性负载：0.75a 灯负载：5w 阻性负载：2a 灯负载：dc30w，ac200w s7-200 系列 plc 是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展 功能、扩大控制能力的目的。目前 s7-200 主要有三大类扩展模块。 （1）输入/输出扩展模块 s7-200 cpu 上已经集成了一定数量的数字量 i/o 点，但如用户需要多于 cpu 单元 i/o 点时，必须对系统做必要的扩展。 cpu221 无 i/o 扩展能力，cpu 222 最多可连接 2 个扩展模块（数字量或模拟量） ，而 cpu224 和 cpu226 最多可连接 7 个扩展模块。 s7-200 plc 系列目前总共提供共 5 大类扩展模块：数字量输入扩展板 em221（8 路扩展输入）；数字量输出扩展板 em222（8 路扩展输出）；数字量 输入和输出混合扩展板 em223（8i/o，16i/o，32i/o）；模拟量输入扩展板 em231，每个 em231 可扩展 3 路模拟量输入通道，a/d 转换时间为 25s，12 位；模拟量输入和输出混合扩展模板 em235，每个 em235 可同时扩展 3 路模拟 输入和 1 路模拟量输出通道，其中 a/d 转换时间为 25s，d/a 转换时间 100s，位数均为 12 位。 基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧 的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5vdc 工作电源，此电源由基本单 元通过总线连接器提供，扩展单元的 24vdc 输入点和输出点电源，可由基本单 元的 24vdc 电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。 （2）热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（em231）是为 cpu222，cpu224，cpu226 设计的，s7-200 与多种热电偶、热电阻的连接备有 隔离接口。用户通过模块上的 dip 开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方 式，测量单位和开路故障的方向。 （3）通讯扩展模块 除了 cpu 集成通讯口外，s7-200 还可以通过通讯扩 展模块连接成更大的网络。s7-200 系列目前有两种通讯扩展模块：profibus- dp 扩展从站模块（em277）和 as-i 接口扩展模块（cp243-2）。 s7-200 系列 plc 输入/输出扩展模块的主要技术性能如表 3-6 所示。 表 3-6 s7-200 系列 plc 输入/输出扩展模块的主要技术性能 类型数字量扩展模块模拟量扩展模块 型号em21em222em223em231em232em235 输入点8无4/8/163无3 输出点无84/8/16无21 隔离组点数824无无无 输入电压c24v dc24 v 输出电压 dc24v 或 ac24-230v dc24v 或 ac24-230v a/d 转换时间 250s 250s 分辨率 12bita/d 转换 电流 12bit 电流 11bit 12bit a/d 转换 本文主要是扫描仪中光栅电动平移台的控制如图 3-1 所示： 图图 3-13-1 plcplc 控制接线图控制接线图 3.3 主要参数的设定 此处省略 nn nnnnnn nnn n 字 5.45.4 丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度 丝杠的扭转刚度： 由机械设计手册得平移物体的转动惯量为： 丝杠的转动惯量为 丝杠扭转振动的固有频率为： 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远远大于 1500r/min，所以，能满足要求。 5.55.5 传动精度计算传动精度计算 丝杠的拉压刚度： 由以上的各条件可知最小机械传动刚度为： 最大机械传动刚度： rnm l d k m t / 4 . 20070 1000 40 84. 784 . 7 44 232 .1058 . 0 ) 2 01 . 0 ( 81 . 9 136.2232 mkgj 23 .1045 . 0 mkgjs srad j jj k s zw t t /4748 10) 3 45. 0 16. 058. 0( 4 . 20070 3 3 l ed ks 4 2 mn kkk k bcs /121 1080/11692/1 4 . 148/1 1 /1/1/1 1 min min0 因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为 其中，f0 为空载时导轨的静摩擦力 5.6 本章总结 本章主要介绍了电动机的相关内容，丝杠的相关设计计算。 mn kkk k bcsman man /455 1080/11692/11652/1 1 /1/1/1 1 0 m kk f q k 12 . 0 ) 455 1 _ 121 1 (20) 1 _ 1 ( max0min 0 第六章第六章 总结与展望总结与展望 6.16.1 全文总结 本次设计主要是光学三维测量机机械结构及其控制系统设计，根据设计要 求，便携式设计：设备部件易拆易装，方便带至测量现场；可以实现横向、纵向的任意 调动；利用步进电机带动光栅进行测量；工作的内容总结如下： 一、绪论主要阐述逆向工程的概念，三维光学测量机在逆向工程中的作用 以及它的应用与发展，本次设计的目的及其重大意义。 二、介绍三维光学测量机系统的测量原理，测量机的特点，然后详细介绍 了控制系统的原理。 三、主要介绍三维光学测量机的整体设计法案。 四、主要描述机械部分的设计和一些硬件件的选择，对相应的硬件进行详 细的介绍。 1、绘制整体结构草图。 2、底座、框架的设计。 4、电动平移台的结构设计。 5、扫描仪硬件的选择及一些硬件的详细介绍。 五、介绍测量机的相关设计计算。 6.2 展望 人们经常需要快速的获得物体表面的立体信息，将其转变为计算机能直接 处理的信息。三维光学扫测量机这一装置将在许多领域可以发挥重要作用。 一、工业制造业 三维光学测量系统提供了一种快速无接触的快速方法，能快速测量物体的 立 体尺寸，可用于工业零件快速在线测量、仿制、快速制造系统、对特殊物体的 测量等。 二、影视娱乐业 随着计算机图形图像技术的飞速发展，计算机影视特技技术越来越广泛地 应用于影视、广告业，达到了过去无法想想的特技效果，已经成为高质量影视、 广告制作不可缺少的手段。要在计算机上完成三维动画，必须要有三维模型数 据，这时就可以用三维扫描系统将演员、道具、模型等的表面空间数据输入计 算机系统中。 三、文物保护 三维光学测量系统能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息、纹理、 便于长期保存、再现，给文物复制带来了很大的便利。 四、艺术 把该系统和数控雕刻机相结合，可以很方便地雕像。只要对对象进行一次 扫描，就能获得其表面的每个点的坐标数据，将数据送入数控雕刻机，很快就 能雕刻出逼真的雕像。 五、医学、整形、美容 能快速测量人体各个部分，宝库奥牙齿、面部、肢体等的尺寸，对美容、 矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用。 六、服装 现在随着人民生活水平的提高，人们开始追求个性化服装设计，三维光学 测量系统可以快速地获得人体所有尺寸，输入计算机，与服装 cad 结合，按照 每个人的模型进行服装设计，还可以直接在计算机上看到服装设计效果，并且 可以进行二次设计。 七、学术研究 随着技术的发展，图形图像科技工作者的研究逐渐从二维进入三维，三维 光学测量系统可以给他们提供迅速获取三维图像数据的手段，为三维物体识别 的研究提供方便。 致谢致谢 半学期的毕业设计即将结束，我们的毕业设计也已经到了尾声阶段，论文 的完成标志着四年的本科学习即将结束，也意味着，新的生活即将开始。在进 行毕业设计的半年里，我学到了很多知识，同时也得到了很多经验，给我即将 结束的大学生活留下了很多值得回忆的经历，也给了我许多日后可以借鉴的丰 富经验。 这篇论文的题目涉及到的领域是现今最流行的技术逆向工程技术，这 是我今后的发展方向，我对在毕业之前就能接触并深入了解这一科目而感到庆 幸，因此我在这里要特别感谢我的指导教师程俊廷老师。 衷心感谢程俊廷老师在这近半年的时间来对我的指导和教诲。您开阔的思 维、敏锐的洞察力一直给我很大的启发。程老师广博的学识、严谨务实的工作 作风、勇于开拓创新的精神无不激励着学生奋发向上、勇往直前。老师不仅在 学生的学习、工作上给予热情的指导，在生活也给了无微不至的关怀。学生在 学习上所取得的每一点进步和成绩无不浸透着老师的心血。在论文完成之际， 谨向程老师致以最衷心的感谢。唯一的遗憾是自己不够主动，错过了许多与您 交流的机会。 感谢伏立老师在设计过程中对我的帮助。 同时还要对班级同学在毕业设计期间给予我的无私帮助，再次表示感谢。 毕业设计将给我四年的学习生活画上圆满的句号，这是我人生一个最重要 的阶段，也是我最重要的人生经历。它预示我新生活的开始，我将会更珍惜以 后的每一个人生阶段，因为每一段人生经历都将影响着我的生活，导