（材料加工工程专业论文）三维激光扫描控制系统及图像采集系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 反求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、c a d 、激 。 光、计算机控制等技术为一体的高新技术。它针对现有的工件( 样品或模型) ，利用 3 d 数字化测量仪器快速、准确地测得大量轮廓坐标点，根据这些坐标点重构生成三 、， 维c a d 模型9 本文对华中科技大学快速成形中心自行开发的三维激光扫描系统中的 控制技术和图像采集技术进行了研究，内容包括： 1 ) 论述本课题研究的背景：对当前国内外反求工程的状况、反求系统的控制技术 及图像采集技术进行综述。 2 ) 分析三维激光扫描系统的工作原理，根据系统的要求提出一套可行的控制系统 方案，并给出控制系统的硬件结构，详细分析相关硬件在本系统中的应用；作为控制 系统的核心，重点分析两种基于不同运动控制器的软件结构：分析作为软件开发平台 的w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的体系结构及其编程环境，提出基于两种不同运动控制器 的软件方案，并对这两种方案进行比较。 3 ) 扫描系统采集的图像质量对后续的图像处理的难度和精度有重要影响，本文分 析了图像采集系统的工作原理并给出硬件和软件实现方法。 4 1 最后给出控制系统、图像采集系统的实验结果及三维激光扫描系统的反求实例 并进行分析，对本课题的工作进行总结，对三维激光扫描系统控制系统和图像采集系 统相关的关键技术作进一步展望。 关键词：反求工程；运动控制器；多线程设备驱动程序，插 k 图像采集 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) i san e wa n dh i g l lt e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e sm e a s b r c ，l a s e r , c o m p u t e rc o n t r o la n dc a d r ew o r k sl i k et h i s ：f i r s t l yag r e a tn u m b e ro fp o i n t so ft h e o u t l i n eo ft h em o d e la r eo b t a i n e dr a p i d l ya n de x a c t l yw i t hs o m ek i n do fc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ，t h e nt h e s ep o i n t sa r ef i t t e di n t of l e ef a c e so ft h em o d e l i nt h i s d i s s e r t a t i o na s t u d yo f t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mo f t h e j a g e rs c a n n e ri sc a r r i e do u t b yc o m p a r i n gs e v e r a lk i n d so fc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m , s o f t w a r ep l a t f o r m a p p l i e di n r ec o n t r o ls y s t e m ，a n dc o n s i d e r i n gr e a lt i m e ，r e l i a b i l i t y , o p e n i n g ，as e to fr ec o n t r o l s y s t e mw h i c hc o m p r i s e si n d u s t r y p ca n daf e wc o n t r o lc a r d si s p u tf o r w a r di nt h i s d i s s e r t a t i o n t w ok i n d so fh a r d w a r es c h e m e sb a s e do nd i f f e r e n tm o t i o nc o n t r o l l e r sa r c 呻e m e d a s t h ek e yo ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r eb a s e do nd i f f e r e n tm o t i o n c o n t r o l l e r si sd i s c u s s e di nd e t a i l s t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es c a n n i n gs y s t e ma l e a n a l y z e da n da c c o m p l i s h e d t h et w os c h e m e sa r ec o m p a r e df o rt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e si nd e t a i l s a sa l li m p o r t a n t p a r to f t h e l a s e rs c a n n i n gs y s t e m ，ak i n do fi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m i sd e v e l o p e d i n c l u d i n gt h e r e a l i z a t i o no f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n to f t h ec o n t r o ls y s t e ma n di m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e ma r e p r e s e u t e d a tt h ee n d o ft h ed i s 9 朗协0 1 1 t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dt h ec r i t i c a l a r e a sn e e d i n g 凡加r e s e a r c ha r ep o i n t e do u t t h ec o n t r o ls y s t e ma n di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi n t r o d u c e da b o v eh a v eb e e na p p l i e d t ot h ec u r r e n tn o n e c o n t a c tl a s e rs c a n n e r k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g m o t i o nc o n t r o l l e rm u l t i - t h r e a dd e v i c ed r i v e r i n t e r p o l a t i o ni m a g ea c q u i s i t i o n n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 国内外反求工程研究状况 1 绪论 随着全球一体化市场的形成，制造业的竞争也越来越激烈，产品的开发速度日益 成为竞争的主要矛盾翻，同时制造业需要满足不断变化的用户需求，又要求制造技 术具有较强的灵活性，能够进行小批量的生产甚至单件产品而不增加产品的成本，因 此产品的开发速度和制造技术的柔性变得十分关键f a 。 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术就是在这样的背景下产生的。r p 技术是 种以c a d 模型直接驱动的快速完成任意复杂形状的原型或零件的先进制造 4 1 。快 速原型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、修改及功能测试，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【5 1 。 对于大多数产品，都可以在通用的c a d 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，或进行产品的再设计 和改进，在某些情况下由于存在多种需要考虑的因素，如功能、工艺、外观，使得一 些零件的形状很复杂，很难在c a d 软件上准确的设计出它们的实现模型，而且开发 周期长，因此必须首先制造出产品的小比例或真实比例的模型，如木模，陶模，然后 测得实物模型，通过测量获取三维实体模型的数据并在计算机中处理一在模型基础上 进行适当改进和局部创新，这种方法相对容易，开发周期短，此时就要借助反求工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 【3 】【6 】。反求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、c a d 技术、激光技术、材料技术和计算机控制技术等技术为一 体的高新技术，它针对现有的工件( 样品或模型) ，利用3 d 数字化测量仪器快速、准 确的测得大量轮廓坐标点，并对这些坐标点加以建构曲面、编辑、修改后输入到 i 华中科技大学硕士学位论文 c a d c a m 系统，生成n c 的刀具加工路径，输入c n c 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 7 】o 快速原型制造与反求工程的结合，形成了一个包括设计、制造、检测的快速设计 制造闭环系统，如图1 - 1 所示，在医学、航空、航天、汽车、模具制造等方面都具有 重要作用。 图1 一l反求工程和快速原型技术的集成 反求工程可以分为两个步骤：自由曲面的数据获取、c a d 模型的重构 1 ) 自由曲面的数据获取 反求工程是通过获取实物表面大量的坐标点，然后拟合重构生成实体模型的过 程。物体自由曲面的数据获取是指采用某种测量方法测出实物表面若干组点的几何坐 标点。按测量方法分类，数据获取可以分为接触测量和非接触式测量【0 1 。 在接触式三维坐标点采集设备最常用的坐标测量仪c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n e ) ，具有较高的精度，它是用压敏材料制成的探头接触被测物体表面时产生的 电信号来确定物体表面点的坐标。接触式测量实际上使测量头在工件上快速移动，从 而快速记录路径点的坐标值。在接触式测量中还有电磁感应法，该方法把被测物体放 在一带有电磁场的台面上，然后用手持的触头在物体表面上滑过。触头上装有一磁力 感应器，可以检测到触头的位置和方向，该方法可以每秒6 0 点的速率采集物体表面 上的点，但只能用于非金属材料的物体上。接触式测量技术优点在于不受物体表面颜 色及光照的限制，对物体的边界也能产生准确的测量结果，但有其固有缺陷，它的扫 描数字化速度受到机械限制，而且对某些测头不能触及的表面无法测量，不可测量某 华中科技大学硕士学位论文 些测头不可触及的软材料【1 1 m 】。 非接触式坐标点的采集方法主要有激光扫描法和逐层扫描测量法。激光扫描法是 通过发射激光束到物体表面，反射后被一感光设备接收，然后根据反射时间、光源与 感光设备间的位置关系推算出物体表面的坐标。由于光源及感光设备可安置在可由计 算机控制的工作台上，从而可以实现多重扫描，快速的获取物体表面上大量的坐标点， 但这种方法只适用于外轮廓表面。逐层扫描测量法则可用于复杂的内轮廓高速测量。 典型的方法有工业c t 和逐层切削照相测量也是一种有效的获取物体坐标点的方法。它 除了能获取物体外表面上点的坐标外还能获取物体内表面上的点，但所获得的点只是 以横截面的形式给出，不利于物体表面的精确拟合，而且其设备、使用，维护费用也 极为昂贵【l4 1 。逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术，它以极小的厚度去逐层 切削实物，并对每一断面进行照相，获取截面图像数据，其轮廓精度可达o 0 2 5 4 毫 米，这是目前断层测量精度最高的方法，而且成本也低，但突出的缺点是损坏了实物【8 1 。 总之，随着计算机性能的提高，用非接触式光电方法对曲面的三维形貌进行快速 测量已成为大趋势，这种测量速度快，适合于各种不同质地的产品的测量，可以相当 密集地对产品表面进行测量，采集大规模的数据点避免了接触测量中对测头半径补偿 带来的麻烦，可以实现对各类表面进行高速三维测量。 2 ) c a d 模型的曲面重构 通过数据采集系统得到的三维数据量既大又密，甚至是十分庞大的离散数据点， 这样的数据不利于构造c a d 几何模型。因此，在构造c a d 几何模型前，需要对数据 进行处理。经过处理以后才可建立具有一定格式要求的数据文件。数据处理包括数据 点滤波、数据点优化、数据点的聚合数据等。 零件c a d 建模包括数据拟合和实体建模。数据拟合是采用某种算法将数据点拟 合成曲线、曲面，离散数据点的曲线曲面拟合仍是反求工程的研究热点。数据拟合 得到的曲面是一种表面模型，缺少面边相邻的实体拓扑信息，有必要进行实体建模 1 5 - t 7 | 。在自由曲面的逆向工程实体建模中一般需要借助通用的c a d c a m 软件，实 3 华中科技大学硕士学位论文 现曲面的实体造型，并且生成n c 指令用于数控加工或s t l 文件格式用于快速原型制 造。像p r o e n g i n e e r 软件中的p r o s c a n 具有一定扫描测量数据的处理能力，而且这些 软件都可以生成n c 加工指令【l s - 2 0 。另外由于逆向工程的广泛应用，目前已有不少公 司推出有关逆向工程的软件系统，如i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e r , m a t r a - d a t a v i s i o n 公司的s t r i m 等，这些系统主要以交互操作为主，用户可方便的对坐标点集进行精 简、光顺、分割、及拟合处理，通过数据交换标准，i g e s 、d x f 、s t l 、v d a ，它们 还可与其他应用系统集成在一起。 反求工程因其广泛的应用前景，国内外许多公司、科研机构致力于开发了反求设 备，目前国外如英国3 d - s c a n n e r 公司的激光扫描测量仪、美国“l a s e rd e s i g n ” s u r v e y o r l 2 0 0 立体激光扫描系统、德国g o m 公司的a t o s 测量仪等。这些测量设备 功能较完善，但价格相当昂贵。由于国内起步晚，国内的反求技术的发展要落后于国 外先进水平。华中科技大学图象所开发了三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，于1 9 9 5 年获得国家专利。海信集团技术中心工业设计所研制开发的反求工程项目，已经通过 了国家级技术鉴定。 1 2 反求工程中控制技术和图像采集技术概述 三维激光扫描测量是一种数控仿形技术，其控制系统按所用进给伺服系统的类型 可分为开环系统、闭环系统和半闭环系统。开环系统如图1 2 所示： 图1 - 2 开环进给伺服控制系统 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r r l 电平，不足以驱动电机，此时就需要相 应的功率放大器一一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 4 华中科技大学硕士学位论文 转一个步距角，从而带动丝杠，由丝杠带动相应刀具、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掉步，丝杠是否移动到了指定的位置。因此这种 系统需要靠机械和电机的精度保证，系统速度和精度都较低 2 1 2 3 l 。 闭环系统常用在精度要求较高的反求系统中，种构成位置环控制系统原理如图 1 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1 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1 3 实线所示) 为全闭环系统。这种闭环或 半闭坏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。 图1 3一种闭环伺服控制系统的组成 由图1 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 2 4 】。 图像采集系统是扫描系统的重要组成部分，用于获取激光测头扫描工件时运动的 图像，图像处理系统根据这些图像在一般的二维灰度图像中用距离或深度求得第三坐 华中科技大学硕士学位论文 标，因此采集图像质量的好坏直接关系到后续图像处理的难度和精度。图像采集系统 的基本模块如图1 4 所示【2 5 】。 图1 4 图像采集系统基本模块 视觉传感器是图像采集系统的信息来源，一般由图像传感器和特殊光发生器组 成，主要功能是获取扫描系统的原始图像。图像传感器有多种，如以线阵或面阵c c d 为感光器件的摄像头，以及低功耗价格便宜但精度相对较低c m o s 摄像头。特殊光 发生器一般为半导体激光器或者红外激光器或氮氖气体激光发生器，主要功能是形成 被分析图像的特征。 高速图像采集功能是实时地将视觉传感器获取地模拟视频信号转换为数字图像， 数字图像输出给专用图像处理系统或通过标准总线如i s a 、p c i 输入到计算机。它通 常由专用视频解码器、图像缓冲器以及控制接口电路组成。 专用图像处理系统用于特定需要高速处理图像的场合，图像数据进入计算机以 前进行各种低级图像算法处理，减轻计算机的处理负荷，提高系统的性能。通常采 用数字信号处理器( d s p ) 或f p g a 等设计的全硬件处理器，因此具有较高的处理 速度。 计算机是系统的核心，用于调控整个系统的正常运行、对采集图像进行处理并输 出最后处理的结果。随着计算机性能的提高，用软件代替部分硬件( 如专用图像处理 系统) 的功能成为可能，这样使得整个系统具有更好的稳定性和灵活性。 1 3 课题研究的意义 我国是机械加工大国，在航空、航天、汽车以及电子医疗等工业，都存在着开发缓 华中科技大学硕士学位论文 慢的问题f 2 0 】。缺乏先进快速成型及模具制造技术的配合，开发周期、产品质量、市场 竞争力、成本等方面的问题都很难解决。为了同国际经济接轨，我国政府和经济界越来 越认识到，推广应用反求工程技术是我国工业发展的必由之路。鉴于我国大部分企业的 产品开发能力还比较薄弱、财力不足及高新技术人才的缺乏，有许多高校也开始注目 或涉入这个高新技术产业，但仅限于西交大、清华和华中科技大学及个别专业公司， 还没有真正形成集开发、研制和销售于一体的经济实体，在政策、人才和资金等方面 还需要国家的大力扶持。为了解决新产品开发缓慢，提高本国产品在国际市场的竞争力， 许多国家和我国一样迫切需要先进的反求工程设备。进口全套反求技术设备所需投资 较大，当前从国外进口的反求设备技术设备都在百万人民币以上，国内一般的企业难 以承受，并且国外这些反求设备技术都严格保密，因此开发适合我国国情反求设备具 有重要的意义。 1 4 课题的来源和本文的内容安排 本论文的研究得到国家自然科学基金( 基金项目号5 0 1 7 5 0 3 4 ) 的资助，是三维激 光扫描系统的重要组成部分，课题的目的是按激光扫描系统的要求开发一套w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的计算机控制系统和图像采集系统，包括硬件的设计和软件的开发。本文 的主要内容如下： 第一章概述反求工程当前国内外的研究现状以及发展趋势，分析当前反求设备 中的控制技术和图像采集技术。 第二章分析三维激光扫描系统的工作原理，根据系统的要求提出一套切实可行 的控制系统方案；提出两种基于不同控制器硬件组成方案，介绍与控制系统相关的硬 件及其在本系统中的应用。 第三章分析开放式数控系统的特点，对w m d o w s2 0 0 0 的体系结构，多线程编程 技术和设备驱动的编写作深入的研究，详细介绍基于两种控制器的软件结构及实现方 法，并比较两种基于不同控制器的方案。 7 华中科技大学硕士学位论文 第四章分析图像采集系统的工作原理，给出图像采集系统硬件结构和软件结构 的具体实现方法。 望。 第五章给出实验结果并对其进行分析。 第六章总结本文的工作，对影响系统性能的关键技术的升级作进一步的研究展 8 华中科技大学硕士学位论文 2三维激光扫描仪控制系统分析及硬件结构 2 1 三维激光扫描系统工作原理 本课题开发的反求设备是基于线激光扫描的自由曲面测量系统，其工作原理如 图2 - 1 所示【1 1 1 。 特潮物体表面 圈2 一l 三维激光扫描系统工作原理 z 轴上固定两个摄像头和一个线激光发生器( 线激光也称为光刀) ，它可作垂直 于工作台的上下移动，x 轴和y 轴可以作平行于工作台的x 、y 方向移动。工作时 先根据当前的摄像头、激光器的位置作系统参数标定( 系统参数标定就是要定义出 光刀扫描过曲面的各点的实际坐标与光刀扫描点接收图像平面坐标之间的对应关 系) ，确定扫描速度，根据零件大小确定扫描的轮廓等参数，然后在计算机控制下按 一定的路径对实体进行扫描。在扫描过程中，左右摄像头以每秒2 5 帧的速度拍摄图 像，计算机对同一时刻拍摄的两幅图像进行处理( 如提取光刀的中心点、离散、匹 配等) ，根据x 、y 坐标求得该点在空间的z 坐标值，最后对这些三维数据点过滤( 去 掉噪声点以及大误差点) ，提取特征点，曲面重构，生成三维c a d 模型。这种c a d 模型按某种文件的格式输出，便可以在数控机床( 如生成g 代码) ，或快速成形机上 o 华中科技大学硕士学位论文 加工( 如生成s t l 文件) 。 由此见三维激光扫描系统有如下特点： 1 ) 在扫描期间测头运动必须匀速，否则采集的图像间隔时大时小，影响数据处理 的精度。 2 ) 线激光的能量必须适中而且宽度较小，这样有利于提高数据处理的快速性以及 减少数据的噪声点。 3 ) 图像采集系统必须能尽可能小延时地采集运动图像，采集的图像数据量尽可能 小而又能达到数据处理精度的要求。 4 ) 图像处理的速度足够的快，通常采集的图像都暂时存放在内存，因此应该尽快 地释放这些内存以便循环利用，在扫描的同时就可以处理完数据。 5 ) 重构的曲面失真度尽可能的小。通常的采集的数据点云非常庞大，而且数据采 集时的环境或多或少受外界环境的影响，如果不进行数据点的过滤等预处理就会出现 挂面严重失真。 2 2 控制系统的硬件方案 根据激光扫描仪工作的特点、精度、复杂度以及成本的考虑，我们选择了两种基 于不同控制器的半闭环控制系统，这种控制系统的特点是其伺服精度在开环和闭环之 间，但符合在特定情况下( 如与快速原型制造配套) 的精度要求。控制系统的执行机 构由步进电机和驱动器组成，采用计算机和运动控制卡实现对三个步进电机的控制， 编码器作位置反馈，从步进电机的端部间接地获取执行部件的位置值。用i o 口实现 对丌关量的控制，如激光、强电开关。控制系统的硬件结构如图2 2 所示【】。在本系 统中，控韦4 卡输出的脉冲信号输入到驱动器，经过功率放大，输入到步进电机，并且 编码器的输出也是作为脉冲数字量信号输入到信号采集卡，所以省去了一般计算机控 制系统中的a d 和d a 转换卡。对于控制系统核心部分的运动控制卡，生产商不同， 最终系统的硬件组成和软件设计都会有很大不同。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 工 毳 一 1 业 l j 辇 爿 控 l p 1 r - ， 制 计 l算 机i 1 | 驱动器h 妻新进电机r 1 = ：i s 重 匿 a l 一 鎏 1 驱动器一进电机r 1 ”卜- l 总 广1 掣 标 线 准 计 驱动器磊广1 进电机h 。”l 算 机 外 输 雹! 埯圈设匕 入 输 出 = 吾翘端h 雾燃测 卡 _ 图2 - 2 三维激光扫描仪控制系统硬件结构框图 2 3g t - 4 0 0 - s p 运动控制器及在本系统中的应用 固高公司的g t - 4 0 0 s p 四轴运动控制器的核心由a d s p 2 1 8 i 数字信号处理器和 f p g a 组成 2 6 1 。g t - 4 0 0 s p 运动控制器以i b m - p c 及其兼容机为主机，提供标准的i s a 总线。该运动控制器提供c 语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些控制函 数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等部分集成在一起，建造符 合特定应用要求的控制系统。g t - 4 0 0 s p 将四轴电机控制集成在同一运动控制器上， 适用于脉冲控制的步进电机等多种控制场合。p c 机通过主机通讯接口与g t - 4 0 0 - s p 运动控制器交换信息，包括向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动 控制器的当前状态和相关控制参数。运动控制器完成实时轨迹规划、脉冲输出控制、 主机命令处理和控制器i o 管理。运动控制器通过四路脉冲输出接口控制步进电机实 现主机要求的运动。运动控制器提供八路限位开关输入，四路原点开关输入，四路电 机驱动器报警信号输入，四路电机驱动器使能信号输出，四路电机驱动器复位信号输 华中科技大学硕士学位论文 出以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口，实现复杂灵活的运 动控制。g t - 4 0 0 s p 运动控制器还可以接收各个轴的编码器的反馈信号，在采集时， 控制器把输入编码器的信号的频率作4 倍频，反馈给用户。 本系统利用控制卡的三个通道实现对x y z 轴的控制，另外一个轴可以作为系 统升级时对工件位置旋转的控制。 在系统回零时利用了控制器的零点高速位置捕获的功能，即当系统回零时使 x y z 轴朝反向运行，碰到零位开关时候触发信号立即被控制器捕获，可以在设定位 置捕获功能时候使得电机立即停止，其精度在一个脉冲当量。系统回零的过程如下： 当电机反向运行时触发零位开关即被控制器停止，然后各轴正向走一个丝杆螺距， 以此点为系统的零点，以后工作的位置即是以此点为基准的相对距离。 当系统处于调试状态时，各个轴以当前点为零点启动，一直运行直到人为的停 止或触发限位开关。因此无论对哪个进轴进行调试，系统必须重新回零，以便确定 系统的零点。 由图2 - 1 可知z 轴底部装有摄像头和激光器，因此必须严格限制z 轴与工作台 的距离，以防超过行程撞坏摄像头和激光器，利用控制卡的各轴的限位开关可以实 现对各个轴行程的控制。 利用控制卡附带的i o 量可以实现对系统强电( a c 2 2 0 v ) 和激光电源( d c s v ) 的控制，控制卡只提供了数字量( d c l 2 v ) 输出，没有提供d a 输出，因此如果要 实现对实现对激光能量的控制还需要模拟量输出卡，在本系统中只是简单实现开关 的控制。 2 4p c l - 8 3 9 运动控制器及在本系统中的应用 p c l 8 3 9 是由a d v a n t e c h 制造的高速三轴运动控制器，能够同时、独立地产 生脉冲序列用于控制三个步进电机( 或是脉冲方式的伺服电机) 。此运动控制器有如 下特点【2 7 1 1 2 8 l ： 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 提供三个脉冲发生器：用于同时独立的控制三个步进电机。 2 ) 提供两种操作模式：双脉冲模式和脉冲+ 方向模式。 3 ) 提供可编程的脉冲频率：从1 赫兹到1 6 0 0 0 赫兹。 4 ) 提供1 6 路输入输出t t l 兼容通道。 5 ) 提供实现光隔的输入输出，提供5 0 0 v d c 的隔离保护。 p c l 一8 3 9 运动控制器是一款功能强大的控制器，它不仅给用户提供了c 函数库 的方式，也提供寄存器编程的方式，因此该控制器的使用极为灵活。用c 函数库的 方式使得用户的编程工作比较简单，但由于只能在应用层进行操作，因此用户就不 可能充分利用控制器提供的硬件资源，限制了用户对硬件的使用范围。本系统我们 对该控制器使用寄存器编程的方式，聋接在对控制器提供的硬件资源进行操作，虽 然这种开发方式相对于直接使用控制器厂商提供的c 函数库复杂一点，但增加了系 统开发的自由度。在基于p c l 8 3 9 运动控制器的方案中，需要实现的功能同基于 g t - 4 0 0 s p 控制器的方案。 p c l 8 3 9 运动控制器提供了三种命令的操作模式： 1 ) 手动模式，控制器一旦开始发脉冲必须由程序发出停止的命令，控制器才会 停止发送脉冲。 2 ) 预设置模式，控制器自动规划加减速点。 3 ) 原点模式，触发原点开关或者收到停止命令时才会停止。 在本控制系统中，手动模式用于调试电机，用预设置模式作一般的移动位置命 令。 控制器提供了两种速度模式的选择：一种是常速模式，这种模式没有加减速阶 段，用于跳交的相对速度较小的情况；另外一种是高速模式，有加减速阶段。它们 如图2 3 所示： 1 3 华中科技大学硕士学位论文 a ) 常速模式b ) 高速模式 图2 - 3 速度模式 在基于该控制器的控制系统方案中，运动轨迹的规划采用4 毫秒插补的方法， 在4 毫秒之间移动的距离一般极短，如果在小段的直线之间频繁的加减速，会引起 机械系统的抖动，缩短系统的使用寿命。考虑到电机的惯性，在4 毫秒之间电机的 速度变化很小，因此我们采用了常速模式实现电机速度的直接跳变。 p c l - 8 3 9 运动控制器还提供了限位、原点开关量的输入。在本系统的直线运动 中为了保证安全，在行程的两端都设有限位开关，一旦超过行程，电机将被锁住， 只能往相反方向移动。原点开关用于定位系统初始的位置。控制器还附带1 6 路t t l 兼容的输入输出用于控制强电和激光器电源的开关量。 2 5 输入输出卡及在本系统中的应用 基于p c l - 8 3 9 运动控制器的控制系统方案需要有一个精确的1 毫秒定时，但无论 是计算机内部的时钟还是w m d o w s 系统的应用层都不能提供这样精确的定时，因此 只能用硬件来实现。我们用的输入输出卡是一块通用的a d 、d a 转换控制卡1 2 9 1 ，它 有8 路模拟量输入通道( a d ) ，转换字长1 2 位，转换时间为2 5 微秒。同时该卡拥有 两路1 2 位d a 的输出通道，输出范围有o 5 v 和0 1 0 v 两档。输入输出卡的a d 转换有软件模式，时钟模式和外部脉冲模式三种触发模式，转换后的数据有软件控制 模式和中断模式两种传送模式。而此a d 、d a 转换卡刚好可以提供一个a d 转换中 断，实现方法如下【2 8 】： i ) 选择输入输出卡的a d 转换触发模式为时钟模式，同时数据传送模式为中断模 1 4 华中科技大学硕士学位论文 式，时钟模式和中断模式必须配合使用。 2 ) 设置时钟中断频率，并启动定时器。 3 ) 当定时时间到达，便由定时器输出信号触发a d 转换，当a d 转换完成以后， 便产生一个中断，这是程序便截获该中断，转入中断服务处理程序，在该服务程序中 完成各种控制活动。在上述中断产生过程中，定时器输出没有用于产生中断，而是触 发a d 转换，再由a d 转换结束信号来产生中断。a d 转换的最大时间是2 5 微秒， 即定时中断的误差最大为2 5 微秒，因此如果中断频率取4 k 或更高，则必须考虑该误 差对中断频率精度所带来的影响，在本系统中由于中断频率为l k ，因此误差对精度影 响可以忽略。另外a d 卡还带有两路d c 5 v 和d c l 0 v 的d a 输出，因此可以作为d c 5 v 的激光器功率控制。 2 6 驱动执行单元及在本系统中的应用 步进电机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移( 角位移或线位移) 的机电 执行元件。它的机械位移与输入数字脉冲有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使 步进电机前进一步。采用步进电机的系统结构简单，调试方便工作可靠，成本低。采 取定措施( 如加编码器，光栅尺) 也可以将步进电机用到闭环和半闭环的控制系统 中。步进电机主要有如下优点： 1 ) 直接实现数字控制数字信号经环形分配器和功率放大后直接控制步进电机，无 需任何中间转换装置。 2 ) 控制性能好位移量与脉冲数成正比，可用开环方式驱动而无需反馈。能快速方 便的启动、反转和制动。速度与脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以在较宽的范围 内调节速度。 3 ) 无累积定位误差每专一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误 差不会长期积累。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 基于以上的优点以及结合本系统的要求，我们采用了雷赛( l a k e s i d e ) 公司的 步进电机( h y 2 2 3 1 ) 及驱动器( m 5 3 5 ) 作为本控制系统的执行元件【3 0 】。驱动器的 性能很大程度决定了整个执行机构的性能。选用的驱动器m 5 3 5 具有如下特点： 1 ) 电流控制采用双极性等角度恒力矩技术，可以产生更大的力矩和功率 2 ) 电流波纹小，静止时电流自动减半，减少驱动器和电机的发热量，高速力矩 大。 3 ) 光隔输入，细分精度可选，精度高，最高可达2 5 6 * 2 0 0 步转的细分精度。 在实际使用中，我们选用5 0 * 2 0 0 的细分精度，在用编码器检测时候可以看到在 脉冲丢失率小于1 1 0 0 0 ，计算而且随着脉冲数的增大，丢失率也没有增大，以丝杆 螺距4 毫米，转计算，控制系统的精度在o 0 0 4 毫米。重复定位误差经实际测量小于 o o l 毫米，完全可以满足系统精度需要。 光电编码器在是本控制系统的反馈单元，用于检测步进电机的丢步情况，并进 行补偿。在基于g t - 4 0 0 s p 运动控制器的硬件系统中，该控制器自带有编码器的反 馈输入单元，p c l 8 3 9 运动控制器只提供对三轴的控制，需要另外加编码器信号采 集单元。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 三维激光扫描仪控制系统软件结构 软件是现代数控系统的核心，也是本课题的重点。本章首先介绍了w m d o w s 环 境下数控系统的特点及w m d o w s2 0 0 0 编程环境，随后的两节详细阐述了三维激光扫 描仪控制软件的实现方法。 3 1 基于w i n d o w s 平台的开放式数控系统 开放式数控系统是当前数控系统发展的主要趋势。对开放式数控系统的研究主要 是为了解决频繁变化的需求和控制系统专一的矛盾，从而建立一个可重构的平台，增 强数控系统的柔性和适应性【3 1 七3 1 。以前的数控系统中，由于通用的c p u 不能满足数 控系统的实时性要求，如插补运算、位置控制等，必须设计专用的芯片和硬件电路， 如此导致了各生产商设计了自己专用的硬件和软件系统。这种封闭式结构使得数控系 统的开发成本高，升级困难，可扩展性、可维护性和易用性差。随着p c 的性能的日 益提高和价格的不断下降，发展基于p c 的数控系统成为研究的重点【3 5 1 。p c 机进入 数控领域，极大的丰富了数控系统的软硬件资源，有利于实现总线式、模块化、开放 化的数控系统p 捌。 目前基于p c 的数控系统中，软件平台多以d o s 和w m d o w s 为主【3 7 1 。d o s 允 许用户直接的修改中断向量和访问硬件，这使得d o s 具有较强的实时性。另一方面 d o s 是单任务操作系统，运行于实模式下程序受限于6 4 0 k 内存，对于3 2 位的c p u 实际上只能当作1 6 位使用，不能充分利用现有的资源口8 1 ，而且操作界面不友好。正 是因为d o s 是单任务的，当数控系统在进行某项操作时( 运行某个进程) ，就不能同 时进行另外的操作，这种情况对数控系统是极为不利的。因为通常数控系统在进行某 些操作时，需要把当前系统的一些状态及时地显示给用户【3 9 】i 删，实现用户界面和控制 层之间的信息交换，但对于单任务的系统来说，是几乎不可能做到不丢失信息的。总 i 7 华中科技大学硕士学位论文 之用d o s 作为数控系统的软件平台，虽然具有较强的实时性，但因为是一种单任务 的系统，不能充分利用p c 机丰富的资源，终将被多任务、有较强实时性和界面友好 的操作系统所代替。 w i n d o w sn t 2 0 0 0 是一种多任务、抢占式可重入的3 2 位操作系统，它能够在多 种硬件体系结构上运行，符合现代数控系统开放性的要求。多任务是指操作系统在运 行其某个程序时，其他的程序可以同时运行而不影响原程序。w i n d o w s 实际上是基于 时间片轮转同时兼顾优先级的操作系统，因此它能快速响应某些高优先级的任务，又 同时保证优先级较低的任务在适当的时候( 如c p u 空闲时) 被得以执行。与d o s 相 比，w i n d o w s 提供更好的用户界面和编程接口。 实时性是数控系统的首要的关键技术，但w i n d o w s 相对于v x w o r k s 、r t l i n u x 和q n x 等工业实时操作系统而言它是一个弱实时系统【3 4 】。w m d o w s 是一个通过截取 d o s 的0 8 h 中断来实现消息驱动的操作系统。在w i n d o w s 系统中当某个程序被执行 时，操作系统即为它创建了一个进程( p r o c e s s ) ，这个进程可以又可以创建多个线程 ( t h r e a d ，l i g h tp r o c e s s ) 。线程是w m d o w s 系统中被调度的基本单位，进程作为线程 运行的环境如拥有内存空间，串行口等各种资源。每个线程都有一个完全不受其他线 程影响的消息队列，每当系统截获一个消息，就把该消息挂接到相应的队列，而线程 被执行时即可从该队列提取消息进行处理( 4 1 1 。从消息的截获、挂接到此消息被处理需 要消耗一段较长的时间，所以这种机制并不适合数控系统强实时的要求。例如 w i n d o w s 提供的一种系统定时器中断是1 8 2 次，秒，即定时周期为5 4 9 5 毫秒。用户 可以设置一个定时器，系统每隔一定时间发一个w m _ t i m e r 消息，由于该消息在消息 队列中的优先级较低，所以即使在指定的间隔时间内也不一定可以保证应用程序能收 到该消息。另外w i n d o w s 也提供了一种多媒体定时，虽然可以设置定时周期最小为 1 毫秒，但是由于系统显示刷新等系统开销也需要占用一定的时间，据实际测试精确 度一般在1 0 毫秒左右。显然在w i n d o w s 应用程序中这样的定时精度不能适应数控系 统实时性较强的要求f 4 2 】。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 上述可知，在w i n d o w s 的应用程序层并不能保证系统较强的实时性，部分的原 因在于应用程序不能像d o s 那样可以直接访问系统的硬件。w i n d o w sn t 2 0 0 0 的体 系可分为用户态和核心态。在用户态，程序不能执行特权指令和直接操作硬件；在核 心态，程序可以执行特权指令，访问所有的硬件，包括内存。w m d o w sn t 体系结构 如图3 1 所示【4 3 】： 核心态 图3 - 1 简化的w l , x l o w s n t 体系结构 显然在w i n d o w s 中如果用户可以访问硬件，则可以用外触发中断机制来实现较 强的实时性。w i n d o w s 为用户提供了这种系统扩展的功能。在w i n d o w s 9 x ，可以编写 虚拟设备驱动程序( v x d ) ，在w i n d o w s n t ( 2 0 0 0 ) 可以编写n t 式的驱动程序( 或 w d m ) 实现直接对硬件的操作。 在实际的数控系统中，在应用层利用w m d o w s 的抢先式多任务多线程可以并行 地处理一些较弱实时( 或非实时) 的任务如状态显示、数据预处理等，而在核心层通 过使用硬件中断的方式可以实现实时性较强的任务如实现位置控制和速度控制等，同 时w i n d o w s 提供了丰富的图形界面资源，使得用户界面非常友好，用w i n d o w s 作为 软件开发平台是开放式数控的发展一种趋势。 3 2 w i n d o w s 多线程编程技术及在本系统中的应用 w i n d o w s 是个多线程多任务的操作系统，当一个可执行程序被执行时，系统即 1 9 华中科技大学硕士学位论文 为它创建一个进程，它有独立的内存空间、文件句柄和其他的系统资源f 删。一个进程 可有多个线程，其中一个是主控线程，其他的是辅助线程，也称为工作线程( w o r k t h r e a d ) ，进程的所有代码和数据空间被进程的所有线程所利用，线程是操作系统调度 基本单位。 线程由操作系统管理，每个线程都有自己的堆栈，工作线程可以由主控线程创建， 也可由另外的工作线程刨建。创建线程的函数原型如下： h a n d l e c r e a t e t h r e a d ( l p s e c u r i t y _ a t t r i b u t e sl p t h r e a d a t t r i b u t e s ， ，线程的安全属性， 倜e n u l l 为默认值