（测试计量技术及仪器专业论文）擒纵轮半自动视觉检测仪数控系统的研制.pdf

摘要 擒纵轮半自动视觉检测仪是我课题组为“天津海鸥表业集团有限公司”研制 开发的一款针对手表擒纵轮零件的检测设备，主要用于对机械手表机芯中擒纵轮 零件的几何尺寸进行视觉检测，判定被测零件的合格性。项目中，“海鸥表业” 提出了高检测精度和高检测效率的要求。 要实现擒纵轮的半自动检测，需要数控系统驱动承载着图像采集系统的二维 移动工作台做精确定位运动。这对数控系统的设计和机械结构的设计加工提出了 较高要求。本课题针对这一需求进行了如下工作： 1 设计了擒纵轮半自动视觉检测仪总体方案。通过现场观摩检测人员对擒 纵轮进行检测，最大限度的使检测仪适应操作者的操作习惯。尽可能降 低检测人员的劳动强度。 2 研究数控系统的组成，对比了几种控制系统的优缺点，进行了硬件选型。 选取了合适的控制器件，驱动器件和反馈器件，并对机械进给装置进行 了设计和载荷校验。 3 搭建了完整的数控系统，设计编写了p l c 控制程序并设计了功能模块。 实现了对工作台的控制功能和与上位机的通讯功能。 4 使用双频激光干涉仪对二维移动工作台的定位精度和重复定位精度等指 标进行了检验，分析了误差产生的原因。通过修改p l c 程序不断校正工 作台的定位精度，最终实现了较高的定位精度和重复性精度。 关键词：数控伺服系统二维移动工作台p l c 定位精度擒纵轮 a b s t r a c t t h ei n s p e c t i n ga n dm e a s u r i n gs e m i a u t o m a t i ci n s t r u m e n tb a s e do nm a c h i n e v i s i o ni sd e v e l o p e df o rt i a n j i ns e a g u l lc o ，l t d i t su s e dg e ts o m ed i m e n s i o n so ft h e w a t c h e s e s c a p e m e n tw i t hh i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es e m i a u t o m a t i ci n s p e c t i n gr e q u i r e st h ep r e c i s e p o s i t i o n i n go f t h ei m a g ec o l l e c t i n gs y s t e mo nt h et w od i m e n s i o n a lm o v i n gw o r k b e n c h d r i v e nb yt h ec n cs y s t e m t h ep r e c i s ep o s i t i o n i n gh a ss t r i c tr e q u i r e m e n to nt h e d e s i g n i n go fc n cs y s t e ma n dm a n u f a c t u r eo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e rb a s e do nt h i sr e q u i r e m e n ti sa sf o l l o w s ： d e s i g n st h eg e n e r a ls c h e m eo ft h ei n s p e c t i n g a n dm e a s u r i n gs e m i a u t o m a t i c i n s t r u m e n t a d a p t st ot h eo p e r a t i o nh a b i t sa n d r e d u c el a b o ri n t e n s i t yo ft h ew o r k e r s s t u d i e st h ec o m p o s i t i o no ft h ec n cs y s t e m ，c o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fs e v e r a ls y s t e m sa n df i n a l l yd e t e r m i n e st h ec o m p o s i t i o na n dt h e w o r k i n gm o d eo ft h ec n cs y s t e m c h o o s e st h ec o n t r o ld e v i c e ，d r i v i n gd e v i c ea n d f e e d b a c kd e v i c e d e s i g n sa n dc a l c u l a t et h el o a do ft h em e c h a n i c a lf e e d i n gd e v i c e s c o n s t r u c t st h e c o m p l e t e c n cs y s t e m c o m p i l e st h ep l cp r o g r a ma n d a c c o m p l i s h e st h ec o n t r o lf u n c t i o n sa n d t h ec o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rc o m p u t e r c h e c k st h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dt h er e p e t i t i v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h e t w od i m e n s i o n a lm o v i n gw o r k b e n c hb yd u a l f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e r a n a l y z e s t h ep o s i t i o n i n ge r r o ra n dc o r r e c t st h ee r r o rb ym o d i f y i n gt h ep l cp r o g r a m f i n a l l y a c h i e v e sah i g ha c c u r a t ep o s i t i o n i n g k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ，t w od i m e n s i o n a lm o v i n gw o r k b e n c h ，p l c ， p o s i t i o n i n ga c c u r a c y , e s c a p e m e n ta c c e s s o r y 独创性声明 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岁f ：作和取得的 研究成果，除了文巾特制加以标 丰和致谢之处外，论文中不包召岁、他人已经发表 或撰写过【勺研究成果，也不包含为获得丞盗盘堂或其他教育机构的学位或汪 托而使用过酌材料：与我二同工作的同志对本研究所做的任何贡献均l 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 阔权 签字日期： 矿f 罗年夕月步日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向同家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 闫积 导师签名： 签字日期：矽汐罗年甲月广日 签字日期： 沙a 汐产罗月乡日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 擒纵轮半自动视觉检测系统背景和意义 擒纵轮是擒纵机构巾的个组成部分，是机械钟表中介于“传动机构f 一轮 至四轮) ”和“调速机构( 摆轮游丝) ”之间的一种机械结构，整个擒纵机构由擒纵 轮、擒纵叉及游丝摆轮组成擒纵轮走时轮系中最后一个肯轮，足控制芨条动力 释放的重要齿轮。根据调速机构额定的周期来控制擒纵轮的转动速度，使它在每 一周期内转过一齿。冈此传动机构中的齿轮也就相应地保持一定的速度防止主 发条快速松开。擒纵轮根据调速机构的振荡周期，能够控制自身的运转速度，从 而使传动机构的齿轮保持一定的转速，达到准确计算剐问的同的l l l 。因此擒纵轮 的加工制造精度对于机械手表的计时精度有决定性作用。 蕊 稼穆 圈l - i 擒纵轮 现阶段我国手表生产企业对于擒纵轮的榆测主要是依靠投影仪配合的人工 目测。将擒纵轮放置在投影仪上将放大的像投影到标准模板与模板上的标准轮廓 进行对比，由检测人员对其进行评定。这种检测方沾带来的问题是检测结果受到 检测者能力和经验等主观囡素影响，很难对擒纵轮这种高精度微型零件进行准 确、客观的评价。并且检测者劳动量较大，检测速度较慢，对于这利- 生产批量大 的工件难以实现全检。 第一章绪论 图1 - 2 检测工人操纵投影仪桅铡擒纵轮 为了满足天津海鸥表业集团对擒纵轮进行高精度、高效率检测的要求，我们 将计算机视觉检测技术引入手表擒纵轮的检测中，设计了擒纵轮半自动视觉检测 仪。 1 2 数控系统发展概况 装备制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是 当今先进制造技术和装备蛀核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技 术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力，口l 国外对于数控机床的研究状况及发展历程如下： 1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数拄机床。从此，传统机床 发生了质的变化。数控技术儿当初的电子管起步，经历了以下几个发展阶段： 分立式晶体管式、小规模集成电路式、大规模集成电路式、小型计算机式、 超大规模集成电路式、微机式数控系统。到8 0 年代，总体发展趋势是：数控装 置由n c 向c n c 发展：广泛采用3 2 位c p u 组成的微处理器系统：提高系统 的集成度缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同 类型数控机床的需求：驱动装置向交流、数字化方向发展；c n c 装置向人工智 能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强的通信功能；数控系统可靠性不 断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便可 靠性越来越高，性能价格比越来越高口】。 目前，国际数控机床的三人特点是： 1 利用二进制数学方式输 加工过程可任意编程，主轴披进给速度可按 加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，叫加工复杂曲面。对于加工对象具 自易变、多变、善变的特点。换批调整方便，可实现杂件多品种中小批柔性生 产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵需要正确分析其使用的经 济合理性。 第一章绪论 2 利用硬件与软件相结合，能实现信息反馈补偿、自动和减速等功能，可 进一步提高机床的加工精度、效率和自动化程度。 3 以电- 了控制为主的机电一体化机床充分发挥了微电子和计算机技术特有 的优点，易于实现信息化、智能化、网络化可较容易地组成各种先进制造系 统，如f m s 、f t l 、f a ，甚至将来的c i m s ，能最大限度地提高工业生产率、 劳动生产率4 1 。 目前，随着我国经济的高速发展，带来数控行业的空前繁荣，成为拉动中国 制造业发展的动力。特别是我国加入w t o 之后，已被世界公认将成为世界的制 造加工基地。制造业的工作母机是数控机床，但其核心技术和产品“伺服电 机及其控制系统与上位计算机控制系统”与国外相比差距很大【5 】。我国的数控系 统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭式开环控 制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式过渡的关键时期。【6 】 1 3 本课题的关键技术 数控技术的核心在于控制的速度和精度，一般的数控系统很难兼顾两者，往 往在要求高精度的同时牺牲了速度，或为了达到高速度而放弃高精度要求。本课 题所要设计的数控系统，期望能在速度与精度之间达到一个平衡，即在系统允许 的定位时间内，实现较高的定位精度。同时，力求以低成本代价，实现所要求的 定位精度。 1 定位精度：所谓数控系统定位精度，是指系统各坐标轴在数控装置控制 下运动所能达到的位置精度，又可以理解为系统的运动精度。与普通机床由手 动进给，定位精度主要决定于读数误差不同，数控系统的移动是靠数字程序指 令实现的，故定位精度决定于数控系统和机械传动误差。作为一种精密系统， 数控系统各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的。因此，定位精度是 一项很重要的检测内科7 】。在本课题中所测量工件尺寸( 6 3 r a m 6 3 m m ) 与c c d 相机的视场尺寸( 6 9 m m 6 9 m m ) 非常接近，工作台在移动过程中产生的累积 误差一旦超过工件与视场边界的距离，被测工件就会偏离出视场使计算机无法 提取完整的工件轮廓图像。要实现高精度的检测就要求检测系统与工件之间实 现精确定位。这就要求工作台必须有很高的加工精度，控制系统也必须能够操 控工作台实现精确定位。 2 检测速度：在实际生产中，擒纵轮是大批量产品，因此就要求有很高的 检测效率。而在高速度下实现高精度检测则是更大的挑战，这就要求在移动工 作台定位、图像采集、图像处理和通讯等环节上都要提高速度，这给程序的编 第一章绪论 写和检测仪的总体设计增加了难度。 3 通讯问题：检测仪在工作过程中要频繁进行大量的数据通讯，这就对通 讯程序的可靠性和通讯速度提出了很高的要求。由于检测仪将用于工业现场， 存在很大的噪音和布线干扰，通讯错误将会导致系统不可预知的后果，因此通 讯的准确性必须得到保证。 1 4 本课题研究内容 手表中的擒纵轮，因规格不同，其尺寸在巾4 m m 巾6 5 m m 之间，年产总量 在百万量级，尺寸复杂，精度要求高，许多品种要求逐片检测。目前的检测方法 为，借助投影仪与投影模板，人工目测比对。受检测效率限制，只能实现一定比 例的抽验监控。目测环境属于半暗房操作，劳动条件差，容易目视疲劳，检测质 量受人为影响较大。 为了解决手表擒纵轮检测中存在的问题，提出本项目擒纵轮的半自动检 测仪，委托天津大学研制基于视觉检测技术的半自动检测装置，实现擒纵轮的快 速半自动检测，为改善检测质量创造条件。 应该达到的技术指标和参数如下【8 】： 1 适应擒纵轮尺寸范围：巾4 m m 巾6 5 m m 2 检测速率：8 片分钟 3 测量分辨力：0 0 0 3 m m 4 测量重复性误差： 0 o l m m 5 人工分组上料，整组实现自动检测，每组不少于5 0 件 针对合同中的要求，本课题的主要工作包括： 1 设计检测仪总体方案：确定半自动检测的实现方式，对不同的控制方案 进行讨论和对比；在对各种控制器件在本科题中应用的可行性和优缺点进行分 析后选取p l c 作为控制器件，以确保系统能够实现合同要求的检测速度和精度， 使系统尽可能的简单、可靠和易于维护；讨论并制定半自动检测仪的工作流程， 并根据检测者需要制定不同的工作模式以供选择。 2 数控系统的设计：对于数控系统闭环系统、开环系统和半闭环系统进行 研究对比，确定数控系统构成方式；对构成数控系统的部件进行研究和市场调 研，构建一个可靠的、实用的、经济的数控伺服系统。 3 设计并制造二维移动工作台：二维移动工作台的定位精度直接影响检测 的精度，因此要求课题所设计的二维移动工作台具有较高的定位精度和重复定 位精度，同时降低工作台在运行中垂直方向上的跳动来适应相机和镜头对于景 4 第一章绪论 深的要求，提高图像的采集质量。 4 控制系统p l c 程序的编写和调试：根据系统对于数控系统的功能要求， 实现系统的总体控制，不同检测模式之间的切换，二维移动工作台的控制，自 由口通讯设计，c r c 数据校验以及与计算机的通讯协议的制定。 5 通过实验验证二维移动工作台定位精度：工作台标定所需检验的参数包 括单向定位精度、双向定位精度、重复定位精度和反向差值。本课题将使用激 光干涉仪作为检测手段对课题所设计制造的二维移动工作台在运行过程中的位 置进行测量，通过计算得出以上参数。 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 本课题所设计的半自动检测仪将应用于工业现场中完成对大批量擒纵轮的 检测。因此在设计过程中首先要考虑到的是使用者的功能需求，以及在运行过程 中系统的可靠性与稳定性：其次就是在设计过程中要充分考虑到经济性，并使系 统尽可能的简单。 2 1 擒纵轮半自动检测仪系统总体方案设计 检测仪的整体设计必须充分考虑技术合同中对于检测精度和速度的要求、检 测者的操作习惯和劳动强度、设备的稳定性和经济性等因素，对检测仪的工作方 式、具体功能和结构作出合理的设计。 2 1 1 系统的构成 检测仪的系统构成方式是实现检测功能的基础，需要根据具体功能确定检测 仪所包含的组成部分。由于本课题所设计的检测仪是基于视觉检测原理的，并且 要进行半自动检测，因此需要进行图像的采集和处理、检测系统和工件之间相对 位移。因此本课题的检测系统主要由以下部分构成：图像采集系统、控制器件、 二维移动工作台、检测台、计算机。整个硬件系统框图如图2 1 所示。 待测 可调节载物台 图2 1 硬件系统框图 其中，图像采集系统负责对被枪测零件进行精确的轮廓图像获取，该系统主 6 第_ 章擒纵轮半自动检测仪总体设计 要包括了c c d 相机、远心镜头和图像采集卡；控制器对系统硬件的运行进行控 制，并与上位机进行通讯；二维移动工作台则负载c c d 相机和远心镜头进行精 确定位，依次对各个检测位置上的零件进行图像获取；计算机则对获取到的轮廓 图像进行处理后与标准模板进行对比，对零件的加工精度是否符合要求进行评 价，并向控制器发送指令指挥系统的运行。 2 1 2 设备整体方案设计 根据技术开发合同的要求以及课题组现有技术基础，在听取了甲方检测人员 的意见后，双方一致商定首先开发一台人工上料、卸料的半自动检测仪。主要原 因如下：首先，作为一个全新的课题，在设计过程中应该本着尽量使系统简洁的 原则，对检测仪在实际生产中进行充分验证后，再完善设备的各项功能；其次， 可以对第一台检测仪在使用过程中暴露的问题加以改进，也可以让操作者在使用 过程中对半自动检测方式的上下料及分选等操作过程的合理性做出评价，供课题 组在全自动检测仪的设计过程中作为参照。 在检测过程中，由于需要检测者进行上下料及分选工作，因此必须综合考虑 检测速度和检测人员劳动强度之间的矛盾，控制对6 0 个工件为一个检测周期进 行检测所需时间，使检测人员能够从容的完成上一批检测零件的分选和将下一批 零件装入检测模板的操作。在与多位甲方技术人员和检测人员进行多次沟通后， 确定了半自动检测仪的检测人员操作过程：由检测人员在上料台将工件装入带有 6 0 个( 6 1 0 阵列) 定位孔的模板中，然后置于被测位置进行检测，在检测过程 中同时对上一个检测周期中检测完的一组工件根据计算机显示的结果进行分选， 在分选完成后再把下一批需要检测的零件放入模板，等待本次检测过程结束。 在设备整体设计过程中，图像采集系统和被测工件的相对移动方式的确定关 系到能否采集到工件的精确轮廓尺寸图像。在设计阶段，有两种方式可供选择， 分别是移动工件和移动图像采集系统。采用移动工件的方式，符合机械设计中“轻 者动”的原则，应该是顺理成章的方案。但是，由于工件放置在检测模板上进行 图像采集，不能引入任何夹持装置来固定工件，工件的定位仅凭其与模板间的摩 擦力。这样在移动过程中无法保证工件不产生滑动而偏离出图像采集系统视场。 如果选择移动图像采集系统，首先，运动部分质量大于移动工件方案。另外，会 产生相机和镜头光轴与被测物体不垂直的问题。在拍摄测量的过程中，会引起图 像测得值与实际值的差异。例如拍摄测量一个正圆，如果拍摄系统的光轴与此正 圆不完全垂直，则这个正圆会被拍摄成为一个椭圆，各方向上的直径会有所差异。 另外，由于运动虚拟，f ，面与工件分布平面间误差角度的存在，会导致被测物体上 各点与拍摄系统之间的距离不尽相同。由于“工件不能遮挡”这一约束条件是需 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 无条件遵从的，因此我们选择了移动图像采集系统的方式实现工件的批量检测。 采用这种方式虽然会产生一定的误差，但是可以通过引入垂直度调整机构对测量 系统的光轴与被测物体之间的角度进行观察校正，最大限度的提高所采集图像的 精度。 2 2 控制方案的选择 在检测仪系统中，控制器件是数控系统的核心，承担着整个系统的控制任务， 并接收上位机发来的指令控制工作台进行精确定位，同时将信息反馈给上位机。 因此控制器件是整个系统中承上启下的部分，选择一个功能适用、性能稳定、价 格经济的控制器件对整个系统的稳定性和经济性都有重要作用。由于检测仪是对 一个1 0 xg 的工件阵列进行连续枪测，想要得到精确的工件轮廓尺寸图像并保证 检测的重复性，就需要对相机进行精确定位，保证在检测到每一行、每一列的最 后一个工件时的累积定位误差仍然在图像采集系统允许的范围内，这就对控制器 义提出了较高要求。 2 2 1 几种常见的控制器 在进行控制器选择的过程中，课题组对比并讨论了以下几种控制器件： 1 运动控制卡t 所谓运动控制卡，就是利用数字信号处理器d s p 为代表的高性能、高速微 处理器及大规模可编程逻辑器件f p g a 实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体 就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，根据运动控制的要求和传感 器件的信号，进行必要的逻辑、数字运算，为电机或其它动力和执行装置提供正 确的控制信号，以实现预定运动轨迹的装置，这些功能可以通过计算机方便地调 用。在进行复杂高精度运动轨迹控制的场合离不开运动控制卡，它以其特有的灵 活性和优异的运动轨迹控制能力越来越多地应用于机械、电子、纺织、印刷等诸 多行业【9 】。常见的运动控制卡结构如图2 2 。 第_ 二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 执行机构基于d s p 的运动控制卡 1a广 通总 翥i ( 发送脉冲 兰f 讯 ，1 j 卜线1 卜、 上位机 接 、r ， 接 巾j n 可 口口 - l 控r i i 腿，当且 k 出啦 l h 自口1 日7 w 图2 2 常见的运动控制卡结构 目前市场上应用比较广泛的运动控制卡主要有美国d e l t at a u 公司生产的 p m a c 系列、英国t r i o 公司生产的t r i o 系列以及国产的雷赛和研华等。 2 f p g a - - f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( 现场可编程逻辑门阵列) f p g a 是2 0 世纪9 0 年代出现的可编程逻辑器件。f p g a 将半定制的门阵列 电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性结合在一起，将大量的门电路集 成在一起，设计的电子产品体积小、集成度和可靠性高，具有用户可编程特性。 最大的优点是程序设计灵活、集成度高、数据处理速度快。使电路设计周期缩短， 费用和风险降低，许多电路功能设计仅需一块f p g a 芯片就可以完成，十分适合 小批量专用电路的设计开发【l o 】。 3 p l c - - p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( 可编程逻辑控制器) p l c 是传统继电器技术和现代计算机技术相结合的产物。在工业控制方面， p l c 具有继电器控制无可比拟的优点： ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强：在输入输出通道采用光电隔离，有效抑制外 部干扰对p l c 的影响，并采用滤波器等电路增强对电噪声、电源波动、震 动、电磁波等的干扰确保p l c 能在恶劣条件下稳定工作。 ( 2 ) 应用灵活，编程方便：采用与实际电路非常接近的梯形图方式编程，广 大电气技术人员非常熟悉，易于掌握和推广。可以根据应用的规模进行 容量、功能和应用范围的扩展，甚至可以通过与上位机的通信来扩展功 能并与外部设备进行数据交换。 ( 3 ) 功能完善，适用性强：将逻辑控制、过程控制和运动控制集于一体，可 以方便灵活的组合成各种不同规模和要求的工业控制系统。由于p l c 通信 功能的增强和人机界面技术的发展，使p l c 组成各种自动控制系统变得非 常容易。 ( 4 ) 易于安装、调试、维修：在安装时，由于i o 接口已经做好，因此可以直 接和外同设备相连，不再需要专用的接口电路。用户在设计过程中可以 在实验室进行模拟调试，调试完成后再进行生产现场联机调试，使控制 9 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 系统设计及建造周期缩短。另外，p l c 的模块化结构可以使维护人员很方 便的检查更换故障模块，当控制功能改变时能及时改变系统的结构和配 置】。 由于具备了以上优点，p l c 的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业 自动化的主要设备之一。 2 2 2 控制器件的选择 控制器件是构成数控系统的核心器件，在整个检测仪系统中，更是起着连接 图像处理系统和硬件系统的桥梁作用，因此选取一款实用的、功能稳定的、价格 合理的控制器件对整个系统的稳定性、经济性都有很重要的意义。 在本课题中控制器主要完成的任务首先是控制伺服电机驱动的二维移动工 作台移动，要求重复定位精度优于0 1 m m ；其次是与上位机进行数据通讯，将设 备的状态实时传递给上位机并接收上位机的指令控制系统运行。在对上述三种控 制器件进行了综合的对比和研究后，对各种控制器件构成的数控系统的优缺点进 行了分析。在充分明确了本课题所需数控系统的任务和功能之后，选取了合适的 控制器件对数控系统进行控制。 首先，运动控制卡作为现在运动轨迹控制方面最成熟和广泛应用的控制器 件，能够实现高精度的运动轨迹控制，所以课题组在经过市场调研后，将p m a c 系列运动控制卡作为备选方案之一。以p m a c 系列的c l i p p e r 基板为例，其主要 技术参数有： 1 8 0m h zd s p 5 6 3 0 3t u r b op m a cc p u ( 可选2 4 0 m h z ) ； 2 2 5 6 kx2 4 用户静态存储器； 3 1 mx8 闪存可用于用户备份和t u r b o 固件； 4 r s 2 3 2 串口，1 0 0m b p s 以太网口； 5 4 个轴通道，每个都具有1 2 位+ 1 0 v 模拟量输出、脉冲加方向输出、3 通道差分和单端编码器输入、5 个输入标志、2 个输出标志和i wt t l 级霍尔传感器输入； 6 p i d 陷波器前馈扩展自定义伺服算法复杂运动关系前瞻控制； 7 3 2 路通用t t l 级i o 点，方向可按字节( 8 位) 选择： 8 手轮接口有两套正交编码器通道和两套脉冲方向输出( 基板可控制6 轴) ； 9 o p t l 2 增加两路1 2 位的a d 输入和1 路可用于主轴控制的1 2 位d a 输 出( 手轮接口) ； l o 支持a c c 3 4 a ai o 扩展或m o d b u si o 扩展； 1 1 非线性丝杠螺矩误差补偿及反向间隙补偿功能。 l o 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 该运动控制卡完全能够满足本课题中对于运动控制的要求，具有较高的数据 处理速度和运动控制精度。但是单片p m a c 运动控制卡的市场价格在万元左右， 配合接口板和光栅后价格更高，违背了本课题用较低廉的成本实现较高精度运动 控制的初衷。 另外，鉴于当今很多主流运动控制卡都是以d s p 和f p g a 作为核心：一方 面可以发挥d s p 运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的优点，用d s p 作 为主处理器，实现复杂的运动控制算法：而f p g a 作为协处理器，实现整个系 统的地址译码、精插补运算、主机通信接口、电机驱动接口、编码器反馈信号处 理和各种i o 接口信号的处理【l2 1 。而在本课题中只需控制两轴运动，且运动轨 迹相对简单，只需对两轴的运动终点进行定位而无需考虑运动过程中两轴的相对 位置及工作台的运动轨迹，不存在两轴相互协调问题。因此不需引入复杂的运动 控制算法从而省略了d s p ，只使用f p g a 作为控制器就可以满足项目的运动控 制要求。 图2 - 3f p g a 运动控制系统原理图 以f p g a 为核心的运动控制系统可以实现本课题对于运动控制的要求，但是 在印刷电路板设计过程中一旦出现设计错误，将可能导致整块电路板的报废，这 不仅在经济上是一种浪费，更重要的是会影响项目的整体进度。另外，使用f p g a 控制外部设备所需设计的接口电路增加了系统的复杂程度，并且制作出的电路板 即使能够在实验室中正常运行，也未必能很好保证在工业现场嘈杂、电磁干扰严 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 重的恶劣工作条件下稳定的工作。 最终，课题组选择了p l c 作为本课题的运动控制器件。主要原因是p l c 虽 然数据处理速度较低，但是能够满足在简单运动控制过程中对于工作台位置的计 算要求；其两路高速脉冲输出功能可以直接驱动电机，i o 接口全部使用内部光 电耦合不必设计外部接口电路；p l c 具有很高的稳定性，能够克服现场的各种 干扰正常工作。p l c 具有的高稳定性、合理的功能配置、低廉的价格、同时兼有 其他控制功能并大大简化了整机控制系统，因而成为本课题理想的控制器件。 2 3p l c 控制系统设计 在选取了p l c 作为本项目所使用的控制器件后，就需要对p l c 的具体功能 进行了解，在确定了实际项目中对于p l c 的控制需求后，选取合适的p l c 。需 要对包括输入输出i o 点的个数，与上位机的通讯要求，处理速度和内部寄存器 资源等p l c 硬件资源进行了解，以选取满足本课题控制需求的p l c 。在检测过 程中，p l c 需要控制系统接受上位机指令，控制工作台做等步距的间歇运动，并 实时将位置信息反馈给上位机；在单步运行模式下，需要p l c 根据上位机指令 与当前工作台位置，计算出x 、y 方向所需行程，并控制工作台行进到目标位置。 针对以上控制需求，完成p l c 的选型、输入输出引脚分配和外部接线等工作。 2 3 1p l c i 均选型 根据系统总体的设计，我们确定了控制器的具体功能和控制对象的数量。该 检测仪需要p l c 向两个伺服电机发送频率在1 0 k 左右的脉冲信号，同时需要对 伺服系统输出控制信号并采集限位开关和伺服反馈信号。在通讯方面，由于p l c 只与上位机进行交换数据，凶此只需一个通讯口即可。 在本项目中，我们选用s i e m e n s 公司的s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c ，该系列 属于小型p l c ，可用于替代继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制 系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。 s 7 2 0 0 的可靠性高，可以用梯形图、语句表( 即指令表) 和功能图块三种语言 来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、 高速输出、p i d 控制器、r s 4 8 5 通信编程接口、p p i 通信协议、m p i 通信协议 和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到2 4 8 点数字量i o ，最多有3 0 多k b 程序和数据存储空间【l3 1 。该系列p l c 具体参数如图2 4 所示。 1 2 第_ 章擒纵轮半自动检测仪总体设计 特性 c p u2 2 1c p u 2 挖c p u 2 2 4c p u 趁4 pc p u2 2 6 _ ii _ 外形尺寸一m m ， 鲫8 0 x6 2x8 0 x6 21 2 05x8 0 6 21 4 0 x8 1 ) 6 21 9 0 8 1 , x6 2 程牟存储器 可在运行模式下编辑4 0 9 6 宇节 不可在运行模式下编4 0 9 谭节 辑 数据存镄区 掉电保持时间 率机1 o 数字萱 模拟蟹 扩展模块数量 ，高蘧计数嚣 单相 双相 脉冲输出fd c 模拟电位器 窟时时钟 4 0 9 6 宇节 4 0 9 6 字节 8 1 9 2 字节 12 2 8 8 - 字节 1 2 2 8 8 字节 1 6 3 8 4 字节 1 6 3 8 4 字节 2 4 5 7 6 - 字- 节 。”一”1 “h _ _ ，_ _ ，* - _ - _ 一r 一+ _ v _ 口- _ _ _ - - _ 2 0 4 8 字节2 0 柏宇节8 19 2 宇节伯2 4 嘞 10 2 4 0 字节 5 0 小时 6 入4 出 5 0 ，j 咐1 0 0 , j , 时 8 入，6 出1 4 入1 0 出 o 个模块2 争模块1 4 1 1 t 3 0 k h z 4 鼹3 0 k h z 2 a 2 0 k h z2 龉2 0 k h z 7 个骥块1 6 路3 0 k h z 4 路2 0 k h z ”。” _ 一q n _ _ 日一 2 路2 0 k h z2 路2 0 k h z2 路2 0 k h z “”。a 1 自_ _ - h * 一 11 2 7 一 t _ j ”口h - 目n # 。岫w 配时钟卡配时钟卡内嚣 通讯口 1 浮点数运算有 r s 一4 8 5 1 0 0 小时 1 4 人f 1 0 出 2 入，1 出 7 个模块1 4 路3 0k p i z 2 路2 0 0k h z 3 路2 0k h z 1 路1 0 0k h z 1 0 0 d , 时 2 4 入1 1 6 出 7 个模块1 6 瞎3 0 k h z 4 路2 0 k h z 2 1 瞎1 0 0k h z2 路2 0 k h z r 。4 22 内置内置 1 r s 一4 8 51r s 4 8 52只s 4 8 52只s 一4 8 5 i o 映歙区 2 5 6f1 2 8 & , 1 2 8 出 布尔指令执行速度：0 2 2 p s ，指令 图2 4s i e m e n ss 7 2 0 0 系列p l c 参数 c p u 2 2 4 型p l c 集成了1 4 入、1 0 出i o 通道，两路高速脉冲输出，一个r s 4 8 5 接口。在充分考虑了项目实际需要和经济性的前提下，保留了在日后的使用中进 行功能升级的空间，课题组决定使用c p u 2 2 4 晶体管型p l c 作为控制器。 2 3 2p l c 在本项目中的使用 p l c 控制两部伺服电机的i o 信号共有1 8 路，每部电机包括脉冲输出、电 机方向控制、计数器清零和警报解除4 路输出，伺服准备结束、伺服警报和定位 结束3 路输入，另外在x 、y 方向的工作台上各有2 个限位开关，因此总需8 路 输出和1 0 路输入i o ，管脚分配如图2 5 所示。 第_ 章擒纵轮半自动检测仪总体设计 图2 5p l c 的i o 引脚分配 p l c 不直接驱动大功率负载，不存在线圈在接通和关断瞬间产生较大电流对 晶体管造成影响的问题，因此所有i o 引脚均为直接与伺服电机相连。 2 3 3p l c 夕i 、吝f 5 接线 p l c 接线如下图所示： 图2 - 6 p l c 外部接线 图中各i o 口通过与伺服电机驱动电缆相连控制电机的运转，从而实现各功 1 4 y方向正限位x方向正限位 ，方向定位结束x方向定位结束 y 方向警报x 方向警报 第二章擒纵轮半自动检测仪总体设计 能。c o m o 口通过r s 4 8 5 r s 2 3 2 通讯电缆与计算相连进行数据交换，完成对系 统的控制。 第三章二维移动工作台的设计 第三章二维移动工作台的设计 在检测过程中，为了提高效率，在一个工作循环周期中要对6 1 0 的零件阵 列进行连续测量，这就需要频繁的将相机和工件进行相对位移。要提高系统对擒 纵轮零件的检测精度，就需要对相机进行精确定位。因此，本章设计了具有较高 定位精度的二维移动工作台来实现这一要求。要设计一台定位精确的工作台，首 先要从工作台的精度要求出发，选取合适的驱动器件、位置反馈器件和机械传动 装置，并在实验过程中不断调整各个器件，实现工作台的精确定位。 3 1 二维移动工作台的设计要求 在定位精度方面，由于本课题所设计的检测仪所要测量的擒纵轮尺寸共有四 种：0 4 5 8 竺0 1 2 、矽4 6 4 竺0 1 2 、0 4 8 4 5 ：o l 和矽6 3 5 0 l ：( 单位：毫米) ，选用镜头 和相机配合后的视场范围是6 9 m m 6 9 r a m ，相当于在工件两侧各有0 3 m l n 的 余量。也就是说在对相机进行定位的过程中，如果某一步的定位误差大于o 3 m m ， 那么相机将无法采集到完整的工件轮廓图像，更无法对其进行处理。而在一个工 作循环中，擒纵轮是以一个6 x1 0 的阵列方式排列的，工作台在一个方向上将会 连续进行1 0 次定位，也就是说每行最后一步的累计误差也不能大于0 3 m m 。但 是不让被测零件偏离市场范围只是对工作台的基本要求。对擒纵轮的检测主要是 对其外环上的齿进行检测，而对擒纵轮内环的尺寸不做检测，因此在图像采集系 统中，为了达到微米级的检测精度，课题组设计了一种针对擒纵轮检测的专用镜 头，其成像精度在距离镜头中心4 6 m m 的环带区域内最高。为了使图像采集系 统能够提取到更为精确的工件图像，需要保证在定位过程中，擒纵轮的齿位于镜 头的高精度环带内，这就要求工作台具有更高的定位精度。 综合上述原因，对工作台的初步要求是重复定位误差小于0 1 m m 。另外，为 了达到检测所需的精度，课题中所使用的是特殊的相机和镜头的组合，对于景深 有严格的限制，因此需要保证二维移动工作台在运行过程中尽可能减少在垂直方 向上的跳动。 在功能方面，要求维移动工作台能够实现以下几项功能： 1 x 、y 方向行程在1 0 c m 左右； 2 可实现测量范围内任意1 1 x m 矩阵的测量，可以方便的通过人机界面更 改检测矩阵； 第三章二维移动工作台的设计 3 可以在测量中的任意时刻移动到指定的任意工件位置； 4 运行速度可调，运行间歇时间可调； 5 具备位置标定功能。 3 2 数控伺服系统设计 本部分完成了对二维移动工作台数控伺服系统的设计，具体讨论了伺服系统 的组成和运行方式，并选择了合适的驱动器件和反馈器件，以确保工作台的运行 精度和速度能够满足实际工作中的要求。 3 2 1 数控伺服系统简介 在工作台的设计过程中，首先要确定的是工作台的伺服系统方案。伺服系统 是自动控制系统的一类，它是伴随控制论、微电子和电子电力等技术的应用而发 展起来的。在机械制造行业，伺服系统应用的最多最广泛。各种高性能机床运动 部件的速度控制、运动轨迹控制，都是依靠各种伺服系统来完成的。它们不仅能 完成转动控制、直线运动控制，而且能够依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的 空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。他们 可以完成的运动控制精度高、速度快，远非一般工人操作所能达到【1 4 】。 图3 1 伺服系统框图 数控伺服系统一般包括控制器件、驱动器件和测量反馈器件。 伺服系统的性能指标要求可以归纳为：定位精度要高、跟踪指令信号的响应 要快、系统的稳定性要好。 3 2 2 伺服系统分类 伺服系统按照其功能和用途分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原 第三章二维移动工作台的设计 理和有无位置反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分 为电液伺服控制系统和电气伺服控制系统。电气伺服控制系统又分为交流伺服驱 动系统和直流伺服驱动系统。 图3 - 2 全闭环系统原理图 闭环控制方式是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在的位置不 同，闭环系统又可分为半闭环系统和全闭环系统。全闭环系统的位置检测装置安 装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 i 工作台i 齿轮 tl 、j r 公乡乇_ 匮卜咂卜刮 口纯 图3 - 3 开环系统原理图 开环系统的定位精度一般在0 1 m m 0 2 m m 之间，它结构简单、工作可 靠、造价低廉，由于影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在， 故精度和快速性较差。 图3 4 半闭环系统原理图 1 8 第三章二维移动工作台的设计 半闭环系统有位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种，前者把丝杠 包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。半闭环系统的优缺 点介于全闭环系统和开环系统之间。 全闭环系统控制精度高( 定位精度可达0 0 0 1 r a m - - 0 0 0 3 m m ) 、快速性好， 但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决与驱动装置的结 构参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和摩擦系数等有 很大关系，故必须对机电部件的结构参数综合考虑才能满足系统的要求。因此全 闭环系统对机床的要求比较高，且造价较昂贵。 另外，为了提高开环系统和半闭环系统的精度，分别在原有系统上添加位置 检测装置。这里的位置检测不是用于位置的全反馈，而是作为位置误差的补偿反 馈。【1 5 】 根据系统对于定位精度的需求，一方面全闭环系统会增加系统的复杂程度和 造价，另一方面开环系统无法保证得到检测所需精度。因此我们使用半闭环系统 作为数控系统的组成方式，对电机的转速和转数进行检测，通过电机转数