（精密仪器及机械专业论文）光学三维形体检测仪器系统研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a ik i n i v e r s i t y 摘要 逆向工程是近年来发展起来的一种现代设计方法，它可以快速消化吸收实 物原型，修改和再设计出新的产品，实现创新，已广泛应用于航空航天、船舶、 汽车、模具等领域。光学三维传感与重建系统是一种面向先进制造，用于逆向工 程目的的核心技术系统之一，为先进制造业中产品的快速开发与仿型加工制造提 供一个全新、高效的一体化解决方案。 光学三维传感与重建的关键技术是数据采集和曲面重建。为了能实现快速 测量，高精度的数据采集与三维重建，本文研制一套用于光学三维形体检测的仪 器系统。该仪器系统包含了承载工作台、传感器测量架以及实时控制工作台与传 感器运动的控制系统。 作者本着“实用化”的目的，从系统的基本技术参数要求着手，完成了仪 器系统总体方案的设计，总体的精度分析，承载工作台与传感器测量架的机械设 计和控制系统的软、硬件设计，以及样机的调试工作。 由于目前国内的逆向工程技术还属起步阶段，能用于光学三维测量的仪器 设备尚未出现，本文的研究与该仪器系统的开发为利用光学方法实现三维非接触 式测量提供了一套实用设备，也有助于光学三维传感技术的进一步发展。 关键词：光学三维测量；三维重建；逆向工程：仪器系统：精度分析 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n gi sar e c e n t l yd e v e l o p i n gi n t e g r a t e d t e c h n o l o g yt h a th a s b e c o m eo n ei m p o r t a n tp a r to ft h em o d e md e s i g nw a y s r e v e r s e e n g i n e e r i n gc a n a s s i m i l a t eo l dp a r t ，m o d i f yi ta n d r e d e s i g nan e w o n e ，i th a sw i d e l y a p p l i e di na v i a t i o n ， s h i p p i n g ，a u t o ，m o u l de t c o p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a ls e n s i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n s y s t e m i so n eo fr e v e r s e e n g i n e e r i n g sk e yt e c h n o l o g i e s ，o f f e r i n g an e wa n d h i g h e f f i c i e n c ys o l u t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o f i l em o d e l i n gm a n u f a c t u r eo f p r o d u c t i o n i na d v a n c e m e n t m a n u f a c t u r i n g ， t h ek e yt e c h n o l o g yo f o p t i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a ls e n s i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n i sd a t aa c q u i r e m e n ta n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n f o rt h eq u i c km e a s u r e m e n ta n d h i g h p r e c i s i o nd a t aa c q u i r e m e n t ，a n df o rt h eq u i c kr e c o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e rc o n s t r u c t sa i n s t r u m e n ts y s t e mf o ro p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n ti n c l u d i n ga c a r r y i n g t a b l e ，as e n s o rs t a n da n d ac o n t r o ls y s t e m t h ea u t h o rt a k e su pt h eg e n e r a ld e s i g no ft h ei n s t r u m e n ts y s t e mf r o mb a s i c t e c h n i q u ep a r a m e t e r a n dg o e s a l o n g t h e a n a l y s i s o fp r e c i s i o n ，a c c o m p t i s h e st h e m e c h a n i s m d e s i g na n dt h eh a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g n so f t h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h e i n s t r u m e n ts y s t e m t h ea u t h o ra l s oa c h i e v e st h e d e b u g g i n g o f s p e c i m e n o w i n g t ot h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yb e i n gt h eb e g i n n i n go fr e s e a r c h i no u rc o u n t r y , t h e r ea r en o ta n yi n s t r u m e n ts y s t e m sf o ro p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a l m e a s u r e m e n t t h ep a p e ra n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n s t r m n e n ts y s t e m ，o f f e r i n ga a v a i l a b l ei n s t r u m e n tf o r u t i l i z i n go p t i c sr e a l i z i n g t h r e e - d i m e n s i o n a ln o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t i ta l s oa c c e l e r a t e st h eo p t i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a ls e n s i n g t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：o p t i c a l 3 dm e a s u r e m e n t ，3 dr e c o n s t r u c t i o n ，r e v e r s e e n g i n e e r i n g ， i n s t r u m e n ts y s t e m ，a n a l y s i so f p r e c i s i o n 上海大学 x6 7 7 2 7 6 本论文经答辫委员会全体委员审查，确认符合上海大学硕士学位 论文质量要求。 答辩委员会签名： 主席( 工作单位、职称) 委员：朱宝强 木之 虽 铆赧蜊皖磁魈鹅密拓城磁钎 诛慈它教拯互蝴彩渤我谚采话臻当 鹰庭宁副石开粕糯五游躺确涮恫断磊妈 钠、旌漕函j 教授上滂欠哮糖寡扣娥碲表面，膨靖 于瀛诘副摩披扫浩埘错褒缸域z 移采寸菊西 导煨驴御声 答辩日期：二卵刃车以日7 日 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除r 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 。 固t 皇臂 。勺：f j ：j 二三 一一一丝进燮 1 ，一一 一 一=、铲蕊i j 、2 一 、口二 j 1 一一一 j 二一一一 - 、i 二兰二二， 一：一告轧 一一一一 、! 堂至 图3 - 4自动调节齿轮啮合中心距回转机构的结构示意图 壁 ， ， 评 塑 噬 盟 堡 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 消隙传动机构的结构是：回转机构中的一个支臂下面固定连接一个步进电机 和小齿轮的安装架，安装架的下面固定安装电动机，而上部安装支承小齿轮的一 对轴承。齿轮消隙啮合机构的结构是：在小齿轮旁安装一个与小齿轮相同的消隙 齿轮同时与大内齿轮啮合，小齿轮与消隙齿轮之间用扭簧联结( 见图3 5 ) 。 图3 5 消隙传动机构的结构示意圈 自动卸载机构、自动调节齿轮啮合中心距的回转机构、消隙传动机构为这个 回转的承载工作台提供了在大尺寸、大载荷的情况下，具有转动平滑稳定、定位 精度高、自动分卸载荷等特点以此来提高精密检测的精度。 3 1 4 平移运动的设计 在上述的回转工作台上再叠加一个能平移运动的工作台面，来实现整个承载 工作台的完整功能。 平移运动采用步进电机驱动，滚珠直线导孰与滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠 通过弹性联轴器与步进电机联接，滚珠丝杠的螺母与平移的工作台联接，并在回 转台与平移工作台之间有滚珠直线导轨导向，这样电机转动就可以带动工作台的 平移( 见图3 】) 。这里采用滚珠丝杠螺母副的传动有如下优点：摩擦阻力小，传 动效率高；运转平稳，启动时无颤动，低速时无爬行：定位精度和重复定位精度 很高；工作寿命长，不易发生故障。这些特点刚好满足我们这个检测用工作台的 要求。但美中不足的是这类传动，结构比较复杂，加工制造难度大，价格比较贵。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 3 2传感器测量架的设计 3 2 1 测量架需要实现的功能 由第二章的有关论述可知，装载测量传感器c c d 摄像头与投影仪的测量架 要实现整体的俯仰运动，升降运动，以及平移运动，来满足对大尺寸工件总体测 量的需要。c c d 摄像头与投影仪的相对位置要求，由手动调节，手动锁紧来实 现。 3 2 2 测量架结构形式的选择 根据仪器系统在实际检测中，对传感器的稳定性要求，测量架的布局决定采 用十字架式，由第二章中的方案比较可知，这种布局方式可能会给测量的精度带 来较大的误差，但是由于在检测之前，我们要对系统进行标定，这些误差可以通 过几个高度位置的标定参数平均后，予以大幅减少，使得测量的精度控制在精度 要求之内。具体的结构如图3 6 所示，先是能实现传感器整体俯仰运动的机构， 然后把这一套机构固定在一个升降的平台上，最后再把既能俯仰运动又能升降运 动的机构整体固定在能平移运动的平台上。 图3 - 6 传感器测量架的布局结构示意图 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 3 2 3传感器俯仰运动机构以及相对位置调整机构的设计 传感器整体俯仰运动的结构采用步进电机驱动，通过弹性联轴器与蜗杆连 接，蜗杆与固定在转轴上的蜗轮啮合，使得电机的转动带动转轴的转动，用抱箍 固定在转轴上的传感器托台实现整体俯仰。两个传感器的相对位置可以通过松开 抱箍上的锁紧螺钉与托台下的锁紧螺钉后来调节，结构示意，见图3 7 。 图3 7 传感器俯仰运动机构以及相对位置调整机构的结构示意 3 2 4 升降运动机构的设计 升降运动的机构采用步进电机驱动，通过弹性联轴器与丝杠连接，电机的转 动带动丝杠的转动，丝杠转动推动螺母作直线的升降运动，丝杠螺母与连接板固 定，两侧的侧板上有滚珠直线导轨，导轨的滑块与连接板固定，实现导向。再把 连接板与上述机构中升降平台连接，就可以实现传感器的总体升降运动，在检测 过程中就可以进行上下扫描测量。具体结构示意见图3 - 8 。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y _ - _ 起 墓 _ r l 崔 篓 图3 8 测量架升降运动的结构示意 3 2 5 平移运动机构的设计 平移运动的机构采用步进电机驱动，通过弹性联轴器与丝杠连接，电机的转 动带动丝杠的转动，丝杠转动推动螺母作直线的平动，丝杠螺母与平移平台固定， 平台的两侧上有导轨的滑块，滚珠直线导轨与底座固定，实现导向。再把上述的 升降运动机构固定在平移平台上，实现传感器测量架的整体平移，来满足检测中 水平扫描的需要。具体结构示意，见图3 - 9 。 图3 - 9 测量架平移运动的结构示意 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et i | e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 3 3滚珠丝杠副的选择1 4 】 z s i 2 0 1 3 3 ，1滚珠丝杠副的传动特点： a ) 传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率很高，可达9 2 9 8 ，是普通 丝杠的2 4 倍。 b ) 摩擦力小。因为动、静摩擦系数相差小，因而传动灵敏，运动平稳、低 速不容易产生爬行，随动精度和定位精度高。 c ) 使用寿命长。滚珠丝杠采用优质合金制造，表面粗糙度小，其滚道表面 淬火硬度可达60 h r c 62 h rc 。另外，因为是滚动摩擦，磨损更小。 d ) 经预紧后可以消除轴向间隙，提高了系统的刚度。 e ) 反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。 f ) 制造成本高，不能自锁，有可逆性。 滚珠丝杠副的这些传动特点，非常适合本仪器系统中，把电机的旋转转化为 直线运动的传动。 3 3 2 滚珠丝杠副的选用 滚珠丝杠的选用总体应依据仪器的精度要求而定，具体地应根据承载的载荷 来选定滚珠丝杠的直径，滚珠丝杠的精度将直接影响仪器的定位精度。 在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t 、名义直径d o 、滚珠 直径d o 等主要参数。在确定后两个参数时，采用与验算滚珠轴承相似的方法， 即规定在最大轴向载荷q 作用下，滚珠丝杠可以3 3 3r m i n 的转速运转5 0 0 小 时而不出现点蚀。 选择螺距t 时，一般应根据丝杠的承载能力和刚度要求，首先确定名义直径 d o 然后根据d o 尽量选取较大的螺距。常用的螺距t = 4 、5 、6 、8 、10 、12 m m 。 螺距越小，在一定轴向力的作用下摩擦力矩较小；但t 太小时( 滚珠也小) ，导 致滚珠丝杠承载能力显著下降。另外，如丝杠名义直径d o 一定时，t 减小，螺 旋升角b 随之减小，传动效率也随之降低。丝杠名义直径d o 是指滚珠中心圆的 直径，d 。根据承受的载荷来选取。d o 越大，丝杠承载的能力和刚度就越大。为 了满足传动刚度和稳定性的要求，通常d o 应该大于丝杠长度的1 30 1 3 5 。滚珠直径do 对承载能力有直接影晌，应尽可能取较大的数值。一般d o o 6 t ， 其最后的尺寸按滚珠标准选用。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a il 州i v e r s i t y 在本仪器系统中，根据仪器的承载情况以及精度要求标准，选用上海汉江机 床附件厂的精密滚珠丝杆f c 2 系列，名义直径d o 为2 0 m m ，导程为4 m m ，螺旋 角为3 。3 97 ，额定动载荷c 。为5 3 9 3 n 。 3 3 - 3 滚珠丝杠副的刚度校核4 1 3 3 1 滚珠丝杠选用之后，为保证安装调试后能正常运转和工作，必须对滚珠丝杠 进行刚度的校核。下面以实现升降运动的滚珠丝杠副为例，对滚珠丝杠进行扭转 刚度以及稳定性校核。 1 滚珠丝杠的扭矩刚度校核 对细长丝杠来说，扭转刚度是不可忽视的因素。因为扭矩引起的扭转变形，会使 轴向移动量产生滞后。 由材料理学可知，在驱动扭矩t 作用下滚珠丝杠的扭转变形为 0 ：黑丝：7 2 1 x 1 0 2 孕( 3 蒯：g 2 r e d ： 式中：e 扭转角( 。) t 扭矩( n l l l r l l ) l ：支承间距离( r a m ) d ，滚珠丝杠的小径( 哪) 由0 造成滚珠丝杠副的传动滞后误差6 为 6 = l o 蠡m m ( 3 _ 2 ) 式中l 。滚珠丝杠的导程 在一般的工程计算中，认为丝杠正反转的效率均为0 9 ，则 t ：f p l _ _ 坐o 0 2( 3 3 ) 2 万 式中f 。滚珠丝杠螺母的预紧力 在本例中，f 。取0 1 c 。，约为5 0 0 n ，滚珠丝杠的导程k 为4 m m ，代入( 3 - 3 ) 式， 则： t = 6 4n n l m 再将扭矩t 为6 4n m m ，支承间距离l 。为8 0 0 r c u n ，滚珠丝杠的小径d ，为1 6 6 r n m 代入( 3 - 1 ) 式，则： e = o 0 4 9 。 然后将扭转变形0 为0 0 4 9 。，滚珠丝杠的导程k 为4 m ，代入( 3 - 2 ) 式，则： 6 = 0 5 l am 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 这样的传动滞后误差，对仪器系统要求的重复定位精度为0 0 2 哪来说，是完全 足够的。 2 滚珠丝杠稳定性校核 因丝杠为细长杆，应验算丝杠的稳定性，临界载荷为 f ，：掣 ( 3 4 ) 。( 2 。 式中：e 螺杆材料的弹性模量，e = 2 1 1 0 5 n m m 2 如螺杆危险截面的轴惯性矩， r：!盟：至：!：3727x103mm4la = 一一 6 46 4 ，f 长度系数，查表，按一端固定一端铰支，得卢= 0 7 ，丝杠长度为8 3 7 m m 以上数据代入( 3 - 4 ) ，则： f a = 2 2 5 1 0 4 n 而实际在丝杠上施加的轴向压力大约只有2 0 公斤，所以一定能满足稳定性要求。 3 4滚珠直线导轨的选择【”1 【”1 3 4 1 滚动导轨副的原理与特性7 j 1 、滚动导轨副的原理 滚动导轨副是以滚珠作为导轨与滑块之间的动力传输接口，进行无限循环滚 动之运动副。它将滑块约束在导轨上，使得负载平台能沿导轨以高速度、高精度 作线性运动。组成零件主要有导轨( r a il ) 、滑块( b l o c k ) 、端盖( e n d p l a t e ) 、滚 珠( b a l l ) 与保持器( r e t a i n e r ) 等( 如图3 1 0 所示) 。 2 、滚动导轨副的特性m i ( 1 ) 定位精度高使用滚动导轨作为直线导轨时，由于滚动导轨副的摩擦方式 为滚动摩擦，不仅摩擦系数降低至滑动导轨的t 5 0 ，动摩擦力与静摩擦力的差异 变得很小。因此当机床运行时，不会有爬行现象发生，可达到极高的定位精度。 ( 2 ) 磨损小，能长时间维持精度传统的滑动导轨，无可避免地会因油膜逆流作 用造成平台运动精度不良，且因运动时润滑不充分导致滑动接触面磨损，严重影 响精度。而滚动导轨的磨损非常小，故机床能长时间维持精度。 ( 3 ) 适应高速运动且大幅降低驱动功率由于直线导轨移动时摩擦力非常小， 只需较小动力便能让机床运行，尤其是在滑台频繁往返运行时，更能明显降低其 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 电能损耗量。且因其摩擦产生的热较小，可适用于高速运行。 ( 4 ) 可同时承受上下左右方向负荷滚动导轨特殊的约束结构设计，可同时承 受上、下、左、右方向的负荷，不像滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负 荷较小，易造成机床运行精度不良。 图3 1 0滚动导轨副的结构示意 3 4 。2 滚动导轨副的选用 滚动导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命来选用。鉴于 本课题研制的仪器系统的承载情况，精度要求，以及机构尺寸的需要，选订上海 组合夹具厂生产的四方向等载荷型s g av 系列的s g a l 5v 滚珠直线导轨副。 3 5联轴器的选择2 0 j 联轴器是机械传动中常用的部件。它们主要用来联接轴与轴( 有时也联接轴 与其它回转零件) ，以传递运动或转矩；有时也可用作安全装置。联轴器所联接 的轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保 证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，如图3 1 1 所示。这就要求设 计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使这具有适应一定范围的相对位 移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力( 即能否在发生相对位移条件下保 持联接的功能) ，联轴器可分为刚性联轴器( 无补偿能力) 和弹性联轴器( 有补 偿能力) 两大类。刚性联轴器对所联接的轴，相对位移缺乏补偿能力，同时对轴 的联接采用螺钉在一侧固定的方法，这样的设计对本系统电机与丝杠的轴对中性 要求非常严格，容易在本系统工作过程中引起附加载荷，使工作情况恶化。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a l et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s l t y e 班于e 珠字 轴| 句位移 蟋河 径向位移 角位移 练台位移 图3 - 1 1 为解决这个闯题，可采用有补偿能力的弹性联轴器。常见的弹性联轴器有： 弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器和尼龙滑块联轴器。其 中弹性柱销联轴器适用于联接转矩大、需正反转或起动频繁的传递中、允许被联 接轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，且制造容易、装拆方便、 成本较低，因此在本课题研制的仪器系统中选用弹性柱销联轴器。 3 6步进电机的选择【2 2 】【1 8 1 3 ，6 1 步进电机的特点 步进电机是一种将脉冲信号变换成角位移的数字电磁执行装置。步进电机的 角位移与输入脉冲个数成正比，其转速与脉冲频率成正比，其转向与脉冲分配到 步进电机的各相绕组的相序有关。由于步迸电机的转角、转速和转向均可采用数 字量( 脉冲) 控制，故步进电机广泛应用于数字伺服领域。在对位置控制要求高优 情况下，习惯应用伺服系统，但这样设备价格较贵，并且维护比较复杂，若采用 步进系统，同样能够完成高精度的位置控制，维护也很简单。 步进电机作为执行元件的一个显著特点是具有快速启停能力。如果负荷不超 过步进电机所提供的动态转矩值，就能够在很短的时间使步进电机启停或停转。 步进电机的另个显著特点是精度高。在没有齿轮传动的情况下，一些步进电机 步矩角( 即每步所转过的角度) 可以达到每步o3 6 。，配合带有细分功能的驱 动器，甚至可以得到更小的角度。另一方面，步进电机具有无累积误差的特点， 无论反转每转一周都能精确的返回到原来的位置，所以可靠性高。步进电动机随 着混合式步进电机的产生和应用，步进电机的输出功率和力矩不断增加，而成本 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 价格不断降低，而且步迸电机使用方便。 3 ，6 2 步进电机的选用1 “】1 2 6 步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩、及电流三大要素组成。旦三 大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 步距角的选择：电机的步距角取决于精度的要求，将负载的最小分辨率( 当 量) 换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度( 包括减速) 。电机的步距角 应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0 3 6 。0 7 2 。( 五相电 机) 、0 9 。1 8 。( 二、四相电机) 、1 5 。3 0 ( 三相电机) 等。 静力矩的选择：步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机 的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦 负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时( 般由 低速) 时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考 虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2 - 3 倍内好，静力矩一旦选定， 电机的机座及长度便能确定下来( 几何尺寸) 。 电流的选择：静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大， 可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流( 参考驱动电源、及驱动电压) 。 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤： 鉴于上述的步进电机选用步骤，在本课题中选用常州市合泰电机电器有限公 司生产的混合式步进电机，承载工作台的平移及旋转运动的电机为 8 5 b y g h 4 5 0 a 一】，步距角1 8 。，静力矩2 1 k g c 1 1 1 ，电流2 a ；测量架的整体升降、 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s l so fs h a n g h a tu n i v e r s i t y 平移运动电机也为8 5 b y g h 4 5 0 a 一1 ，步距角1 8 。，静力矩2 t k g c m ，电流2 a ： 测量架的传感器整体俯仰运动电机为5 7 b y g h 2 0 1 ，步距角1 8 。，静力矩7 k g e m ， 电流0 6 a 。 3 7 小结 本章详细地阐述了本仪器系统机械部分的设计，包括承载工作台与传感器测量架 的结构设计、电机的选取、联轴器的选取以及滚珠丝杠副的选取和必要的刚度校 核等。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et t j e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第四章仪器系统的控制部分设计 在第二章中，已经确定了本仪器系统控制系统的总体设计方案，本章将对控 制系统部分的软硬件设计过程作详细阐述，以及对在设计过程中碰到的些问题 作一些探讨。 4 , 1 控制系统要实现的功能 仪器系统的控制部分需要实现对承载工作台平移、转动及对传感器测量架的 平移、升降和俯仰这五个自由度的自动控制，对每个自由度的运动实现启动停 止、正反转、点动、清零以及复位的功能，并要实时显示运动的距离、被测工件 和传感器的所在位置。 4 2 基于可编程控制器( p l c ) 控制系统的设计 4 2 1可编程控制器( p l c ) 的原理与特性口5 】 2 6 1 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o i t e r ) 的原意为可编程逻辑控制器，这是 由于早期的p l c 主要用于顺序逻辑控制而得名的。是上世纪7 0 年代发展起来的 新一代工业控制装置，它结构简单、编程方便、性能可靠，被广泛应用于工业生 产的过程控制。随着大规模集成电路、计算机技术和自动控制理论的发展，以及 其扩展能力和通信能力的发展，p l c 已开始用于闭环过程控制( 如d d c 控制) 和复杂的分布式计算机控制系统中。p l c 实质上是一种专用于工业控制的特殊计 算机系统，一般由c p u ( 中央处理器) 、存储器、i o ( 输入输出) 系统及其他可 选部件等组成，如图4 一】所示。 i 编程器1 中 输入暂存区 输入 l l 央 _ 电 处 内 源存 输出理 输出暂存区 器 图4 1p l c 组成的示意图 上海大学硕：l 研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y p l c 的系统程序一般存放在只读存储器( r o m ) 或电擦除只读存储器( e 2 p r o m ) 中，用户程序一般存放在具有备用电池的随机存储器( r a m ) 或电擦 除只读存储器( e 2p r o m ) 中。现场输入信号经过i o 系统的输入端口传送至 c p u ，c p u 按照用户程序存储器里存储的指令执行逻辑或算术运算，并发出相 应的控制指令，该指令通过i o 系统的输出端口传送至现场，驱动相应的执行机 构动作，从而完成相应的控制任务。 p l c 控制系统的结构是相当简单的，参见图4 - 2 。 图4 2p l c 控制系统结构图 4 2 2 可编程控制器( p l c ) 的选用瞄1 在明确监控对象要求以及功能选择后，确定所要选取p l c 的性能指标。p l c 有多个技术指标，但最基本的指标有五个：c p u 类型、存储器容量、编程语言、 扫描周期和f o 点数。 存储容量：存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。控制越复杂， 存储量就要求越大。用户可根据需要选择机型，一般来说，在逻辑控制系统中所 需存储量经验公式为： 所需内存字数= 逻辑变量数l0 逻辑变量数为输入点数和输出点数之和。 对于模拟量控制，其所需存储量经验公式为： 所需内存字数= 模拟量路数25 0 扫描周期：由于p l c 的c p u 采用顺序逐条扫描用户程序的运行方式，即如果 个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括它的常开触点和常闭触点) 不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。因此就有一个扫描周期的概念， 这个周期为c p u 速度、程序长短等诸多因素所影响。 i o 总点数：i o 总点数也就是t o 能力，即输入输出点数之和。选用p l c 应本 着合理、够用、并预留少量的备用点的原则来选取。 根据上述的p l c 选用原则，在本仪器系统研制中选用三菱微型可编程控制 上海大学硕上研究生毕业论文 1 h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs i 【a n g h a lu n v e r s i t y 器f x 2 n 系列( 图4 3 ) ，f x 2 n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、 程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需 要的大量特殊功能模块，可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 图4 3 三菱微型可编程控制器f x 2 n 一4 8 m t 它有2 4 点输入、2 4 点输出，运算控制方式为存储程序反复运算方式以及中断指 令，程序语言为继电器符号+ 步进梯形图方式，最大的存储容量为1 6 k 步。 4 2 3 步进电机驱动器的选择 p l c 控制步进电机常用的形式有普通型通用p l c 控制和p l c 专用步迸驱 动模块控制等两种，模块式控制方式具有控制可靠性高的优点，而通用p l c 控 制步进驱动系统，具有p l c 系统构成简单，工程造价低等优点，易于推广应用。 在本系统的研制中采用的是普通型通用p l c ，所以必须要选取合适的步进电机 驱动器。选取步进电机驱动器是根据已经选好的步进电机来确定，在本文中选好 的步进电机是常州市合泰电机电器有限公司生产的混合式步进电机 8 5 b y g h 4 5 0 a l 与5 7 b y g h 2 0 1 ，所以匹配的驱动器也为厂方提供的d c m 一0 2 5 s 步 进电机驱动器与b q s 0 2 1 步进电机驱动器。 步进电机驱动器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等 组成。它的作用就是把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机运动及正 反转。驱动器的信号接口有步进脉冲信号输入v 1 、方向控制信号输入口，输出口 有电机接线口，d c m 一0 2 5 s 步进电机驱动器还有5 、1 0 、2 0 、4 0 四种细分方式可 供选择。 4 2 4 控制系统的硬件电路设计 】、外围的供电系统设计。 上海大学硕一研究生毕业论文 t li ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs l 。i a n g h a iu _ n 1 v e r s i t y 供电系统设计主要是p l c 的c p u 工作所需耍的电源系统设计，也包括其它 外接设备，如电脑、监视器以及投影仪等需要的电源。可编程控制器供电一般都 使用市电( 2 2 0 v ，5 0 h z ) ，电网的冲击、频率波动将直接影响到控制系统的精度 与可靠性；有时电网的冲击甚至会给整个系统带来毁灭性的破坏，所以为了提高 系统的可靠性和抗干扰能力，在p l c 供电系统中采用滤波器，滤去电源中的高 频干扰信号。具体的供电系统电路设计，见图4 - 4 。 外围的供电系统设计，在整个控制系统中是至关重要的。因为首先，这部 分都是强电，一旦有闪失，都会带来危险性以及毁灭性的元器件损坏：其次，这 一部分的合理性与科学性将直接影响整个系统的可操作性。 尊芦斗叫 l 竺芝i 写l _ _ l 罗l 耻一 l 1 9 l 一川卜一 c r = f 一7 二卜- | l _ 罗l 一皿j l 9 l 川卜一 图4 4 供电系统的电路设计图 2 、p l c 的输入，输出端口设计 根据控制对象的功能要求，对控制系统的核心部分p l c 进行端口设计，端 口设计完成以后，只要通过软件就可以实现所有的控制性能。具体的p l c 端口 设计，接线示意见图4 5 。 螈 触 味 上海大学硕士研究生毕业论文 t i i ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs k i a n g h a lu n i v e r s i | r y 图4 5p l c 端口接线示意图 3 、步进电机驱动器的电路设计 步进电机驱动器接受p l c 的脉冲信号以及正反转控制信号，通过驱动器的 功率放大，细分后驱动步进电机按照控制的指令运动。具体的电路设计见图4 - 6 。 图4 - 6l # 步进电机与驱动器的电路图 在上述的硬件电路设计中应该注意以下几个问题： 1 、整个控制系统封闭在控制箱内，控制箱上必须开有通风孔，保证散热。 2 、电源接地也是提高抗干扰能力的措施之一，但强电电源的接地与弱电电 上海大学硕士研究生毕业论文 1 h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs i i a n g h a lu n i v e r s i t y 源的接地要严格分开，一旦混接，会给p l c 带来损坏。 3 、为了防止信号间的串扰而影向系统的可靠性，布线也是一个重要的环节。 布线时必须让强电与弱电从不同线槽走线，p l c 的信号线最好采用屏蔽电缆， 而尽量缩短电缆长度。 4 2 5 控制系统的软件设计2 7 】 z 8 1 在控制系统硬件设计，布局以及布线接线工作完成以后，接下来就是要对 p l c 进行程序的编制，下面通过对一个电机所要控制的运动，以及要实现的功能， 进行程序设计，来介绍该系统的软件编译过程。 p l c 的编程比较简单，因为p l c 采用了梯形图编程语言和命令语句表达式 编程语言两种方式。特别是梯形图编程语言，它是吸取了广大电气工程技术人员 最为熟悉的继电器逻辑线路图的特点而形成的，在p l c 梯形图中，继电器、计 数器、定时器等均是逻辑的而非物理的，每个继电器和触点等均为存储器中的一 位，相应位为“1 ”时，表示继电器线圈通电或常开触点闭合或常闭触点断开。 所以在梯形图中继电器的触点可在编程时无限引用，既可常开又可常闭。流过的 电流也不是物理电流，而是“概念”电流，且只能从左向右流动。它是用户程序 解算中满足输出执行条件的形象表示方式。p l c 的指令系统非常丰富，功能非 常强大。但由于到目前g o 止p l c 还未标准化，各厂家从硬件设计、图形符号到 指令系统均不相同，亦不兼容，因此使用时应参考相应厂家的指令手册。 p l c 的编程一般可以使用厂家配套的专用编程器一条条输入其指令来完成， 但最佳工具是用微型计算机，特别是笔记本电脑，移动方便，用其输入梯形图， 具有直观、图形化、可加入注释等特点，并具有强大的编辑、查找、调试等功能， 使得编制、维护较大型的程序非常方便。 在开始用梯形图编译p l c 的控制软件之前，首先要根据系统的控制要求确 定系统的控制功能：运动距离( 角度) 的设定、启动停止、正反转、复位、清 零、点动以及实时运动距离( 角度) 的显示，然后为各个电机需要实现的功能分 配p l c 的辅助继电器与数据寄存器，表4 1 为本控制系统p l c 的辅助继电器与 数据寄存器分配使用情况。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 表4 1p l c 的辅助继电器与数据寄存器分配使用情况 功能载物台平动载物台旋转测量架平动 测量架升降测量头俯仰 设定值d 2 ( m m ) d 1 0d 2 2 ( m m ) d 1 8d 4 2 ( m m ) d 4 0d 6 2 ( m m ) d 6 0d 8 2 ( m m ) d 7 8 启动m 7m 2 7m 4 7m 6 7m 8 7 正反转m 5 l im 5 3 lm 5 5 lm 5 7 1m 5 9 1 复位 m 1 0 5m 1 1 5m 1 2 5m 1 3 5m 1 4 5 清零 m 3m 2 3m 4 3m 6 3m 8 3 点动 m 6m 2 6m 4 6m 6 6m 8 6 数值显示d 2 0 2 ( m m ) d 2 0 0d 2 2 2 ( m m ) d 2 2 0d 2 4 2 ( m m ) d 2 4 0d 2 6 2 ( m m ) d 2 6 0 d 2 8 2 ( m m ) d 2 8 0 在分配完p l c 的辅助继电器与数据寄存器后，理清各个控制功能之间的逻 辑关系，画出控制程序的流程图。在这里，五只受控制电机要实现的控制功能是 一样的，所以只要对一个电机的控制逻辑关系搞清，其它的四个电机都是一样的。 对一个电机的主要控制程序流程如图4 7 所示。 图4 7 个步迸电机的控制软件流程图 上海大学硕士研究生毕业论文 1 h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a il r n i v e r s i t y p l c 控制软件是在一遍遍的调试中逐步完善的，具体的梯形图软件见附录 一0 4 3 人机界面触摸屏的设计1 2 9 1 3 0 l 由于本系统除了需要上位机对p l c 的控制以外，还需要一个更加直观，更 加友好的控制界面，本系统就采用了具有很好人机界面的触摸屏技术。 4 3 1 触摸屏技术与触摸屏选用 触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端，简称p t ，是新一代高科 技人机界面产品。专为p l c 应用而设计的触摸屏集主机、输入输出设备于一体， 适合在比较恶劣的工业环境中使用。用它作为人机界面，具有交互性好，可靠性 高、编程简单以及与p l c 连接简便等优点。其主要功能特点如下： 1 、连接简单，用根通讯电缆即可完成与p l c 的连接； 2 、本身自带丰富的部件库，画面制作极为方便： 3 、可替代外部按钮与指示灯。 触摸屏的画面是用专用的作图工具软件设计完成以后，藉通过计算机的 r s 2 3 2 c 串行通讯口下载到触摸屏中。 在本系统中，采用三菱公司的触摸式图形显示操作终端m e l s e c - g o t f 9 4 0 ， 外形如图4 8 所示。 图4 8 三菱公司的m e l s e c g o t f 9 4 0 外形图 4 3 2 触摸屏屏幕文件的设计 屏幕文件是一个全局画面和一个或多个局部画面的集合，是一组将要下载到 触摸屏中的屏幕画面数据。在创建新的屏幕文件时，需要对文件进行一些必要的 设置，具体包括： ( 1 ) 输入文件名称和文件注释； 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y ( 2 ) 选择触摸屏的型号； ( 3 ) 输入全局画面的名称 ( 4 ) 选择p l c 的型号。 设置完成后，便可进行画面的创建，其设计流程如图4 - 9 所示。 图4 - 9 屏幕文件创建流程图 画面的创建过程其实就是在新画面上配置各种部件的过程，部件包括按钮、 指示灯、数字显示器、和画面选择开关等。通过相应的菜单，可以很容易地建立 一个新画面窗口。在新画面上配置一个部件时，只需从部件库巾选择所需的部件， 输入与部件又习应的p l c 功能存储器