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开放式组焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 摘要 我国汽车工业正面临着巨大的挑战，汽车大型覆盖件模具技术是车身制造技术 的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节。研制智能组焊机床 则是是模具自动化生产的重要一环。 本文阐述了该装嚣智能组焊机床的研制，详细介绍了其开放式结构的控制软件 系统，说明了n c 嵌入p c 型数控系统的开发方式及重点、难点，如运动控制卡d d a 工作原理、多线程技术、实时控制技术、数据库技术。在本文中，着重介绍了控制 系统中焊缝识别的步骤和关键算法，涉及数字图像处理技术中的多个方面，包括畸 变校正、图像拼接、边缘检测、直线提取等。本文实现并详细介绍了采用两次双线 性插值法进行图像畸变校正的算法，对多种边缘检测算法的特点和适用范围进行了 分析和比较，从中选取适合本项目的算法，提出并实现了基于特征像素点线段的匹 配算法、金字塔分层处理的接触匹配算法，用于快速地进行图像的拼接；基于金字 塔分层原理的接触匹配算法具有算法速度快，抗干扰能力强，无需知道图片的大概 重合位置等特点。对直线提取算法h o u g h 变换所存在的问题如线的连通性、断点的 检测、计算量大等问题提出了相应的改进算法。采用以上算法，本文依据拍摄的模 具图像对焊缝进行识别。并计算其坐标，根据实践检验，这是一种可行的方法。 在理论分析和研究的基础上，使用v i s u a lc h6 0 设计并实现了一个开放式的 智能焊接数控系统，能在人工辅助操作下进行半自动化的焊缝示教，并可通过图像 处理进行焊缝识别，自动批量地进行焊接，大大提高了生产率，成功应用于生产实 践。 关键词：开放式数控；智能组焊；焊缝识别；畸变校正；图像拼接；直线提取 硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n e s ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi sf a c i n gg r e a tc h a l l e n g e sn o w a d a y s ，t h et e c h n o l o g yo f a u t o m o b i l e g o o d s i z e m o u l d sm a n u f a c t u r e si sa ni m p o r t a n t p a r t o fa u t o m o b i l e b o d y m a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，i ta l s oi sak e yo ft h ea b i l i t yo fi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n ti n a u t o m o t i v ep r o d u c t i o n t od e v e l o p m e n tai n t e l l i g e n ta u t o m a t i cw e l d i n ge q u i p m e n ti sa i m p o r t a n tp a r to f m o u l d sa u t o m a t i cm a n u f a c t u r e s t h i s p a p e re x p l a i n s t h er e s e a r c ho n w e l d i n ge q u i p m e n t ，i n t r o d u c e so p e n a r c h i t e c t u r en u m e r i c a lc o n t r o ls o f t w a r e s y s t e m t o y o u ，a n a l y s e s t h em e t h o do f d e v e l o p m e n t t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h ed i f f i c u l t i e sa n d t h ee m p h a s e si nd e v e l o p m e n t o ft h ep ce m b e d d e d b yn c ，s u c h a st h ed d a o p e r a t i n gt h e o r e m o fm o d o nc o n t r o lc a r d 、 m u l t i t h r e a d e dt e c h n o l o g ya n dr e a l i z a t i o no fr e a l t i m ea n dd a t a b a s et e c h n o l o g y i tl i e sa e m p h a s i s o nt h es t e p sa n ds o m e k e ya l g o r i t h m sc o n c e m c dw i t hr e c o g n i t i o n o f w e l d i n g l i n e ，s u c ha sg e o m e t r i cc o r r e c t i o n 、i m a g em o s a i c 、s t r a i g h tl i n ee x t r a c t i o na n de d g e d e t e c t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e o m e t r i cc o r r e c t i o na l g o r i t h m ，w h i c hu s e sb i l i n e a r i n t e r p o l a t i o nt w i c e h a v ea n a l y z e dt h e i rc h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i l i t i e s ，w es e l e c tt h ef i t t e s t o n et ot h ep r o j e c ta m o n gt h es e v e r a lk i n d so fm e t h o d si ne d g ed e t e c t i o n t w om e t h o d s ， t h eo n ei san e wm a t c h i n ga l g o r i t h mb a s e do nf e a t u r ep i x e l l i n e ds e g m e n t ，t h eo t h e ri s c o n t a c t m a t c ha l g o r i t h mb a s e do nh i e r a r c h a ip y r a m i da r ep r e s e n t e d y o uc a nu t i l i z et h e m i nt h e i m a g em o s a i c a l g o r i t h mb a s e do np y r a m i dh a sac o a r s e - t o f i n ep r o c e s s f a s t s p e e d b e t t e ra n t i - j a m m i n ga n da v o i dk n o w i n ga p p r o x i m a t em a t c h i n ga r e aa r et h em a i n g o o df e a t u r e so ft h ea l g o r i t h m i nt h ea s p e c to fd e t e c t i o no ft h es t r a i g h tl i n e ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e s h o u g ht r a n s f o r m ，w h i c hh a s b e e na d v a n c e di ns o m eo ff o l l o w i n g a s p e c t c o m p a r e dw i t h i t s g e n e r a la l g o r i t h m ：t h ej u d g m e n t o ft h e c o n n e c t i v i t yo fl i n e ，t h e d e t e c t i o no fb r o k e np o i n t ，t h ec o m p l e x i t yo fa l g o r i t h m a c c o r d i n ga b o v ea l g o r i t h m w e e x t r a c tt h ew e l d i n gl i n e sf r o mi m a g ea n dc a l c u l a t et h e i rc o o r d i n a t e s ，i tw a sp r o v e da f e a s i b l ew a y o nt h eb a s eo ft h e o r ya n a l y s i sa n dr e s e a r c h ii m p l e m e n t e dao p e n e da r c h i t e c t u r e n u m e r i c a lc o n t r o l w e l d i n gs y s t e mu s i n gv i s u a l c + + w h i c hc a nd e t e c t w e l d i n gl i n e s a s s i s t e db yp e r s o no re x t r a c tw e l d i n gl i n e sf r o mi m a g e 。w ec a ni m p l e m e n tt a s ko fw e l d a u t o m a t i c a l l ya n db a t c h l y ，w h i c hl e a dt op r o m o t e t h ep r o d u c t i v i t ye f f e c t i v e l y ，s oi tw a s p u t t ou s ei ni n d u s t r y v 开放式组焊数控系统构研制及焊缝识别的数字图像处理研究 k e yw o r d s ：o p e n e da r c h i t e c t u r e n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ；i n t e l l i g e n t a u t o m a t i c w e l d i n g e q u i p m e n t ；r e c o g n i t i o n o f w e l d i n g l i n e ；g e o m e t r i c c o r r e c t i o n ；i m a g em o s a i c ；s t r a i g h t l i n ee x t r a c t i o n v i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：夕羔1 弓昂 日期：2 即擎年r 月fe l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：声飞厣 导师签名：i 固牛沈 日期：2 印毕年r 月日 日期：咖咄年广月? 日 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 目前我国汽车市场空前活跃、火爆。我国汽车工业、特别是轿车工业正处于新 一轮发展阶段。我国的汽车生产工艺不断提高，生产成本却有所下降，人们的汽车 消费热情高涨，加上销售价格下降，中国汽车市场出现产销两旺，专家预计今年我 国汽车产量将达到4 0 0 万辆。但我国汽车技术水平和国外相比还很薄弱，自主开发 能力低下，我国汽车仍是处在进口车配额限制和关税的双重保护下生存，2 0 0 5 年1 月1 日将取消进口车配额限制，关税也会不断降低，我国汽车工业正面临机遇和挑 战。且挑战远远大于机遇。 汽车大型覆盖件模具技术是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主 开发能力的一个关键环节。近年来国内几大汽车模具厂由于采用了国际上先进的 模具加工设备、制造技术和软件在不同程度上实现了c a d c a e c a m 一体 化，使汽车模具的设计开发和制造能力有了较大的提高，有效地缩短了摸具的生产 周期。但是，在自主设计、开发和制造汽车的整套大中型覆盖件模具方面，我国同 国外先进水平相比，还有较大的差距。可以说汽车大型覆盖件模其已成为汽车自主 开发能力的关键。为了提高我国汽车技术和产品的自主开发能力，必须大力发展汽 车覆盖件模具设计制造技术。 1 2 课题介绍 我院钟志华教授承担了国家“十五”科技攻关项目：智能化、模块化模具快速 制造工艺与装备技术。该课题瞄准汽车工业发展所需的关键技术汽车车身冲压成 型的工艺和摸具技术，以突出在新产品开发中缩短模具设计制造周期、提高产品质 量和降低成本为重点目标来进行大型汽车覆盖件模具的快速设计制造技术研究。 研制智能组焊机床是上述科技攻关项目的一个重要子课题，是模具自动化生产 的重要一环。一套模块化模具需要焊接的接头愈千条，焊接任务比较繁重，焊接质 量要求较高，模具有些部分的型腔深且小。一个典型的模具型腔尺寸为2 5 0 x 2 5 0 x 7 6 0 ，人工很难或根本不可能进行焊接。 为完成上述科研任务，有必要研制一台数控组焊机床，以便快速高效、高质高 量地完成自动化焊接任务。机械制造业早已经数控化，当前。随着计算机相关硬件 性能的不断提高和价格的下降，操作系统及软件开发工具的成热，网络技术的进 步。数控系统也由专用的封闭式系统转化到灵活的开放式系统。其开放性体现在： 开放式组焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 充分利用p c 机资源，将其功能集成到c n c 中去，即基于p c 的数控系统，我们采 用了n c 嵌入p c 型数控，是结合考虑了开发的方便性、开发周期、开发出的系统生 产批量等多个方丽。 开发的数控组焊机床是一个6 轴联动的系统，空间运动轨迹复杂，由6 轴运动 控制卡负责各个轴的运动控制，上位p c 机主要功能有：人机操作界面、加工显 示、运动轨迹和工艺参数的确定和优化、加工数据库的管理、焊缝的自动识别( 自 动示教) 、控制焊缝的实时跟踪，另还有一手工示教盒它作为下位机通过串行口 与上位工控机进行通讯，实现机床的手工操作。 下面介绍一些相关的知识及研究进展情况。 示教是指为使工业机器入( 或机械手) 完成规定的任务，在工作前由操作者把动 作顺序信息、动作速度信息、位置信息等用一定的方法预先教给工业机器人( 或机械 手) 的这种操作。现在主要有三种方式的示教：1 ) 全程示教由带动机器人按实际任 务操作一遍，计算机自动记录所有位置与姿态。2 ) 示教盒示教即由人通过示教盒 操纵机器人进行示教。3 ) 离线编程示教根据图样，在计算机上进行编程，然后输给 机器人控制器。无需现场示教。 国内一些大学和科研机构对焊缝识别进行了一些研究，如南昌大学的项安研究 了通过焊接温度场进行焊缝识别的应用，在焊接过程中用温度场传感器将温度场红 外热图像采集进来进行图像处理，根据实际测量出的温度场的非对称性得出焊缝偏 离的程度，同时可提取熔透等特征参数，以实现焊缝质量的动态跟踪。 华中理工大学的王秀媛等人对采用小波滤波去噪后的焊接图像采用符合实时性 要求的焊接图像处理方法，包括基于图像分割的焊缝图像分区法以及根据实际焊缝 图像的实际性质加以分析得出的基于c c d 扫描性质的焊缝边缘识别法。 以上焊缝识别方法，均是拍摄焊接过程中的图像。处理后以便于进行焊缝跟 踪。本文所从事的焊缝识别，则是在焊接之前，拍摄模具图像进行非实时的处理， 由模具图像提取焊缝信息，是用于替代一些示教功能的。 1 3 论文主要内容 我们研究的目的是为了开发适合焊接大型汽车覆盖件模具的数控机床。为了提 高数控智能组焊机床的自动化水平，需要进行焊缝的自动识别，要用到大量的数字 图像技术的知识和算法。数字图像处理是门年轻豹交叉学科。数字图像处理的研 究内容概括起来可包括如下几个方面：图像的数字化、图像的增强、图像恢复、图 像编码、图像重建和图像分析。由于计算杌硬件及用于图像数字化的设备成本的大 幅下降和新应用要求的涌现，在商业、工业、医学、军事等领域，对数字图像的研 究和应用持续增长。 具体在工业焊接上，数字图像处理可应用于焊缝识别、焊缝跟踪、焊接质量的 硕士学位论文 检测、机器入视觉等方面，以实现生产过程的自动化。 本项目拟采用图像识别方法获得焊缝坐标信息。通过摄像头和图像采集卡，生 成模架图像数据，送入计算机，计算机对模架图像进行处理变换，模式识别，提取 焊缝的坐标信息。 在论文中所阐述的是本人所做的一些主要工作： ( 1 ) 利用v i s u a lc + + 6 0 构建了一个结构清晰、功能完善、性能优良的开放式 数控软件系统，此系统采用数字图像技术进行焊缝的自动识别，根据示教的数据进 行分析、优化，自动控制机床的各项运动轨迹和动作进行焊接，使系统达到较高的 自动化和智能化，大大提高了模具焊接的生产效率。 ( 2 ) 利用数字图像处理技术实现了畸变图像的校正，系统采用的是两次双线性 插值进行畸变校正，第一次用双线性插值求得校正图像在畸变图像中的坐标值，第 二次用双线性插值求得此坐标点的灰度值，将此灰度值赋予校正图像的对应点，达 到校正的目的，实际效果较好。比较了图像边缘检测的各种算法的特点和性能，选 择并实现了有利于本项目的检测算法r o b e r t s 算法。 ( 3 ) 实现了数字图像的拼接过程，为了提高拼接算法的效率，本文采用了一种 基于特征象素点线段的查找方法，针对相邻照片重叠区域中特征变化较少的情况， 自动获取有效的特征象素点线段，进行自动匹配和拼接。针对基于特征象素点线段 的查找方法稳定性不强的缺点，本文又提出了另一种匹配算法：接触匹配算法，该 算法采用了金字塔分层的原理。根据相邻图像重叠的特点，相邻图像互为模板，在 每循环比较一次后模板图的大小就发生改变。两幅图像实现全方位的匹配，只要相 邻图像的重叠区域大于整个图像区域的3 0 b 1 1 可。这个算法的匹配稳定性好，且速 度也相当快。 ( 4 ) 实现了直线检测算法h o u g h 变换，并对其经典算法存在的一些问题如连通 性问题、端点和间断点检测的问题和计算量大、计算速度慢等问题做出了改进。最 后综合以上工作，从拍摄的模具图像中提取出焊缝坐标信息。 1 4 论文章节安排 本文共分为七章，结构安排如下： 第一章绪论部分。简要介绍了课题的内容和相关背景及论文的内容。 第二章智能组焊机电控制系统。简要介绍智能焊接机床的机械结构和整体 系统结构。 第三章软件结构和实现。介绍了数控组焊软件系统的系统结构和功能，针 对其中的关键点如实时性的实现问题、多线程的软件结构和优先级 分配、串口通讯的原理及实现、数据库系统及其访问技术的选择做 了相应说明。 开放式纽焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 第四章 图像采集及预处理。介绍了图像采集的方法及图像处理的一些基础 知识。重点论述了图像产生的几何畸变及其校正方法。 第五章 图像拼接。主要介绍图像拼接匹配的算法，着重介绍了基于特征像 素点线段的匹配算法和接触匹配算法。 第六章 边缘检测。对各种边缘检测算法做了介绍和性能上的比较。从中选 择适合本项目的检测算法。 第七章 直线提取。介绍了各种直线提取算法。详细介绍了h o u g h 变换提取 直线边缘的算法、优缺点及其改进方法。 4 硕士学位论文 2 1 机械结构 第2 章智能组焊机电控制系统 智能组焊机床机械结构为龙门式，如图2 1 所示。该结构有六个自由度：x 、 y 、z 、o 、o 、b 。x 轴( 纵向) 和y 轴( 横向) 的运动是由交流伺服电机、减速 器、齿轮齿条传动、直线导轨等组成的驱动装置来实现。z 轴( 垂直方向) 的运动 是由交流伺服电机、减速器、滚珠丝杆、直线导轨等组成的传动装置来实现。x 轴、y 轴和z 轴构成笛卡尔直角坐标系，保持焊接机械臂可精确地运动到三维空问 的任意位置，实现对模具毛坯模架的上千条焊缝进行全方位的自动焊接。 c 01 气矗 覆譬 l t 是 电曩包鼙 曲气体保护 连堡 主导n j 芊接昔餐停 = 0 生 耳鼍f t 右主拄 4 t l a t l l l 埠抟 图2 1 智能组焊机床结构示意图 “i 工生拉射 计算机 跫! ! 塑! ! i 轴翟葫兰t 焊接机械臂由大臂、小臂和焊枪夹持臂三部分组成，机械臂的运动形式如图2 2 所示。大臂可作0 角方向饶z 轴旋转运动，小臂可作d 角方向倾斜运动，夹持臂夹 持焊枪作1 3 角方向的姿态变换，分别实现焊枪的旋转、倾斜和姿态调整运动。机械 臂的旋转( e 角方向) 和机械臂的倾仰( a 角方向) 均由步进电机、减速器、齿轮传 t 一 等气 茎壁垒堡丝垫丝至垒塑竺型墨堡丝堡型墼鍪童笪堡丝堡塑塞 动来驱动a 焊枪姿态调整由个同步电机链传动来实现。所有6 个自由度的运动均 由工业控制计算机通过六轴运动控制卡集中控制。 图2 2 焊接机械臂运动示意图 2 2 开放式的数控系统 丝 随着计算机硬件性能的提高、操作系统及软件开发工具的成熟，网络技术的进 步，数控系统也由专用的封闭式系统转化到灵活的开放式系统【l 】。其开放性体现 在：充分利用p c 机资源，将其功能集成到c n c 中去，即基于p c 的数控系统( p c ， n c ) ，人们可在通用的工业计算机和流行的操作系统( w i n d o w s 9 5 ，n t 、w i n d o w s 2 0 0 0 ) 基础上，选用各种硬件板卡采用高级语言( 如v c 、d d p h i 等) 开发数控控 制程序，并可方便地与其他的应用软件、网络环境有机的结合起来，使整个体系结 构具有开放化、标准化、可扩展化、软件模块化、功能多元化的特点，为机床厂和 用户追加功能和实现功能的个性化提供了方便。由于该数控系统性能，价格比高，备 受市场的欢迎，已成为数控系统的发展趋势。 2 2 1 数控系统的分类 基于p c 的数控系统大致有三种类型【2 】： ( 1 ) p c 嵌入n c 。该类型系统是将p c 板装入c n c 内部。p c 与c n c 之间用专 用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型cnc 系统也可不加修改就加 以利用，但是不能直接地利用通用p c ，开放性受到限制，它的n c 部分仍然是传统的 数控系统，其体系结构还是不开放的。这一形式主要为一些c n c 控制器制造商所采 用，这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 ( 2 ) n c 嵌入p c 。该类型系统是将运动控制卡或整个c n c 单元插入到p c 的扩 6 硕士学位论文 展槽中，p c 机处理人机界面，加工显示等非实时性任务，而插补计算、位控等实时 性要求高的任务由运动控制卡中的c p u 完成。运动控制卡都配有开放的函数库以供 自行开发、构造所需的控制系统。之中包括一些运动函数，程序开发人员可通过直 接调用其函数以指定的加减速形式完成指定运动轨迹。运动控制卡与p c 之间的通 讯典型的有两种方式：总线通讯，它采用i s a p c i 总线结构，开放式运动控制卡 插入在p c 机的总线接口稽中，使用相应的控制寄存器和协议建立起p c 机和n c 之 问的通讯，其可以使用查询方式或中断方式。双口通讯，有的运动控制卡中有双 口r a m ( 如美国d e l t at a u 公司的p m a c 系列开放式多轴运动控制卡) ，它是 一种特殊的存储器，该存储器具有两个端口，可以分另q 跟p c 机和n c 的c p u 相 连，两个c p u 可互不干扰地对其进行读写操作，采用这种通讯方式能明显提高数据 交换速度。n c 嵌入p c 型系统其性能好，软件通用性好。开发周期较短。 ( 3 ) 全软件型n c 这是一种最新开放式体系结构的数控系统。它的c n c 软件 全部装在p c 机中，而硬件部分仅是插在p c 机扩展槽中的哟卡。它提供给用户最 大的选择和灵活性，但由于控制系统是运行于非实时的操作系统w i n d o w s 上，系统 实时性的处理就成了重点和难点。显然，这种系统的数控系统软件开发量比n c 嵌 入p c 型大，但硬件成本低。 2 2 2 智能组焊机床系统结构 智能组焊机床控制系统采用基于工业控制计算机的开放式控制系统体系结构， 如图2 3 所示。工业控制计算机作为整个控制系统的中枢，工控机通过p c i 总线集 成六轴运动控制卡和以太网卡。六轴运动控制卡负责各个轴的运动控制及运动状态 反馈。示教盒利用串行通信接口同工控机通信。 该系统属于n c 嵌入p c 型系统，用运动控制卡控制步进电机的运动过程，实时 的性能可以较容易她得到保证，且这种机床的生产量也不大，且要求开发周期较 短，因此，选用n c 嵌入p c 型系统可以得到商的性价比。 该系统由下列元器件组成：一台工业控制级触摸屏计算机，p c i - 8 1 3 6 m 六轴运 动控制卡，交流伺服电机及其驱动器，步进电杌及其驱动器，工业用电源，电流传 感器( 焊接时用于焊缝跟踪) ，接近开关( x 、y 、z 轴正负极限位置限位和六个自 由度的原点定义) ，微动开关( 同步电机极限位置硬件逻辑艰位和示教头示教) 和 自患4 接口电路等。 除机械手本体和计算机控制与数据采集处理系统外，还有c 0 2 气体保护焊机、 送丝机、焊枪及c 0 2 供气装置等。本项目选用n b 5 0 0 1 型逆变式半自动气体保护焊 机，并对送丝机和焊枪进行电气和机械改造，使之能进行计算机控制和满足机械手 结构尺寸，实现焊接过程自动送丝。 另外，系统还配有示教装置，它主要由三个位置互相垂直的微动开关组成，用 开放式组焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 于测量焊缝的三维坐标。 最后，系统还有一个电流传感器，测量焊接过程中焊接电流的变化。进行实时 焊缝跟踪，调整焊炬高度和摆动偏差。 图2 3 智能组焊机床开放式体系结构 我们再介绍一下六轴运动控制卡，它是工控机与各轴驱动单元的桥梁，工控机 发出运动命令后由六轴运动控制发出电信号给电机驱动器或接口控制电路。本系 统所使用的六轴运动控制卡为台湾a d l i n kt e c h n o l o g yl n c 的p c i - 8 1 3 6 m 。 图2 4p c i - 8 1 3 6 m 结构功能框图 如图2 4 所示。p c i 8 1 3 6 m 支持脉冲型和电压型的电机驱动器：产生脉冲序列 或电压量控制伺服电机驱动器和步进电机驱动器。p c i 8 1 3 6 m 有六组运动控制模 块，每组有独立的脉冲发生器，编码器计数器，模拟量输入输出，隔离数字量输入 8 硕士学位论文 输出。每组均可独立地用于某个轴的运动控制，或某轴的某项硬件资源单独使用。 p c i 8 1 3 6 m 可以在任何m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统下工作。p c i 一8 1 3 6 m 提供 m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的动态链接库和驱动程序，用户可以用v i s u a lc + + 、 v i s u a lb a s i c 或d e l p h i 开发自己的应用程序。p c i - 8 1 3 6 m 支持单轴点到点运动、任意 两轴直线插补运动、任意两轴圆弧插补运动、任意三轴直线插补运动。 9 开放式组焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 第3 章软件结构和实现 基于面向对象c + + 语言和m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 的v i s u a l c + + 6 0 是w i n d o w s 系统平台上功能最强大的应用程序开发系统，它与w i n 3 2 紧密 相连，能完成从底层软件直到上层直接面向用户的软件的开发，具有灵活，运行效 率高的特点，适合控制系统软件的开发。当然，其也有开发过程繁琐、复杂，开发 效率低的不足，但这是由其灵活、运行效率高特点所限制的。 本系统便是采用m i c r o s o hv i s u a lc + + 6 0 集成开发环境开发豹基于w i n d o w s9 ，x 系列的控制软件系统。 3 1 实时运动控制的实现 在开放式控制软件系统中，实时性的要求是一个值得重视的问题，伺服电机的 运动是由软件或硬件在很短的时间间隔发送的脉冲控制的。w i n d o w s 系统是非实时 的操作系统，一般程序运行是靠消息机制驱动的，它不能象实时操作系统d o s 一样 实时地处理硬件的中断。这样，当插补运算计算出脉冲数不能及时地送出时，就可 能产生断续加工和丢步现象。 在全软件型数控系统中，这种实时性的保证是首要考虑的，通常通过提高实时 性要求离的插补线程和位控线程的优先级来达到要求；对于有些实时性要求很高的 系统，则需要编写相应的设备驱动程序，才可以提供很高的定时精度和处理速度。 i n t e lc p u 有三种工作模式【3 4 】：实模式、保护模式和虚拟8 6 模式。d o s 是运 行于实模式下。虚拟8 6 模式是在w i n d o w 下运行d o s 程序的一种特殊模式，他们 均可方便地实时响应中断。w i n d o w s 9 5 、w i n d o w sn t 则运行于保护模式下，通常不 能实时响应中断，它们使用了处理器4 个特权级中的2 个特权级别：最高特权级 ( r i r i g o ) 和最低特权级( r i n 9 3 ) 。设备驱动程序运行于r h g o 级，应用程序则运 行于r i n 9 3 级。仅能运行予w i n d o w g x 下的设备驱动程序为v x n ( 虚拟设备驱动程 序) ，可用n u m e g a 公司出品的驱动程序开发包d r i v e r s t u d i o 中的v t o o l s d 及参考 d d k 来开发。在w i n d o w s 2 0 0 0 下，则只能采用w i n 3 2 驱动模型( w d m ) 开发设备驱 动程序，w d m 也支持w i n d o w s g x 和w i n d o w sn t ，可用d r i v e r s t u d i o 中的 d r i v e r w o r k s 及参考d d k 开发。v t o o l s d 和d d v e r w o r k s 均提供了类库，屏蔽了很多 底层细节并将功能相关的模块组织在类库中，且有方便的源代码生成工具，大大节 省了开发时间，降低了开发难度。 o 硕士学位论文 l 图3 1p c i - 8 1 3 6 卡d d a 工作原理图 我们这个系统是n c 嵌入p c 型的数控系统。插补计算、位控等实时性要求高的 任务由运动控制卡中的c p u 完成，工控机w i n d o w s 系统下的控制软件实时性要求 并不太高。我们下面具体介绍一下p c i - 8 1 3 6 m 六轴运动控制卡对运动控制的工作原 理c 5 j 。 d d a ( d i 昏t a ld i f f e r e n t i a la n a l y z e r ) 是微分工作原理的绍插补器。总线把软件 完成的粗插补指令数据输入。它在每个插补周期进行插补运算，在插补运算的同 时，把输出量传给进给脉冲计数器或误差计数器。 参照图3 1 ，p c i 一8 1 3 6 m 运动库函数分析解释用户的运动控制命令，负责生成一 系列位移数据，通过p c i 总线送到p c i - 8 1 3 6 m 的f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 。每个轴 的f i f o 可存放6 4 个位移数据，每一个位移数据值意味着每4 m sd d a 引擎要发出的 脉冲数。每隔4 m s ，d d a 引擎从f f o 中取出一个数值，并将此数值的脉冲以一种 均匀地形式笈给电机驱动器。例如，d d a 引擎从f i f o 中驭出一数据为5 0 0 ( 脉冲) ， 那么在这4 m s 时间里，每隔8 p s d d a 会产生一个脉冲驱动电机，这意味着d d a 将 把取出的脉冲数在循环周期( 4 m s ) 里平均分配到等间隔时问( s i n ) 中发送出去。在下 个4 m s 到来时，d d a 再从f i f o 中取出另一个数据。重复上述操作。 每个轴的f i f o 只可存放6 4 个位移数据，但运行一条运动库函数生成的位移数 据序歹l j 可能不止6 4 个，那么需要上位工控枫在c p u 空阏时将这些位移序列分批从 p c i 总线送到f i f o 中，保证每当d d a 从f i f o 中取数据时，f o 不能为空。否 则，向运动控制卡发出的运动命令将得不到响应，相应的轴不会运动。 所以，每6 4 4 = 2 5 6 m s 内，上位机必须将粗插补的位移序列送入f i f o ，这个时 间段应是较长的，只要编程时注意，在菲实时操作系统w i n d o w s 中也是可以保证 的。 3 1p c i 一8 1 3 6 m 运动控制卡函数库 p c i 8 1 3 6 m 提供了m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的驱动程序和动态链接库，其中 包含了各种函数，在用v i s u a lc + + 编写控制软件时可喜接调用p c i - 8 1 3 6 m 提供的运 开放式组焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 动库函数。 函数库包含初始化、各种系统参数设置、数字i o 、模拟i o 、远程i o 、脉冲 i o 、中断控制、运动参数设置、运动状态读取、还有点到点运动、2 d 插补运动、 3 d 插补运动及一些其他的运动函数。 | ， ； 、 i ； ， 、 h 一一h ! t 。玉 惜一一h t d 图3 2p c i 一8 1 3 6 m 梯形运动函数速度轮廓线 衄 图3 3p c i - 8 1 3 6 ms 曲线运动函数速度轮廓线 为保持运动精度和运动的平稳性，p c i - 8 1 3 6 m 控制各轴可以两种加速度方式进 行各种运动。各轴分别以图3 2 所示的梯形运动函数速度轮廓线和图3 3 所示的s 曲 线一运动函数速度轮廓线运动。梯形速度运动的速度变化不够平稳，加速度变化有 冲击，以s 速度曲线运动加速度变化无冲击，可以更为平滑的运动，提高运动精 度，延长电机和机械的使用寿命。 运动函数提供了两种方式的运动：相对运动和绝对运动。相对运动按照以脉冲 数形式给出的相对位移参数运动，用于开环控制。绝对运动则按照以脉冲数形式给 出的位置参数运动，用于半闭环控制，将反馈回的当前位置与目标位景进行比较， 由此得出运动的脉冲数。 运动函数包括： 点到点运动：单轴运动，端到端直线插补的相对和绝对运动。 2 d 插补运动：包括x y 平面直线和圆弧插补的相对和绝对运动。 3 d 插补运动：空间直线插补的相对和绝对运动。 还有一些其他的运动函数如持续运动函数、回原点函数及运动停止等函数。 1 2 硕士学位论文 我们以点到点梯形速度插补运动函数为例介绍一下运动函数的用法，其他函数 的用法也大同小异。 1 1 6 8 1 3 6 _ s t a r tt r _ m o v e ( 1 1 6c a r d n o ，1 1 6 a x i s n o ，1 3 2d i s t ，f 6 4s t r v e l ，f 6 4 m a x v e l ，f 6 4t a c c ，f 6 4t d e c ) ； c a r d n o ：运动卡的卡号 a x i s n o ：轴号( 0 5 六个轴) d i s t ：以脉冲数表示的直线位移量 s t r v e l ：运动开始的速度( 单位：脉冲数，秒) m a x v e l ：运动的最大速度( 单位：脉冲数，秒) t a c c ：加速时间( 单位：秒) t d e c ：减速时间( 单位：秒) 3 3 插补运算及d d a 插补运算 插补运算【6 】就是要根据进给速度的要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点 的坐标值计算，它实质上是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。对于轮廓控 制系统来说，插补运算是最重要的计算任务。无论是软件数控还是硬件数控，其插 补的运算原理基本相同。其作用都是根据给定的信息进行数字计算，在计算过程中 不断向各个坐标发出相互协调的进给脉冲，使被控机械部件按指定的路线移动。 插补算法有多种，如： 逐点比较法：顾名思义，就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形 轨迹相比较，判断一下偏差，然后决定下一步的走向。由此得出一个非常接近规定 图形的轨迹。 数字积分法：是用数字逻辑电路实现积分运算，从而保证在编程规定的进给速 度下获得所需轨迹的一种插补方法利用此原理构成的插补装置叫做数字积分器， 又称数字微分分析器( d i g i t a l d i f f e r e n t i a la n a l y z e r ) ，简称d d a 。 比较积分法：结合数字积分法和逐点比较法两者的优点产生的新型脉冲分配 法。 直接函数运算法( d f b ) ：与逐点比较法类似，是一种代数运算方法，但它的进给 方式不象逐点比较法那样或x 方向或y 方向急剧变化，而可以比较并选择误差较小 的一个进给方向。 p c i - 8 1 3 6 m 卡采用的是数字积分器，我们再对其工作原理进行介绍。 从几何概念来看，函数求积分的运算就是求此函数曲线所包围的面积。即面积 f 为： f = r 姗= 一l i m i i y ( t i + i - - i i ) ( 3 1 ) 开放式组焊数控系统的研制及焊缝识别的数字图像处理研究 若把自变量的积分区问【a ，b 】等分成许多有限的小区间f ( 其中f = t 。一t ) 这 样，求面积f 可以转化为求有限个小区间面积之和，即 n - ! i f = 蝎= y ，& ( 3 2 ) i = 0i = o 如果将f 取得足够小，就可以得到我们所需的精度。这种近似积分法成为矩形 积分法。实现这种近似积分法的数字积分器成为矩形数字积分器。 数字积分器通常可有两个容量相同的寄存器和两个加法器组成。其中一个寄存 器寄存被积函数y i ，称被积函数寄存器：另一个寄存器寄存被积函数累加运算的余 数，称余数寄存器。积分器的工作通常分成两步运算： 第一，当出现积分指令a t 后，把被积函数寄存器中的被积函数y f ，通过加法器 a 与余数寄存器中的余数相加，并存入余数寄存器，从而形成y ，。 第二，把a y j 通过加法器b 与被积函数y ，相加，从而形成新的被积函数 y 。“2y i + a y 。 上述的两步运算成为次迭代当出现新的积分指令出时，再重复上述两步运 算，也就是说，再进行一次迭代。 当余数寄存器中的数值超出余数寄存器的容量时，就会在最高位产生进位，一 般称之为溢出f ，这个f 就是数字积分器的输出。 3 4 多线程的软件结构 w i n d o w s 9 x 、w i n d o w s n t 和w i n d o w s 2 0 0 0 都是抢占式多任务的操作系统。在 操作系统上有多个应用程序在同时运行。一般来说，一个正执行的应用程序对应于 一个进程，而一个进程则由一个或多个线程组成。 从w i n 3 2 的角度来看。进程含有内存和资源，它本身并不能执行，只是一个安 置内存和线程的地方。线程是操作系统分配c p u 时间片的基本单元，系统在适当的 时候将时间片分配给各个不同的线程。使其都有机会执行自己的程序片断，由于 c p u 执行速度很快，各线程就蒙同时在运行，执行自己各自的任务。 w i n d o w s 操作系统环境下有两种类型的线程【7 】：工作者线程( w o r k e rt h r e a d ) 和用户界面线程( u s e r - i n t e r f a c et h r e a d ) 。工作者线程通常用于处理后台任务，如 后台计算、后台打印、检测等。用户界面线程通常用于处理用户输入和对用户事件 做出响应。 线程是具有优先级的，优先级商的线程能抢占低优先级线程的运行时间。 w i n d o w s 下线程的优先级其实是由此线程所在进程的优先级和设定的线程的相对优 先级共同决定的。进程的优先级有i d l e _ p r i o r i t y - c l a s s 、 n o m a l p r i o r i t y c l a s s 、h i g h _ p r i o r i t y 、r e a l t i m e _ p r i o r r r y - c 乙s s 四个级别，线程优先级微调幅度有t h r e a d p r i o r i t y _ l o w e s t 、 1 4 硕士学位论文 t h r e a d _ p r i o r i t y b e l o w _ n o r m a l、t h r e a d _ p r i o r i t y n o r m a l t h r e