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实现球面孔位测量的d s p 运动控制系统的研究 测试计量技术及仪器专业 研究生唐娟指导教师徐晓秋 运动控制系统是一个结合了电机学、自动控制学、电气技术、机电一体化 技术、计算机控制技术的综合系统。在生产实际中，使用运动控制技术设备， 能够解决各种复杂的定位控制问题，因此它在加工机械、医疗机械、机器人、 自动组装线、半导体制造、部件组装、纺织机械、包装机械等领域得到了广泛 的应用，并表现出了越来越强的生命力。 本文针对机器视觉球面孔位精密测量系统对球体转位的定位精度和转位速 度的技术要求，对步进电机运动控制系统进行了研究，主要包括运动控制方案 研究、具体的运动控制系统的设计以及步进电机控制算法优化等内容，可以概 括为以下几点： 1 在比较了当前几种运动控制系统实现方法的基础上，确定采用基于d s p 的控制器来构成运动控制系统，并选择了合适的d s p ：芯片。 2 在系统控制方式上，为满足转位机构定位精度和转位速度的要求，确定 采用p c 机和d s p 运动控制器组成的主从式控制模式。p c 机作为上位机，向 d s p 发送命令，完成对d s p 的控制，以及进行后续的数据及图像处理；d s p 作 为下位机，接受来自p c 机的命令，然后对步进电机进行控制；而经光电轴角编 码器检测到的实际转角反馈到d s p ，d s p 再控制步进电机进一步转动，实现闭 环控制。 3 为了提高测量项目的自动化程度，用m i c r o s o f t a c c e s s 2 0 0 3 建立了一个球 孔名义测量尺寸的数据库，然后在v c + + 应用程序中利用o d b c 方式来访问该 数据库，就可以在p c 上位机操作界面l 完整地浏览到所有待测球孔的数据，因 而不必手动输入，就可直接选择所要测量的球孔进行测量。 4 阐述了p c 机与d s p 之间的通讯过程，并对其接口电路进行了设计，根 据本系统运动控制特点制定了相应的通讯协议。 5 利用基于d s p 的运动控制系统实现了对步进电机的控制，对步进电机的 加减速、位置控制以及多轴联动进行了较为深入的分析。 6 针对步进电机传统p i d 控制算法难以达到理想控制效果的问题，提出一 种将p i d 控制与模糊控制相结合的模糊p i d 算法，使系统达到较高的性能。 基于本文所述的运动控制系统，在充分利用成熟技术的基础上，利用d s p 比其他运动控制器更高的精度和速度，以及专用电机控制p w m 输出l _ j 的优势， 达到了“机器视觉球面孔位测量系统研究”项目对转位机构运动控制精度和速 度的技术要求，满足项目测量需要。 关键词：运动控制步进电机d s p 模糊p i d 算法 d e s i g no f m o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p f o rt h e s p h e r eh o l el o c a t i o n m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t p o s t g r a d u a t e ：t a n gj u a n s u p e r v i s o r ：x ux i a o q i u m o t i o nc o n t r o l s y s t e mi s a i n t e g r a t e ds y s t e mc o m b i n e dw i t he l e c t r i c a l m a c h i n e r y , a u t o m a t i c c o n t r o l s c i e n c e ，e l e c t r i c t e c h n o l o g y ，e l e c t r o m e c h a n i c a l t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g i e s d e v i c e s c a ns o l v es e v e r a lc o m p l i c a t e dl o c a t i o np r o b l e m si n t h ep r a c t i c eo fi n d u s t r y , a sa r e s u l t ，t h e yh a v eb e e nu s e df a ra n dw i d ei nt h ef i e l d so f m a c h i n i n gm a c h i n e s , m e d i c a l t r e a t m e n t m a c h i n e s ，r o b o t s ，a u t o m a t i c a s s e m b l y l i n e w o r k ，s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r e ，p a r t s a s s e m b l y , w e a v e m a c h i n e sa n d p a c k a g i n g m a c h i n e s e t c m o r e o v e r , t h e ya r et a k i n go ns t r o n g e ra n ds t r o n g e rl i f ef o r c e s t h i st h e s i ss t u d i e so n s t e p p e rm o t o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d e a da g a i n s tt h e t e c h n i c a ld e m a n d so no r i e n t a t i o n p r e c i s i o n a n d r e v o l v i n gs p e e d ，w h e ns p h e r e r e v o l v e si nt h em a c h i n ev i s i o n m e a s u r e m e n t s y s t e m o ft h e s p h e r e h o l e l o c a t i o n ，m o s t l yi n v o l v i n gt h er e s e a r c ho nt h e p r o j e c t o ft h em o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，t h es p e c i f i cd e s i g no ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m a n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m o ft h ec o n t r o lo fs t e p p e rm o t o r s e t c ，r e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , c o m p a r e dw i t hs o m ek i n d so ft h er e c e n tr e a l i z e dm e t h o d s ，ac o n t r o l l e r b a s e do nd s pi sa d o p t e dt oc o m p o s et h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ec h i p ，st y p e o fd s pj sc h o s e n s e c o n d l y ，b a s e do nc o m p u t e rc o n t r o lm o d eo fs t e p p e rm o t o r s ，i no r d e rt os a t is f y t h ed e m a n d so no r i e n t a t i o np r e c i s i o na n dr e v o l v i n gs p e e do ft h el o c o m o t i o nm a c h i n e t h em a s t e r s l a v ec o n t r o lm o d ei s a d o p t e d ，w h i c hm a k e su po fap e r s o n a lc o m p u t e r i i i ( p c ) a n dam o t i o nc o n t r o l l e r a st h eu p p e rh o s tc o n t r o l l e r ，p c s e n d so r d e r st od s pf o ri t sc o n t r o l ，a n d e o m p l e t e s t h ef o l l o w i n gd a t a a n di m a g ep r o c e s s i n g 。d s p ，a s t h el o w e rs l a v e c o n t r 0 1 1 e r ，r e c e i v e st h eo r d e r sb yp ct o c o n t r o ls t e p p e rm o t o r s a n da tl a s t ，d s p f 。e e i v st h ea c t u a lr e v o l v i n gd e g r e e s ，d e t e c t e db yp h o t o e l e c t r i ca x i s _ d e g r e ee n c o r d e 筠 a st h ef e e d b a c ks i g n a l s ，t od r i v es t e p p e rm o t o r sr e v o l v i n gf u r t h e rm o r e s ot h ec l o s e l o o pc o n t r o lh a s b e e na c c o m p l i s h e d t h i r d l y , i no r d e rt oi m p r o v et h ea u t o m a t i o nd e g r e eo ft h ei t e m ，ad a t a b a s ew i t h t h ed e s i 烈l e dd i m e n s i o n so fh o l e s i ss e tu p ，u s i n gm i c r o s o f ta c c e s s 2 0 0 3 。t h e n a e c e s s e dt ot h ed a t a b a s eb yo d b c i nt h ev c + 十a p p l i c a t i o n ，t h ed a t a so f 蕊lt h eh o l e s a r ed r e s e n t e do nt h e i n t e r f a c eo fp cp e r f e c t l y , i n s t e a do fi n p u t t i n g e a c hd a t a m a n u a l l y ， f o u r t h l y , t h e c o m m u n i c a t i o nc o u r s e i n t e r f a c ee l e c t r o c i r c u i tb e t w e e nt h e mi s b e t w e e np ca n dd s pi se x p o u n d e d ，t h e d e s i g n e d ，a n dt h er e l e v a n tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li se s t a b l i s h e d f i f t h l y , t h ec o n t r o lo fs t e p p e rm o t o r s ，u s i n gt h em o t i o n c o n t r o ls y s t e mb a s e do n d s pi sr e a l i z e d t h ea c c e l e r a t i o no rd e c e l e r a t i o n ，l o c a t i o n c o n t r o la n dm u l t i a x i s m o t i o ns i mu l t a n e o u s l yo fs t e p p e rm o t o r s a r eg o n ed e e pm t oa n a l y z i n g f i n a l l y ，a si ti sd i f f i c u l t f o r t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lo fs t e p p e rm o t o r st o a c h i e v et h ep e r f e c te f f e c t s ，f u z z y p i da l g o r i t h m ，c o m b i n e d w i t ht h ec o n t r o lo fp i d a n df u z z yi sp r o v i d e d ，m a k i n gt h es y s t e mh a v eh i g h e rp e r f o r m a n c e s b a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e dc o n t r o ls y s t e ma n df u l l u s eo ft h em a t u r e t e c h n 。l o g y , t h i st h e s i s m a k e su s eo ft h es u p e r i o r i t i e so fd s pt o o t h e rm o u o n c o n t r o l l e r si np r e c i s i o n ，v e l o c i t y ，a n dt h es p e c i a lp w mo u t p u ti n t e r f a c e so fs t e p p e r m o t o r s ，a c h i e v i n gt h et e c h n i c a ld e m a n d so np r e c i s i o na n dv e l o c i t yo f m o t i o nc o n t r o l o fl o c o m o t i o nm a c h i n e ，s a t i s f i n gt h em e a s u r e m e n tr e q u e s t so ft h ei t e m k e vw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ，s t e p p e rm o t o r ，d s p ，f u z z y 。p i da l g o r i t h m i v 四川大学硕士学位论文 声明尸明 本人声明，本人呈交的学位论文是本人在导师指导下进行研究工作所取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得四川大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 本学位论文成果是本人在四jil 大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 札 缎 日期：塑亚年上月上日 日期：尘亚年上月玉曰 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 运动控制系统概述 运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器 为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成 的电气传动控制系统。“运动控制系统”的概念建立于二十世纪八十年代中期， 目前在国际上已得到广泛认同。 运动控制系统的控制器是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号 敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主 要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算， 为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号i lj 。 随着运动控制技术的不断进步和完善，电动机的实际应用已由过去的简单 起停控制，提供动力为主要目的，发展到对其速度、位移、转矩等参数进行精 确控制，从而使被驱动的机械运动符合预期的要求。运动控制器作为一种独立 的工业自动化控制类产品，已经在越来越多的领域得到应用，其典型系统包括 两轴或多轴之间的协调运动；各轴或各执行机构之间的速度调节或位茕的精确 控制；激发机械运动，大加速或减速的高速运动等。如图1 1 所示为典型运动 控制系统框图。 图卜1 运动控制系统框图 1 2 运动控制系统的发展历程 运动控制系统的发展经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字， 和基于网络的运动控制的发展过程。 四川人学硕士学位沦文 1 2 。1 直流和交流运动控制系统 1 9 世纪8 0 年代前，直流电气传动是惟一的电气传动方式。到了1 9 世纪末 交流电气传动出现在工业应用领域，但在2 0 世纪大部分时间，不变的格局是： 直流调速丽交流不调速。2 0 世纪9 0 年代，在先进的电力电子技术现代控制理论 的支持下，交流调速具备了宽凋速范围、高稳定精度、快速动态响应和四象限 运行等良好性能，并显现出取代直流调速的趋势。 与交流运动系统相比，直流运动系统控制篱单、调速性能好，长期以来占 统治地位，当前已经发展的相当完善。随着微电子技术的发展，国际上全数字 直流运动控制系统已经非常的普及。直流运动控制系统以其优异的性能在近一 段时期内不会被完全淘汰，交流运动控制系统代替直流运动控制系统需要经历 一个漫长的过程。 直流运动控制系统存在着以一f 的缺点： l 、直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因 为火花大而影嚷生产，圜时对其他设备也造成不同程度的电磁干扰。 2 、机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电 流传输又限制了直流电动机的应用场合。 3 、电抠在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。为了改善换 向能力，减小电枢的漏感，转子变得粗短，影响了系统的动态性能。 1 。2 。2 开环和闭环运动控制系统 豳开环到闭环的发震是控制系统发展的必然。运动控制系统在要求成本低、 控制精度不高的场合大多运行于开环状态。由于开环控制缺少必要的闭环，因 此存在很多的弊端：电流无法控制，无法做到对运动系统的有效的保护；系统 的控制精度巧、= 高等。为了实现系统的稳定、可靠和高精度，运动控制必须实现 系统的闭环控制。对于不同的运动控制系统，闭环的模式也就不一样。为了实 现速度的控制，可以采用电流环和速度环两环结构；为了实现位置的跟踪，应 采用位置环、速度环和电流环的三环结构。 为了实现运动控制系统的高性能控制，当前所采用的大部分的闭环控制策 略都可以归结为矢量控制或直接转矩控制。当前的一些控制策略包括变结构控 2 四川大学硕士学位论文 制、智能控制、反馈线性化、自适应控制等。 1 2 3 模拟和数字运动控制系统 进入2 0 世纪8 0 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来 越高，对运动控制系统产生了很重要的影n 向，运动控制系统的控制方式迅速向 微机控制方向发展，并由硬件控制转向软件控制，智能化的软件控制将成为运 动控制系统的一个发展趋势。 运动系统控制器的实现方式在数字控制中也在向硬件方式发展；在软件方 式中也是从运动系统的外环向内环，进而向接近电动机环路的更深层发展。目 前，运动系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件 控制方式一般是利用微机实现的。 1 2 4 基于网络的运动控制系统 随着计算机技术、电子和通信技术以及网络技术的飞速发展，因特网正把 全世界的汁算机系统、通信系统逐渐集成起来。使得应用在工业控制领域的运 动控制技术由过去的单机控制系统逐步向多机控制系统发展，由此，产生出具 有高性能( 高性价比、高速、高效等) 的运动控制系统，实现复杂运动的整机 集成。 尽管使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于因特网的运动控制技术 的研究工作，目前在国内外尚处于起步阶段，但其优良的技术性能必将极大地 提高工业控制系统的集成化和信息化程度，因而具有广泛的应用前景。 运动控制系统发展过程中的直流和交流系统，开环和闭环系统，模拟控制 与数字控制系统以及基于网络的运动控制系统，它们是相互交叉发展又相互补 充，其中我们所进行的数字交流伺服系统的控制策略研究，就体现了交流系统， 闭环系统和数字系统1 2 j 。 1 3 运动控制技术的现状和发展趋势 运动控制技术足推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术；当今技术 日新月异地发展，高新技术的进步同样也促进了运动控制系统的发展，各种运 动控制产品应运而生。 瑟川f 大学矮士学位论文 当今知名的运动控制产品如西门子电气的s i m o t i o n p 3 5 0 ，它是一个基予 p c 的运动控制系统，采用具有实时处理能力的w i n d o w sn i 操作系统，除了 s i m o t i o n 控制任务之外，其他的p c 应用程序也能执行；同本三菱公司的q 系列运动控制器，它是笫二代高性能运动控制器，以其小巧的体积和卓越的性 能，成为复杂运动控制的最佳选择；罗克韦尔公司的k i n e t i x 集成运动控制系统， 该系统通过一台控制器和一个软件包，真正将顺序控制和运动控制集为体， 从而帮助企业实现更高的速度，更大麓生产率，更快的应用开发速度，更容易 维护以及拥有更低的系统成本p j 。 以不同运动控制器为核心的运动控制系统解决了生产实际中的各种问题。 例如用单片微机所构成的运动系统应用在机床数控系统中，实现了对x y 向两 台步进电机的转向及速度的控制【4 】；在多坐标联动管道环焊缝超声自动检测系 统中，借助于p c 机丰富的软、硬件资源，直接用i s a 总线控制步进电机，实 现了多轴联动控制，效果良好梦l ；在连辜奎压模设备工艺中，采用三菱公司的q 系列p l c ( q 0 2 c p u ) 和m o t i o n 运动控制器( q 1 7 2 c p u n ) 作为整个连轴压 模系统的电气控制部分，实现了系统高速、稳定地运行1 _ 6 j 。 如今，运动控制已经从传统的单轴点到点控制，发展到多轴联动系统，应 用领域非常广泛。与传统的运动控制系统相比，结合了现代通信、网络控制技 术与d s p 、f p g a 技术的新型运动控制器有了实质性进步。例如通过以太网， 可以实现远程编程调试；通过先进的网络控制技术，使得十几轴甚至几卜牟凑上 百轴都可以实现丽步控制，这对于传统的运动控制技术来说是不可想象醵。双 轴控制器m c w l 5 就是与伺服放大器结为一体的离功能的技术领先的高端产品， 它体积小，可实现高速采集色标的“飞剪”功能，也可实现张力控制、双轴同 步、线性、圆弧差补等功能，并可接受a u t o c a d 生成的文件，省掉了繁复的 编程工作。 对于基于d s p 的运动控制器，国内外已经进行了大量的研究，并日在图外 已经得到广泛的实际应用，其中以美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 多轴运动控 制器最为出色，控制器本身具有c p u ，同时开放包括通信端口，结构在内的大 部分地址空问，辅以通溺的d i 。王。同p c 结合撂最紧密。这种系统的特点是灵活性 好、功能稳定、可共享计算机的所有资料，目前已达到远程控制等先进水平。 因内对于基于d s p 控制器的研究也有了很大的进步，其中华中科技大学、中科 r 【| 川入学硕士学位论文 院电工研究所等都有人进行了专门的研究，获得了一定的研究成果【7 j 。 总的来说，运动控制系统将进一步向网络化、数字化、智能化方向纵深发 展。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控 制领域里的主导产品之一。作为现代化设备的核心控制部件，开放性、可靠性是 衡量其是否能够在工业界立足的关键。高速、高精度始终是运动控制技术追求 的目标。充分利用d s p 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、 误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、 运动更加平稳；充分利用网络技术、f p g a 技术等，使系统的结构更加合理和开 放，通过网络连接方式减少系统的连线，提高系统的实用性和可靠性。运动控制 器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走，但是专业化、个性化的运动控 制器将是一个新的发展方向瞵j 。 我国在运动控制器产品开发方面相对落后，许多涉足此领域的公司大多是 在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。目前 国内中高档数控系统基本上被国外产品所垄断，1 9 9 9 年在深圳成立的固高科技 ( 深圳) 有限公司与德国p a 公司合作，开始进入s o f t 型开放式运动控制领域， 开发了两款高档数控产品。在这样的形势下，我国最需要的是研制出具有自主 知识产权的高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器。所以本课题具有 重要的应用意义。 1 4 课题来源及技术要求 1 4 1 课题来源 本课题以四川大学激光应用技术研究所承担的军工配套项目的相关技术为 背景，结合省科技厅应用基础研究项目“机器视觉测量与图像处理技术研究” 而提出的研究子课题。论文针对球型工件表面孔系坐标非接触测量的运动控制 系统进行设计。 1 4 2 课题的技术要求 被测量工件是表面光洁度较高的铝制半球壳部件，其外半径从5 0 m m 到 8 5 m m 不等，半球体表面有按一定规律分布的2 中5 m m 的通孔和盲孔，且所 有圆孔的轴线均通过球心。被测量工件的项部有一轴线经过球心且垂直于半球 四川i 大学硕士学位论文 壳端面的通孔，该孔为测量的基准孔，另有一定位孔也垂直于半球体端面。 测量时工件安装在专门设计的转位支架上，如图1 2 所示为标出了球心、 定位孔、基准孔以及被测孔的：件示意图。 课题要求在1 小时内测量1 5 0 个圆孔与基准孔之间的空问夹角，即要求平 均每孔的转位及测量时间不超过4 0 s ，总的测量不确定度不超过4 0 ”。其中， 球体转位装置每一- - 7 1 位的转位时间不超过2 0 s ，转位误差不超过2 0 ”。 z ， 基准孔 淡 蓊靓l 乙 ) “ 端面定位 - y 霞式 幼一x 图卜2 被测球体示意图 6 四川大学硕士学位论文 2 球面子l 位测量系统的工作原理 2 1 测量方法的确定 由于球面孔位坐标的测量属于三维测量，所以在当今机械工业中，三维测 量的工具大多数仍然是三坐标测量机( c m m ) 、万能工具显微镜( 简称万工显) 等传统设备。但三坐标测量机价格昂贵、数据采集速率低，而且一般采用接触 式直接测量法，对于本课题中被测量工件是表面粗糙度很低的半球壳来说，这 种直接测量的方法还容易划伤被测球体的光洁表面和圆孔边缘球面；虽然万工 显是计量工作中频繁使用的仪器之一，可以测量平面上的点、线、圆弧以及由 点、线、圆弧所组成的复杂轮廓，实现各种复杂的二维综合测量，最高准确度 可以达到微米级，但是由于万工显为二维测量仪器，因此为了实现球面孔位坐 标的三维测量，必须在万工显上安装球体旋转分度装置，同时为了进一步提高 测量精度，还必须对圆孔圆周采样更多的测量点，可见其测量效率非常低。因 此，传统的测量方法很难兼顾本课题精密和高效两个方面的技术要求。 随着现代光电技术、数字图像处理技术的迅速发展，加之各种高性能器件 如半导体激光器l d 、电荷耦合器件c c d 、c m o s 图像传感器、位置敏感器件 p s d 等的大量涌现，各种光学非接触测量方法在物体的二维和三维测量中得到 了广泛的应用。光学非接触测量技术不存在测量力、不需要进行半径的补偿、 且测量时间短、突破了不能测量较软质材料的局限性，以其高响应、高分辨率 而倍受重视，同时该方法还具有受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度 高及可测量非金属面等特点p j 。 球面孔位坐标测量采用基于d s p 的c c d 机器视觉测量系统进行测量，它 把球面孔位坐标的三维测龟通过光学系统转换为球面上圆孔的二维测量，即使 用c c d 采集被测工件上的圆孔图像，通过图像处理识别圆孔中心坐标，再经计 算确定圆孔的空间位置。该方法属于光学非接触测量法，它将d s p 处理器与 c c d 图像传感器结合在一起，较好地解决了被测图像快速采样、存储及数据处 理的难题，代表着c c d 图像采集处理系统发展的新方向 1 0 j 。 2 2 球面孑l 位坐标的数学模型 为了确定被测圆孔与基准孔的相对位置，针对本测量系统的被测半球体工 7 四川i 大学硕七学位论文 件，以被n t l 、球心、基准孔以及端而可建立如图2 1 所示的三维坐标系。图 中x 轴平行于端面并经过球心并与定位孔轴线相交，】，轴平行于端面并经过球 心与x 轴垂赢，z 轴经过球心与端面垂直。本模型用于建立圆孑l 成像中心点坐 标与其转位的空间夹角之i n 的转换关系，该转换关系是孔位坐标测量的理论基 础。 图2 1 球面子l 位坐标几何模型 设球体顶部基准孔的圆心为彳，被；1 9 1 j j t l 圆心为c ，基准孔轴线和被n t l 轴 线之间的夹角，就是需要测量的角度。球体上么、c 孔在泫平面和忍平面内 夹角的没计尺寸分别是叭) ，要测量爿、c 两孔的实际角度时，球体转位装置 首先按照设计尺寸使球体绕x 、】，轴旋转叭) ，旋转运动采用闭环控制，只要 反馈元件精度足够高，就可保证转位误差远小于制造误差和测量误差，因而转 位误差可忽略。由于, b t l 力n 工时存在制造误差，所以c 孔中心点不会与彳孔中 心点完全重合。假设c 孔中心点只能转至t p 点，则球面上任意圆孔中心点p 与 基准孔中心点彳的角度关系如卜： ( 1 ) 设在球体上，一个平面不通过球心与球表而相截的圆弧称为小圆弧， 而过球心的平面与球表面相截的圆弧称为火圆弧。 ( 2 ) 作计算辅助线： a 、作商线尸p 垂直坐标平面x t 于点p ； b 、过点p 作直线o b 交坐标平面胛上的大圆弧于点b ； 四川i 大学硕士学位论文 c 、过平面o a b 作火圆弧a b ，则点p 必然在大圆弧a b 上，且o p = r ； d 、作直线q m 垂直y 轴于点m ，作直线q 垂直x 轴于点； e 、作直线m s 平行于z 轴，交坐标平面y z 上的大圆弧于点s ，则平面 p q m s 在球面上的小圆弧为船； f 、作直线丁平行于z 轴，交坐标平面x z 上的大圆弧于点丁，则平面 p q 丁在球面上的小圆弧为p t ； ( 3 ) 若线段q m = a ，q _ b 为已知条件，则： o q = 4 0 m + 2 = 4 a 2 + b 2 ( 2 1 ) p q = d p 2 一o q 2 = 尺2 一( 口2 + 6 2 ) ( 2 2 ) p m ：压丽：归i f 丽= 厨 ( 2 3 ) p ：压矿再歹= 痧i 正i 孬= 而 ( 2 4 ) 么q o n ：a r c t a nq n ：a r c t a n 鱼 ( 2 5 ) q m a 么j p 叫：么卯。：a r c s i n 丝：a r c s i n ! ! ：堡 ( 2 。6 ) 么p m s ：a q p m ：a r c s i n 丝：a r c s i n ；竺一 ( 2 7 ) p m r 2 一b 2 么p n 丁：l q p n ：a r c s i n 望型：a r c s i n _ 竺 ( 2 8 ) p r 2 一口2 显然，点p 绕和y 轴旋转到基准点a 位置时： 绕轴旋转的角度日= 么删丁； 绕y 轴旋转的角度五= 么尸解； 点尸到基准点爿的空间夹角为么尸侧。 在进行整个球面孔位坐标测量时，首先测量基准孔，得到它的中心点4 坐 标为( 硒，v o ) 。然后把球面另一被测圆孔( 设其中心为点c ，如图2 1 所示) 按设计尺寸转位至测量位置，由于点c 不可能完全与原来点彳处重合，假设点 9 四川i 大学硕士学位论文 c 转位到非常靠近基准点彳的点尸处，此时点c 绕瓜y 轴旋转到点尸的角度 分别为队y ( 该值在闭环控制下完成转位，误差可忽略) 。最后对该n t l 进行 测量，得到其中心点p 的坐标值为( 兄】，) ，设光学成像系统放大倍数为p ，由 图2 1 得： a = ( x x o ) p ( 2 - 9 ) b = ( 】，一圪) p 0 ：z p n t ：a r c s i n 垒 ：a r c s i n ； 圣三圣 4 r 2 一臼2 p r 一( x x o ) 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) a ：z p m s ：a r c s i n 一丝 ：a r c s i n1 圣：查!( 2 1 2 ) 4 r 2 6 2 p 2 r 2 一( y k ) 2 由0 、缈及a 、y 得到被测量圆孔中心c 到基准孔中心a 绕x 及j ，轴旋转的 角度仅及为： 口2 + 臼( 2 1 3 ) 【2 厂+ 九 疆口： 口：沙+ a r c s i n - f 生 p 2 r2 一( 一甄) 2 ( 2 1 4 ) f l = ? + a r c s i n 万丽x 丽- & 实际测量时，x 一局和】，一y d 的值( 常在15 0 um 以下) 远远小于p r ，在式 ( 2 1 4 ) 的分母中可以忽略不计，因此上式可简化为： a + a r c s i n 生益 7 肚 ( 2 15 ) , 6 y + a r c s i n x - n x k o - 式( 2 1 5 ) 即为球面上任意圆孔到基准孔的绕轴旋转的转角d 及绕】，轴 旋转的转角计算公式。其中，v 为球体绕x 轴旋转的角度，) ，为球体绕y 轴旋 1 0 g t 川i 大学硕士学位论文 转的角度，a 、阶y 的单位均为弧度；p 为光路系统放大倍数， 爱为球体半 径，( x o ，y o ) 、( 置y ) 分别为南图像识另l j 得到的基准孔和被测量圆孔中心的坐 标值。 从式( 2 1 5 ) 可知，实现谍题要求的角度测量主要任务就是获得如下两个 几何量： ( 1 ) 球体绕、】，轴转位的角度，即式( 2 1 5 ) 中的和，； ( 2 ) 在球体旋转到位的情况下，圆孔巾心的坐标即式( 2 1 5 ) 中的x 和】，。 2 3 测量系统的结构及实现原理 测量系统的结构如图2 2 所示，其具体的装置如图2 3 所示。整个测量系统 主要涤球体转位系统、光学成像系统、图像采集系统、运动控制系统、p c 机| 以 及反馈环节六大部分组成。 图2 - 2 测量系统结构示意图 其中光学成像系统由高分辨率的面阵c c d 照相机、2 倍、4 倍物镜及高亮 度的l e d 照明光源等组成；d s p 运动控制器、步迸电机及位置反馈元件组成运 动控制系统；图像采集4 号及p c 机组成图像处理系统。球体转位系统为专门设讨1 1 l 四川大学硕士学位论文 环架夹具，半球体在其夹持下可绕两条相互垂直并通过球心的轴线旋转，使球 蕊上分布的所有小孔都能进入光学系统的视场内。 具体构测量方涟： ( 1 ) 采用光轴棱芷测量蒸统，使基准孔轴缆与物镜轴线重合。 ( 2 ) 由面阵c c d 蒹集基准孔图像数据，并识别出圆心坐标。 ( 3 ) 利属球体转位装置使被溅孔转过名义角度，其转位角壤通过轴端的高 精度轴角编码器进行反馈，以闭环方式实现球体转位控制。 e 辱重复步骤( 窆九识别他被溯孔圆心坐标营结合转位角度，根据式c 2 15 即可隶得基准孔与被涮孔老闯帕窭簿巍翁， 图2 - 3 泐量系统装置凰 1 2 四川大学硕士学位论文 3 运动控制系统方案研究 要完成球面孔位测量的任务，达到精密测量的要求，主要取决于以下关键 因素： ( 1 ) 面阵c c d 的精度。 ( 2 ) 合理的图像预处理、边缘提取及圆心的识别算法。 ( 3 ) 球体转位系统的精度。由测量原理可知，进行孔位夹角测量需要转位 装置的转位支持，转位角度将直接应用于孑l 位之间实际夹角的计算，因此，转 位角度的精确程度将直接影响到系统测量的精确程度。 由于( 1 ) ( 2 ) 不是本论文的研究重点，故不做 _ 寸论。对于( 3 ) ，转位系统 的精度均依赖于转位电机的运动性能及控制精度，故设计一个性能良好的运动 控制系统对步进电机进行控制，带动球体精确转位，这将是实现系统精密测量 的关键技术之一。 目前，运动控制系统或电动机控制系统的实现方法主要有以下几种： ( 1 ) 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统 ( 2 ) 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 ( 3 ) 利用专用：醛片实现的运动控制系统 ( 4 ) 用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统 ( 5 ) 基于可编程逻辑控制器( p l c ) 的运动控制系统 ( 6 ) 以微控制器为核心的运动控制系统 ( 7 ) 以可编程d s p 控制器为核心构成的运动控制系统 在这七种主要的运动控制系统实现方式中，第一种实现方法为模拟控制系 统，而其它六种都属于数字控制系统。这些方法各有优缺点，分别适合于不同 的应用场合 1 l 】【1 2 】。下面分别进行讨论： 3 1 模拟控制系统 早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬接线方式构成， 可以对输入信号进行实时处理，没有附加延时，响应速度快，可实现系统的高 速控制；由丁i 采用硬接线方式可实现无限的采样频率，因此，控制器的精度较 高且具有较大的带宽。 四川大学硕士学位论文 然而，与数字系统相比，模拟系统的缺点也是很明显的： ( 1 ) 老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。 ( 2 ) 构成模拟系统需要的元器件较多，从而增加了系统的复杂性，也使最 终系统的可靠性降低。 ( 3 ) 由于系统设计采用硬接线，当系统设计完成以后，升级功能修改几 乎是不可能的。 ( 4 ) 受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的 复杂控制算法。 作为控制系统最早的一种实现方式，它仍然在一些早期的系统中发挥作用； 另外，对于一些功能简单的电动机控制系统，仍然可以采用分立元件构成。然 而，模拟控制系统的上述缺陷使它很难用- 丁一一些功能要求比较高的场合。 3 2 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合与计算机进行 信号交换的通信接l 板, n - 3 1 延动电机的电路板i 就可以构成一个运动控制系统。 这种实现方法利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可实现 高性能、高精度、复杂的控制算法；同时，控制软件的修改也很方便。这种控 制系统有着良好的人机交互界面，用户较为容易上手，使用方便。 般来说，这种系统实现方法可用于控制软件的仿真研究或者用作上位机 与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。 然而，这种实现方式的一个缺点在于系统体积过大，难以应用于工业现场； 而且，由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法。 3 3 利用专用芯片实现的运动控制系统 基于专用运动控制芯片的运动控制系统是将实现电机控制所需的各种逻辑 功能做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸 如限位开关、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能，使用户的软 件设计工作减少到最小程度。对于伺服电机，用一个芯片即完成速度曲线规划、 p i d 伺服控制算法、编码器信号的处理等多利一功能。一些需要用户经常更改的 参数如电机位置、速度、加速度、p i d 参数等均在芯片内部的r a m 区内，可由 四川大学硕七学位论文 计算机用指令很方便地修改。 利用专用电动机控剃芯片构成的运动控制系统具有响应速度快、系统集成 度高、使用元器件少、可靠性好等优点，然而，受专用控制芯片本身的限制， 这种系统的缺点也是很明显的，主要包括： ( 1 ) 由于已经将软件算法固化在芯片内部，虽然可保证较高的系统响应速 度，但是降低了系统的灵活性，不具有扩展能力。 ( 2 ) 受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用控制芯片中所实现的算 法一般都是比较简单的。 ( 3 ) 由于用户不能对专用芯片进行编程，所以锿难实现系统的升级。 ( 4 ) 受芯片本身算法的限制，这种系统的控制精度一般都较低，难以用于 那些离性簏、高精度的应用场合。 3 4 用f p l 3 a o p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控毒i 系统 由于现场可编程门阵列 f p g a ) 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 具有用户 可编程的特性，馒得用户可以利甩系统开发软件或v h d l 等开发语言，通过软 件编程实现运动控制算法，并将这些算法一f 载到相应的可编程逻辑器件中，从 而最终以硬件的方式实现运动控制。系统的主要功能都可在单片f p g a c p l d 器件中实现，减少了所需的元器件个数，缩小了系统体积。系统具有较好蠹勺扩 展性和可维护性，响应速度快，可实现并行处理，通用性强。 然而，尽管可缡程逻辍器件可实现任意复杂的控制算法，但算法越复杂， 可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。按照目前的芯片制