（机械设计及理论专业论文）镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 当前，靠模加工自动磨边机在国内眼镜行业得到了广泛的应用。但是，此 种磨边机的配镜质量不高，导致舒适度差，影响佩戴者的视力。随着计算机和 数控技术的飞速发展，为进一步提高镜片的加工质量和加工效率提供了有力的 技术支持。本文对开发镜片磨边数控系统的若干关键技术进行了研究，并应用 这些技术研制出原理样机。 通过对国内外所使用的镜片磨边设备的比较和分析，本文提出了能够满足 快速开发要求的数控磨边系统结构。在此基础上分别对扫描机和数控镜片磨边 机进行了详细设计。讨论了扫描机的高精度测量原理设计制作了扫描机控制 与驱动电路，开发了镜框和镜片轮廓数据扫描测量软件，并完成对所研制的扫 描机的调试。此外，设计了数控镜片磨边机的硬件电路，完成了磨边系统u s b 数据通信模块的设计，并给出两种u s b 通信程序的设计方法。最后，本文还给 出了系统抗干扰的一些办法，取得了良好的效果。 所开发的镜片磨边数控系统，目前已经完成调试，达到了预期的设计目标， 为将该产品推向市场奠定了坚实的基础。 关键词：数控系统，扫描机，镜片磨边机，p i c 微控制器，u s b 数据通信，软件 开发，电路设计 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 a b s t r a c t n o w a d a y sm o d e l i n gl e n s - e d g e ri sw i d e l y u s e di nd o m e s t i cg l a s s e si n d u s t r y b u t ， t h eg l a s s e s p r o c e s s e db yl e n s e d g e r h a v em a n y d i s a d v a l l t a g e ss u c h a sl o w q u a l i t ya n d d i s c o m f o r ta n d t h e ym i g h t b eh a r m f u lt o c u s t o m e r s e y e s i # a t a s t h ef a s t d e v e l o p m e n to fc o m p m e ra n dn u m e r i c a l c o n t r o l t e c h n o l o g y , i tp r o v i d e ss t r o n g s u p p o r tf o ri m p r o v i n g t h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo f l e n sm a n u f a c t u r i n g i nt h i sa r t i c l e ， s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fn u m e r i c a lc o n t r o ll e n s e d g i n gs y s t e ma r es t u d i e da n d a p p l i e di n t ot h ed e v e l o p m e n to f p r o t o t y p em a c h i n e b yc o m p a r i s o n a n d a n a l y s i so f t h el e n s e d g i n ge q u i p m e n t su s e di nd o m e s t i ca n d a b r o a d ，an e ws t r u c t u r ef o rf a s td e v e l o p m e n to ft h en u m e r i cc o n t r o ll e n s e d g i n g s y s t e mi sg i v e n b a s e do nt h es t r u c t u r e ，t h et r a c e ra n dn u m e r i c a lc o n t r o ll e n s - e d g e r a r ed e s i g n e d ，f i r s t ，t h eh i g ha c c u r a t em e a s u r i n g p r i n c i r ，l eo f t r a c e ri sd i s c u s s e d t h e n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et r a c e ra l e d e s i g n e da n dd e b u g g e df o rd e s i r e d f u n c t i o n i na d d i t i o n ，t h eh a r d w a r eo fn u m e r i c a lc o n t r o ll e n s e d g e ri sd e s i g n e d t h e u s bm o d u l ei sa l s o d e v e l o p e d a n dt w om e t h o d sf o rt h e d e s i g n o fu s b c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m a r ei n t r o d u c e d i i lt h ee n d s o m es o l u t i o n su s e df o re m ca r e i n t r o d u c e da n d a c q u i r ew e l le f f e c t s t h el e n s e d g i n g s y s t e mh a sc o m p l e t e da l ld e b u g g i n gw o r ka n dr e a c h e st h e e x p e c t a n tg o a l t h i ss u c c e s sp r o v i d e ss o l i df o u n d a t i o nf o rp u t t i n gi ti n t om a r k e t k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t r a c e r , l e n s e d g e r , p i cm i c r o - c o n t r o l l e r , u s b c o m m u n i c a t i o n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，d e s i g no f c i r c u i t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，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，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：篮：鳇 e t 期：趔：j 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 论文选题背景 第一章绪论 当今社会，由于工作和学习压力的不断增加以及人们用眼的诸多不健康习 惯，导致视力障碍患者越来越多。为矫正视力，恢复明亮。人们最多的选择是 佩戴眼镜。庞大市场需求的刺激使得配镜行业规模急剧扩张，资金投入也逐年 增多。许多新工艺、新设备被引入到其中，磨边设备从早期的砂轮手工方式发 展到现在的镜片磨边机，磨边的效率和质量有了显著的提高。 目前国内广泛使用的镜片磨边机均为靠模加工的自动磨边机，磨削镜片时 需要定制一块模板，它是根据选定的镜桨轮廓和验光得到的患者的瞳孔距、瞳 孔高、鼻梁距等参数制作而成的。模板安装在磨边机的机头上，通过靠模加工 方式将所选的玻璃或树脂镜片毛坯磨成满足要求的镜片。这种磨边机简单易用， 提高了镜片配制的自动化水平，一定程度上改善了眼镜行业从业人员的工作环 境和劳动强度。 在国外，磨边机的出现与应用要比我国早，其技术有了很大的突破，已经 从手工磨边、靠模磨边逐步发展到了免模板的数控磨边，出现了如以法国依视 路( e s s i l o r ) 为代表的镜片磨边数控系统。该种磨边系统由两部分组成：一 为扫描机，另一为数控镜片磨边机。扫描机的功能是用来确定镜片轮廓，通过 对镜架( 全框眼镜) ，镜片( 半框或无框眼镜) 的扫描测量可以得到最终磨成的 镜片的轮廓数据。该轮廓数据与患者的瞳孔距、瞳孔高、彝梁距等参数综合处 理后即成为镜片磨边的加工依据。数控镜片磨边机利用这些处理后的数据去驱 动各个执行元件，协调其动作来完成对镜片毛坯的磨削加工。 综合比较国内外所使用的各种磨边设备，可以清楚地看到它们在自动化程 度上有很大的差别。如上所述，国内所使用的设备为带靠模的自动磨边机，在 镜片磨边之前必须手工定制镜片模板，因此顾客从验光配镜到试戴定型要等待 较长的时间；另外，在定制模板时存在着较多的人为影响因素，使镜片模板与 实际镜片轮廓的误差较大；第三，镜片模板安装在磨边机的机头，由于重力的 作用，机头将模板紧压在游标头的撑头上，工作时由旋转电机带动模板旋转。 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 在旋转过程中镜片模板与撑头之间存在摩擦，导致出现较大的磨损，同时模板 本身还存在微小的弯曲变形。这些因素最终将导致磨出的镜片轮廓和光学中心 与理想位置存在差异，致使患者得不到很适合自己视力的眼镜，必须经历一段 时间的适应期。而国外所使用的镜片磨边系统去除了手工定制模板的环节，它 首先通过扫描测量的方法得到镜片轮廓数据，然后通过数据处理获得数控加工 数据去驱动数控镜片磨边机工作，数字化的加工方式最大程度地减少了人为因 素的影响：另外，在加工过程中采用加工数据主动驱动撑头，通过撑头推动刚 性圆板实现机头装夹的镜片毛坯与砂轮某种形式的运动，减小了非刚性模板引 起的变形。总之，使用镜片磨边数控系统能明显地减少导致加工误差的各种影 响因素，保证镜片磨边的最终质量。 从上述国内靠模加工自动磨边机与国外镜片磨边数控系统的比较发现，无 论是镜片的加工质量还是加工效率都是无法相提并论的。但是，单纯地购买国 外的磨边系统使用存在着多种不利因素，诸如国外设备价格昂贵，一般企业难 以承受：维修不便，许多配件需要从国外调入等等。面对市场对此种磨边设备 的巨大需求，国内许多企业都竞相开发这种数控磨边系统，但是由于这些企业 过去主要是仿制市场现有的产品，技术力量较为薄弱，无力从事产品的研究与 开发，到目前为止国内还没有功能完善的产品出现。为改变我国镜片磨边设备 技术落后的局面追赶世界先进技术，南京航空航天大学与上海雄博精密仪器 有限公司合作开发镜片磨边数控系统。在对多款国外镜片磨边数控系统的设计 和加工特点进行剖析的基础上，提出镜片磨边系统总体设计方案，并对系统的 机械本体、控制电路和软件部分进行了详细设计，为开发先进的镜片磨边设备 做出了尝试。 1 2 国内外研究状况 镜片磨边机是眼镜行业配镜用的专门设备，它的应用范围比较局限，早期 较少受到人们的重视，发展相对缓慢，但是由于目前市场需求的刺激，这方面 的研究开发逐步热起来。 在国内，从事磨边机生产与开发的厂家主要有上海雄博精密仪器有限公司、 上海东门子仪器仪表有限公司和华北工学院高技术有限公司等。它们所生产的 磨边机以靠模加工方式为主，目前努力的重点是在现有的基础上通过改进机械 南京航空航天大学硕士学位论文 结构来使机器的性能更加稳定可靠，满足国内诸多中低端用户的使用需求。 在国外，磨边机的生产厂商较多，提供了多样化的产品供用户选用。厂商 中比较知名的有法国依视路( e s s i l o r ) 、日本托普康( t o p c o n ) 、日本精工 和德国威科等，其产品包括了靠模加工自动磨边机和免模板数控镜片磨边系统 等。其中免模板的数控镜片磨边系统属于较高端的产品，在国内市场上并不多 见。它能实现三维的数控自动1 j - v 、可视化图形界面操作，还能实现个性化的 镜片轮廓加工，这些功能都是国内现有的磨边设备无法实现的。 镜片磨边数控系统是光机电一体化的产物，它涉及了机械设计技术，嵌入 式微控制器技术，光电检测技术，驱动与执行技术，信息技术等多方面的知识。 光机电一体化的产品与传统的机械产品相比具备了许多优点，在功能和性能上 都有相当大的超越，函雨目前应用相当广泛。光机电一体化技术的应用研究与 发展受到越来越多人的关注，是当前科技发展的热点之一。 1 3 论文的主要工作及意义 本文结合镜片磨边数控系统这一光机电一体化产品的开发，完成了磨边系 统中扫描机软件和硬件的设计，数控镜片磨边机硬件的设计，u s b 数据通信模 块的设计等，实现了原理样机的试制。本文的工作简述如下： 1 完成镜片磨边数控系统总体方案设计，给出了p c 、m c u 和u s b 通信的 集成系统结构： 2 探讨了扫描机的高精度扫描测量原理并给出了设计方案； 3 完成了扫描机硬件电路和控制软件的设计； 4 。完成了p c 机与m c u 间的u s b 数据通信模块的设计； 5 完成了扫描机上位p c 软件的设计并对扫描机进行联机调试； 6 完成了数控镜片磨边机硬件电路的设计。 镜片磨边数控系统的开发在国内才刚刚起步，但是由于采用了新的体系结 构，它的开发难度将会降低，研发阶段的先期投入也将大幅减少，缩短了开发 周期，满足产品快速上市的要求。该数控磨边系统在借鉴目前市场现有产品的 基础上加入了自己的设计思想，因此可以预见，系统一旦研制成功，其镜片磨 边的加工质量和加工效率可以与国外设备相媲美，在某些性能上还能超越。在 规模生产和市场销售后，较高的性能价格比将使其赢得广阔的市场减少国内 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 眼镜行业高端客户对进口磨边设备的依赖，打破国外产品一统国内高端市场的 局面，极大地提高了我国眼镜配镜的自动化水平。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章镜片磨边数控系统方案及扫描机设计 2 1 镜片磨边数控系统总体方案设计 目前国际市场上常见的镜片磨边数控系统基本都是由扫描机和数控镜片磨 边机两部分组成。扫描机对镜架或镜片的扫描测量得到镜片轮廓数据，然后通 过通信电缆将数据发送给镜片磨边机。磨边机对接收的数据进行处理，控制其 运动将镜片毛坯磨削至最终形状。扫描机和数控镜片磨边桃既是相互独立又是 紧密联系的，它们有各自完整的以微处理器为核心的软硬件控制系统，微处理 器之间却又相互通信、协调工作。这种结构体系的优点是整个磨边系统结构紧 凑，系统的功耗低，稳定性好。但是这也带来了许多问题，由于是直接面向微 处理器的软硬件系统开发设计，许多工作都是从底层开始，很难借用前人成熟 的应用成果，因而开发难度比较大。此外，目前机电控制系统中所使用的微处 理器一般都是八位或十六位单片机，其所包含的系统可用资源非常有限，内部 仅有几k 字节的程序存储器和几百个字节的数据存储器，因此由它来构成一个 完整的应用系统需要扩展较多的外围器件，这就给整个系统的硬件设计带来很 大的困难。控制系统的软件设计也是直接面向微处理器的，编程开发工具比较 单一，通常只有汇编语言和c 语言可选，编写的代码晦涩难懂，不利于软件的 二次开发。另外，由于指令系统的不同，针对某一特定的单片机设计的软件很 难在其他的单片机上进行移植，通用性较差，这些因素制约着控制软件的快速 开发。受内部可用资源和开发工具的限制，单片机一般应用于小型的检测与控 制装置，要开发一个以单片机为核心的功能完善的应用系统，开发难度大，开 发周期长，投入成本多，一般企业难以承受。因此，在开发镜片磨边数控系统 时必须扬长避短，充分发挥单片机在测控方面的优势，将其他如数据处理、图 形显示、网络互联功能独立出来，借用现有的应用成果，可以降低开发难度， 加快开发进程。 鉴于采用单片机构建应用系统的开发难度，要在短时间和低投入的前提下 成功开发性能良好的镜片磨边数控系统就必须摒弃目前国外的磨边系统所采用 的结构。当前，在大工业生产中集散控制系统得到了广泛的应用，它采用了集 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 中管理分散控制驱动的模式，即将现场分散的检测、控制驱动模块与系统监控、 数据处理等功能模块相分离，采用通信链路实现系统内各功能模块之间数据与 指令的传递。通常集中管理的功能是由i p c ( 工控计算机) 配置相应的工控软件 来实现，现场的检测与控制驱动可由多个p l c ( 可编程序控制器) 和智能仪器 仪表来实现。从集散控制系统的组成来看，它将系统各个功能进行了分解，工 控计算机只承担系统监控、数据处理、图形显示与通信组网等功能，现场的p l c 和仪器仪表专注于现场生产设备的控制、驱动和现场工况的检测 1 j 。集散控制系 统充分发挥了各组成部分的长处，使得系统功能大大加强，稳定性和可靠性也 得到了提高。鉴于该系统在工业生产中的良好表现，作者借鉴这种系统结构应 用到镜片磨边数控系统的设计中。 针对集散控制系统和镜片磨边数控系统的特点，本文给出了p c 个人计算机、 m c u 微控制器和u s b 通信模块相集成的镜片磨边数控系统的结构，如图2 1 所 示。在该结构下，p c 机作为上位主控计算机通过u s b 通信方式来与扫描机和数 控镜片磨边机进行数据及指令的传输。p c 机主要负责对扫描机和镜片磨边机图 形化的操作控制、扫描测量的轮廓数据接收与存储、数控加工数据的综合处理 等。扫描机和镜片磨边机分别接收来自上位p c 机的指令和数据，执行内部的控 制程序驱动执行机构完成设定的功能。由于p c 机的介入，在该结构下扫描机和 镜片磨边机之间不存在直接的通信链路，它们通过p c 机作为媒介来实现通信。 图2 1 镜片磨边数控系统结构图 采用此种结构的镜片磨边数控系统有很多优点，这是通常的磨边系统所不 具备的。首先，磨边系统采用了p c 机作为主控机，由于技术的飞速发展，c p u 中央处理器的设计与生产突飞猛进，工作频率达到每秒运算几十亿次。p c 机具 备的如此的快速运算能力是任何一款八位、十六位，甚至三十二位微控制器所 不能比的。将原本由单片机执行的数据处理，图形显示任务交给p c 机来执行可 南京航空航天大学硕士学位论文 以充分发挥了p c 机强大的运算处理能力。其次，随着p c 机存储技术的发展， 目前外存储器容量大的惊人，可以将扫描机测量的数据保存在p c 机的存储器中 以供后续加工重复使用，然而要在单片机中存储如此大容量的数据是难以想象 的。第三，由于多年来众多厂商注重发展p c 机技术，基于p c 机的程序设计也 变得相当容易，不再是过去的汇编语言编程，已经发展到了可视化的、面向对 象的程序设计。许多事先定义好的软件开发资源以动态链接库函数d l l 或者 a c t i v e x 控件的形式出现，编程时只需添加声明就可以使用，无需编程者自己重 新实现所有的代码，这就给软件开发带来了方便。第四，p c 机具有较强的联网 功能，能够快速的组成网络构建一个网络化的集群加工系统。随着i n t e m e t 技术 的发展，还可以充分利用互联网实现远程加工和监控等。正是由于p c 机有如此 强大的功能可以利用，将p c 机引入镜片磨边数控系统能够大大降低应用系统软 硬件设计的难度，使整个系统的开发周期大幅缩短。 由于p c 机介入到镜片磨边系统中，许多原本由单片机执行的任务可以转交 给p c 机来执行，但这必须实现系统内任务的传递，因而带来了p c 机与单片机 之间的数据通信问题。在纯粹由单片机构成的控制系统中，微控制器之间的数 据通信可以通过u s a r t ( 通用同步异步收发器) 串行通信或者是直接并行数据 i o 口通信方式来实现。由于数据的信号电平相同，不存在匹配的问题，数据可 以直接在单片机之间传输。p c 机与单片机之间的数据通信要比单片机间的通信 复杂得多，存在着多种解决方案，可以在p c i 总线、i s a 总线、并行端口、r s 2 3 2 串口和u s b 接口中选择。这些解决方案各有优缺点，基于r s 2 3 2 的串行通信出 现时间较早，使用广泛，但是由于传输速率较低，目前在很多新的应用中逐步 摒弃这种通信方式。基于p c i 总线和i s a 总线的通信方式要求比较高，需要进 行复杂的电路设计和驱动程序编写和调试，要求开发人员必须对p c 机本身有很 好的了解，具备较多的专业知识，这在短时间是难以实现的。目前流行的u s b 接口正好解决了p c 机和单片机之间数据通信的诸多问题。基于u s b 的数据通 信速率较高，u s b l i 协议支持最高数据传输速率达到1 2 m b p s ，而u s b 2 0 协议 则支持高达4 8 0 m b p s ，这样的传输速率在一般得应用系统中是足够了。另外u s b 通信开发相对容易，有许多成熟的设计方案可以借鉴，因此本文在镜片磨边数 控系统的设计中采用u s b 通信方式，它能够满足系统的通信要求，是一个合理 可行的通信解决方案。 7 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 总之，这种系统结构能很好的解决当前快速开发镜片磨边数控系统所带来 的诸多问题，实践证明是可行的。 2 2 扫描机功能原理设计 2 2 1 扫描机的扫描测量原理 扫描机是眼镜行业配镜时使用的专业设备，它是一种接触式的测量仪器， 主要用来测量眼镜架镜圈或镜片的轮廓得到能够反映其形状的数据。该扫描机 的设计应用了极坐标系下图形构成的原理。在极坐标系下，图形一般可以由极 径p 和极角p 两个变量来确定，当口每变化一个角度时有一个极径p 与之相对 应。这种p 和口的对应关系在极坐标系中可以表示为一系列位置确定的点，无数 个这样的点就构成了所要表示的图形。因此，在实际应用中只要能够获得一系 列( p ，鲥的关系对便可以恢复图形的原形。扫描机所测量的对象通常是非规则 的曲线轮廓，一般无法用数学解析方程来表示，要得到所需的曲线轮廓，只能 通过间接的方法测量得到。通过对所测对象曲线轮廓一周无穷多个位置的测量， 可以得到与各测量位置相对应的轮廓向径，这些极径p 和极角目的对应关系表示 成i ( p 。，0 i ) 。| v 2 ( p ：，吼) ，m ( 成，目。) ，。它们在极坐标系下 对应着一系列点，通过某种方式对这些点进行处理就能恢复得到原始的曲线轮 廓。 在实际的测量中，不可能对所测对象的轮廓进行无穷多个位置的测量从而 获得相应的数据，只能在有限个确定的位置上进行测量，获得的数据采用数学 方法处理后得到近似的曲线轮廓。随着测量位置数量的增加，得到的曲线轮廓 也就越趋近于原始轮廓。在本文中，测量原理如图2 2 所示，以0 为测量原点， 0 = 0 为测量起始位置，当秽每增加口= 1 8 测量此时轮廓对原点的距离即向径 p 。对轮廓一周连续的2 0 0 个位置的钡量可以获得2 0 0 个数据，通过对这些数 据采用曲线拟合的办法得到近似的轮廓曲线。尽管近似的轮廓曲线与实际的轮 廓存在着误差，但在工程应用中已经能够满足要求，因此可以认为拟合得到的 轮廓曲线就是真实的轮廓曲线。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 2 扫描机测量原理图 2 2 2 扫描机的结构设计 由前述的扫描测量原理可知，必须在确定的位置上测量轮廓与原点之间的 距离才能得到恢复原图形的数据。在扫描机的设计中，其主要思想如下：横向 步进电机带动扫描测量部件左右位置移动，实现镜架的左眼镜框、右眼镜框、 左右双眼镜框和镜片扫描的功能。旋转步进电机使扫描头作旋转运动实现对轮 廓一周的扫描测量，通过控制旋转步进电机的转角可以定位扫描部件的旋转位 置。镜架和镜片轮廓上的各个测量点的数据是通过增量式旋转编码器返回的脉 冲计数得到的。 扫描机测量系统结构简图如图2 3 所示。在图中，旋转步进电机通过齿轮1 和齿轮2 的啮合将电机主轴的旋转运动传递给扫描头，通过控制输入步进电机 的脉冲数可使扫描头精确地转过某一角度处于确定的位置。在扫描头中，探头 安装在滑轨平台上随平台移动。探头与弹簧相连，在探头的前后移动过程中弹 簧始终受压，保持一定的张紧力。在非扫描测量状态下，探头由一限位挡块定 位，使探头处于初始位置。对于镜架的测量，开始时限位挡块逐步松开，受弹 簧恢复原长的力作用，探头与滑轨平台一起运动，使探头伸出端进入眼镜镜圈 内槽并压紧。对于镜片的测量，开始时限位挡块压紧推动探头后退，然后再逐 步松开挡块使探头的光杆压在镜片的轮廓边缘。在探头移动的过程中，安装在 滑轨平台上与探头同步运动的齿条将带动旋转编码器旋转轴上的齿轮旋转。齿 轮齿条的啮合将探头移动发生的位移量转换成编码器旋转轴的转角，按照旋转 编码器本身的特性，它将旋转轴转角的变化量转化为一系列脉冲信号输出。在 旋转测量中，受弹簧力的作用，探头伸出端始终与测量轮廓保持接触，轮廓的 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 凹凸变化迫使探头前后移动，将轮廓的变化以旋转编码器脉冲信号的形式输出。 通过对脉冲信号计数和处理就可以得到所测对象的轮廓参数。 扫描头 f 一一藉一1l髁头 i 弹簧 滞肿删p 冉 限位挡块 滑轨平台 厂、齿轮 l u 齿条 ii il 齿轮2齿轮1 图2 3 扫描机测量系统结构简图 2 2 3 扫描机高精度扫描测量的实现 在扫描机中，测量对象的轮廓参数是通过旋转编码器输出的脉冲信号间接 得到的。因此，在有限个测量点的前提下保证测量精度就必须从旋转编码器的 本身特性入手。旋转编码器是一种将转角位移转换成数字脉冲信号，集传感器 和模数转换于一体的数字式测角仪，它的结构如图2 4 所示。该编码器的光源 由3 只红外二极管组成，接收单元由3 只光电三极管组成，两者一对应，编 码盘由主光栅和指示光栅组成。二极管发出的红外光经过编码盘照射到光电三 极管上，当主光栅旋转时形成莫尔条纹，光电三极管接收到这些明暗交替的光 电信号，经放大整形后输出方波脉冲信号。输出的每一个脉冲信号代表了一定 的角位移，它由旋转编码器的分辨率即线数( 每周的刻度数) 所决定，线数越 多则分辨率越高，单个脉冲对应的角位移也就越小【2 】。 旋转编码器输出的信号一般是相位差为9 0 。的a 、b 两相脉冲和一个零位 l o 南京航空航天大学硕士学位论文 脉冲信号z 。a 、b 两相脉冲信号通常用于返回测量数据和辨别旋转方向。当a 相脉冲信号超前b 相9 0 4 时，表示编码器的编码盘正转，反之为编码盘反转。 编码器编码盘正反转时输出的a 、b 两相脉冲信号如图2 5 所示。 b i 主光栅2 接收元件3 指示光栅4 光源 图2 4 旋转编码器结构原理图 b 编码器正向旋转( a 超前b ) 缩码器反向旋转啦超前a ) 图2 5 旋转编码器正反转输出信号图 在扫描机扫描测量过程中，探头前后移动发生的位移通过一对齿轮齿条的 啮合传递给旋转编码器。由齿轮齿条的啮合原理可知，齿条移动的位移等于旋 转编码器主轴上齿轮转过的分度圆弧长，因而可以推导出编码器输出脉冲数”与 探头移动位移s 的数学关系式： 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 3 6 0 “百d r d ) s ：盟2 石一n 3 6 02n ( 2 1 ) 令p ：丝 s = p n( 2 2 ) 式中，d 为旋转编码器齿轮分度圆直径：n 为旋转编码器输出的脉冲信号计数： 为旋转编码器的线数：s 为探头移动时走过的位移：p 为单个脉冲所对应的 旋转编码器齿轮分度圆弧长。 在式( 2 1 ) 中，对某一确定的测量装置，参数d 和都是常数，由选定器件 本身的性能和尺寸决定，测量的位移仅与输出的脉冲信号计数值n 相关，要得到 探头前后移动发生的位移量只需对编码器输出脉冲信号进行计数即可。本文所 设计的扫描机就是通过对旋转编码器输出的脉冲信号进行计数并采样来实现轮 廓数据的测量获取。 根据眼镜行业的配镜实践，要求数控镜片磨边机磨削加工成型的镜片与眼 镜架的装配尺寸误差不超过2 0 # m 。考虑磨边机在加工镜片时引起的误差，要满 足这样的配合精度首先必须提高扫描机所测轮廓数据的精度。由式( 2 - 2 ) 分析 可知，位移测量值由p 和n 两个参数确定，在n 计数一定的情况下，位移测量精 度依赖于p 。p 与编码器旋转轴上齿轮的分度圆直径d 成正比，与编码器线数 成反比，提高测量精度可以采用线数较大的旋转编码器和分度圆直径很小的齿 轮。但是，由于旋转编码器的价格随线数的增加成倍增长，同时，机械加工制 造水平低下的缘故，小模数齿轮的加工也比较困难，生产成本很高。因此，通 过增加编码器的线数和减小齿轮模数的方法来提高位移测量精度代价很高，不 是一个合理的解决方案，必须寻找其他的方法。 由于测量数据是通过旋转编码器输出信号得到的，可以对输出信号进行处 理来提高测量精度。通过对旋转编码器输出的a 、b 两路相位差为9 0 0 的脉冲信 号的分析发现，输出的脉冲信号存在上升沿和下降沿，可以通过分别对信号的 上升沿和下降沿计数实现脉冲信号的细分，这样可使原来一个脉冲周期内的脉 冲计数由一个变为四个。原来单个脉冲所对应的位移就变成是四个脉冲信号对 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 应的位移，细化后的单个脉冲所对应的位移变成p ：黑，与此前未细分时相比 斗v 测量精度提高了四倍。在扫描机设计中，本文选用分辨率为2 5 0 0 线的旋转编码 器，模数为0 5 m m 齿数为2 0 的编码器旋转齿轮，此时理论的测量精度为3 1 4 m ， 未采用脉冲细分时的位移测量精度为1 2 ，5 6 # m 。所以从轮廓测量方面保证了磨 削加工的镜片与镜架的配合。 2 3 扫描机硬件的设计 2 3 1 扫描机硬件系统简介 在扫描机中，采用八位单片机作为控制器，主要任务是控制两个步进电机 协调工作并对旋转编码器返回的脉冲信号进行计数、采集、处理和传送。扫描 机的硬件结构如图2 6 所示。 勺 = = 三o r 历聂了_ 习i 划步进电机1 、2i 宴 苫 = = 爿葡丽仁刮a 流e c a 1 、2 l 田 n个 u s b通 ，并a i 、 微 c 二= = 爿塑囱量塑坌i ：刊旋转编码器i 人 、一 。_ 控 计 信 算 模 机 块 制 器 c 二二矧外部数据存储i o 电机进基准位停机 图6 8 磨边机基准寻位保护电路 镜片磨边机的磨削加工有平边和尖边之分，它们对于机头的活动性要求不 样。在平边磨削时，装夹镜片毛坯的机头在加工位置处是非自由的，必须锁 定才能满足加工要求；而尖边磨削时，则要求机头是自由的以保证磨出的尖边 形状比较好。为了满足要求，在磨边机中加入电磁离合器来实现不同的加工方 式。平边磨削时电磁离舍器吸合，机头位置处于锁定状态；尖边磨削时电磁离 合器分离，机头处于自由状态。电磁离合器内部有一个线圈，通电时线圈产生 磁场将上下金属片吸合使之同步运转，控制电磁离合器内部线圈电流的通断即 可满足磨边机的加工要求【如】。控制电路如图6 9 所示，图中r b 5 为高电平时， 晶体管q l 导通，使继电器k 1 得电吸合，触点由常闭切换到常开使2 4 v 电压加 到离合器线圈的两端，电磁离合器动作锁定机头。r b 5 为低，晶体管截止，继 电器失电使触点由常开切换到常闭，断开离合器的供电，机头处于自由状态。 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 6 ，6 本章小结 图6 9 电磁离合器控制电路 本章主要介绍数控镜片磨边机硬件电路的设计，包括步进电机的控制与驱 动，砂轮电机和水泵的起停控制，软件关机电路，手动复位及电源电压监测电 路，加工基准寻位保护和电磁离合器控制等，其电路实物如图6 1 0 所示。 图6 1 0 数控镜片磨边机电路实物图 南京航空航天大学硕士学位论文 第七章系统抗干扰设计 7 1 干扰的产生与分析 在机电系统中，控制器输出的是微弱信号，该信号经过功率放大环节放大 后驱动各个执行元件带动机械部件来完成特定的功能。当输出信号受到干扰后， 信号内容发生变化，放大后将会使执行元件错误动作，机械部件运动失控。这 样不仅造成控制系统的失稳，严重的还会造成系统的破坏和人身伤害事故。因 此必须最大限度地减少干扰，提高系统的抗干扰性。 通常在一个系统中，系统受到干扰的程度可以用下式来表示【2 9 】： s：wc(7-1) l 式中：s 为系统受干扰的程度；w 为干扰源的强度；c 为干扰源到干扰处的耦合 因数；i 为系统的抗干扰强度。 由式( 7 1 ) 可知，要减小系统受干扰的程度就必须从w 、c 、i 三方面入手， 尽可能减少干扰源的数量和强度，阻断干扰的传播途径，提高系统自身的抗干 扰能力。 在本文所述的镜片磨边数控系统中，存在着多种形式的电力驱动元件，如 步进电机、单相异步电机、电磁离合器等，这些都不可避免的会给系统带来干 扰。如步进电机，它以恒流斩波方式工作，工作电流较大，当多个步进电机同 时工作会使电源电压产生波动。同时，单相异步电机是大功率设备，它的频繁 启动和停止可能会使供电电压产生欠压或者过压，从而影响到系统的正常供电。 另外，现代移动通信设备的普及，空中电磁辐射程度日益加重，移动通信设备 发出的脉冲信号的频率和功率都比较大，当靠近系统使用时足以影响到信号的 正常传递。 上述两种形式的干扰是比较普遍的，但是电磁辐射干扰与供电电源干扰相 比，对于系统的影响在强度和频度上要小得多，通常可以通过良好的屏蔽和正 确的接地处理来解决。因此系统抗干扰的重点是防止供电电源的干扰，通过减 少电源干扰来保证m c u 和其他电路的正常工作。 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 7 2 系统供电抗干扰设计 任何电源及输电线都存在内阻，正是这些内阻引起了电源的噪声干扰，如 果没有内阻存在，那么任何噪声都会被电源短路吸收，在电路中不会建立起任 何的干扰电压【3 “。因此，在机电系统中最严重的干扰来源于电源的污染。 对于由步进电机引起的干扰，可以通过采用单独供给直流电源的方法来实 现。如步进电机的供电采用+ 3 6 v ，+ 2 4 v 单路输出稳压电源供电：而m c u 和 其他逻辑器件采用单路+ 5 v 供电。这样可以尽可能的减少步进电机工作对逻辑 电路供电电压的影响。 对于由单相异步电机起停引起的电源欠压和过压，可在供电输入的前一级 加上交流电源稳压器，这样可以使由电机引起的电压变化减小，通过交流稳压 器进入直流稳压电源的电源波动幅度就大大的减小。 系统中还采用了m x 7 0 8 进行m c u 输入电压的监测，当供电电压下降到一 定值时，会输出复位信号使m c u 复位，防止m c u 的非正常工作。 采取这些措施能有效的减少系统内外的电源干扰，保证系统的正常稳定工 作。 7 3 系统硬件抗干扰设计 系统的硬件主要由模拟电路、数字电路、微控制器和通信电缆等几部分组 成。通过对这几部分的合理处理也能够实现一定抗干扰。对它们的处理主要表 现在元器件的选择、滤波、光电隔离、电源与地线布置等等【3 l l 【3 2 。 1 元器件的选择。在系统中，高频信号比较易受干扰，选用外时钟频率低 的微控制器可以有效的降低噪声和提高系统的抗干扰能力。因此设计时在满足 功能要求的情况下尽可能采用低频时钟配置的微控制器。其次，为了缩短信号 的传输路径，应多选用集成电路，少用分立元件。再次，为了减少集成电路与 i c 插座间耦合电容，尽量选用贴片元件直接焊在p c b 上。传输数据的通信电缆 尽可能选用带屏蔽的高速通信电缆，减少数据传输受干扰的程度等。 2 滤波技术。在数字电路中，当电路从一种状态转换成另一种状态时会在 电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。为了抑止这种噪声 干扰，需要在电路中配置适当的去耦电容。在p c b 板上电源输入端和地线间跨 南京航空航天大学硕士学位论文 接一个1 0 1 0 0 u f 的电解电容( 如有可能，接1 0 0 u f 以上更好) 和一个1 0 0 n f 的陶瓷电容。大容量电解电容去除低频干扰成分，小容量陶瓷电容去除高频干 扰成分。其次，在每个集成电路芯片的电源输入端安置一个0 1 u f 的陶瓷电容。 在安放空间位置不足的情况下可以每4 l o 个芯片安置一个1 1 0 u f 的钽电容。 3 光电隔离技术。光电隔离常用光电祸合器件来实现，它以光为传输媒介 来传输信号的器件。光电耦合部分密封于管内，不易受外界的干扰。光电耦合 器在输入端配置发光源，输出端配置受光器，输入输出之间是完全隔离的。在 电路中接入光电耦合器件，能够有效地隔离输出大功率信号回窜到控制电路中， 防止干扰逻辑电路。同时，由于光电耦合器件的隔离作用，能够很好地起到安 全保护作用，因为光电耦合器件的输入输出之间有很高的耐压值，通常有5 0 0 v 以上，能够防止功率输出级电路的破坏对于核心逻辑电路的影响。电路设计时 选用t l p 5 2 1 作为光电耦合器件，在高速条件下还可以选用高速光耦6 n 1 3 7 。 4 电源与地线布置。在系统设计时，由于存在着模拟地和数字地之分，因 此这两者的布线要尽量分开，分别与电源端的地线相连。尽量加粗接地线，若 接地线很细，接地电位则随电流变化而变化，致使m c u 信号不稳定，抗干扰能 力减弱。走线时尽可能的保持电源线、地线与数据信号线传输方向的一致。 7 4 系统软件抗干扰设计 在机电系统中，系统的抗干扰措施除了在硬件上做必露的防护，在软件上 还应该进行相应的处理。 软件抗干扰是m c u 的自身防御。采用软件抗干扰最根本的前提是系统的软 件不会因为干扰而损坏，其次是在干扰作用下系统的硬件部分不会受到任何的 破坏。 常用的软件抗干扰措施有软件陷阱法和看门狗定时器w d t 法【3 3 。 1 软件陷阱法。通常在程序中可以设置软件陷阱，引导程序失控的单片机 跳转到一个指定的地址去执行，最终回复到正常轨道上来。软件陷阱可以设置 在用户程序的空隙处或转移指令之后，还可以填充程序存储器的空白区。在本 文中所述的镜片磨边数控系统中，可以用如下的指令来实现软件陷阱“b c f p c l a t h ，3 b c f p c l a t h ，4 j m p 0 0 0 0 h ”。当程序失控时执行到软件陷阱 指令，程序会自动跳转到复位矢量处，即初始化程序入口地址去执行，从而达 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 到回复正常轨道的目的。 2 看门狗定时器w d t 法。看门狗是一个独立运行的定时器单元，具有清 零控制输入端和超时溢出输出端。看门狗的超时溢出信号可以使m c u 复位，为 了不让看门狗产生溢出，需要利用专用指令或者专用信号对看门狗周期性的清 零。系统中的主程序是循环结构的，当使用看门狗功能时，需要在主程序的循 环路径上设置看门狗清零指令，这样在程序正常执行时，m c u 不断对看门狗清 零，看门狗没有溢出复位信号产生：而当程序时失控时，跳出或偏离了安排有 看门狗清零指令的正常循环路径，无法对看门狗按时清零，致使看门狗产生溢 出复位信号进而迫使m c u 复位，使程序回到正常的路径上来。 在软件抗干扰措施起作用后，程序通常是从复位矢量处开始执行，但是对 于不同的复位方式需要进行不同的处理。软件陷阱不会使m c u 产生复位操作， 而看门狗的溢出会使m c u 产生复位操作，因此在程序失控回复后需要进行复位 状态检测，以判明复位的方式。通常可以通过检测状态寄存器s t a t u s 中的于万、 p d 标志位和电源控制器p c o n 中的乒西天、度丽标志位来实现。 南京航空航天大学硕士学位论文 8 1 工作总结 第八章工作总结与展望 镜片磨边数控系统是目前靠模加工自动磨边机的新一代产品。国外对这一 系统的研究与开发已经走过了好几个年头，已经出现了多种形式的功能较为完 善的产品。然而在我国，对它的研究与开发还处于起步阶段，至今未有成熟的 产品出现。本文在对国际国内市场现有产品进行详细分析的基础上给出了基于 p c 、m c u 和u s b 模块的系统结构，并实现了系统所需的所有硬件和软件资源， 构成了一个功能完整的原理样机，为镜片磨边系统的开发和大规模生产提供了 先决条件。 本文结合镜片磨边数控系统的开发，涉及系统的方案设计、详细设计和系 统调试，理论与实践相结合，完成了规定的研究与开发任务，工作总结如下： 1 完成该磨边系统的系统结构方案设计，并在实践中证实了该种方案的可 行性； 2 完成扫描机硬件电路和控制软件的设计，调试并实现了全部的扫描测量 功能； 3 设计了基于f t 2 4 5 b m 的u s b 通信模块，解决了多个u s b 通信模块不 能共存同一主机的问题： 4 分别给出基于v c p 和d 2 x x 驱动程序的上位p c 机软件的程序设计示例， 并对扫描测量数据进行了图形复原处理； 5 完成数控镜片磨边机硬件电路的设计，实现了系统对镜片磨边机提出的 各项功能。 8 2 前景展望 随着现代计算机技术、微电子技术和数字控制技术的发展，将有更多更好 的选择来完成该镜片磨边数控系统的设计，并使其功能更加完善。在扫描机中， 轮廓参数的获取目前仅限于二维扫描测量，但实际的镜架或者镜片的轮廓却是 三维的，所以在未来的设计中将会加入三维扫描功能，使之能够真实的反映轮 6 7 镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软件开发 廓的变化，为加工高质量的镜片提供完整的数据。在数控镜片磨边机中，目前 的控制方式是步进电机开环控制，加工时由于某些可能的因素会导致升降机构 与旋转机构的不协调，从而使加工磨出的镜片在轮廓上出现偏差或者镜片安装 后瞳孔距不匹配等，这些都是不允许的。为进一步提高加工质量，以后设计数 控镜片磨边机将会选择闭环侍服系统来实现。 另外，目前该镜片磨边数控系统的工作方式是单机独立工作，以后的设计 中将会引入目前已日趋成熟的工业以太网技术和互联网( i n t e m e t ) 技术，充分 利用网络的便利性和资源共享的特点，使多个加工系统能够在网络环境下协同 工作，使加工成为网络化