毕业设计（论文）-光学三维测量机设计（全套图纸）.doc

1 摘摘 要要 逆向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 CAD 技术 激光技术 材料技术和计算机控制技术等为一体的高新技术 它针 对现有的工件 样品或模型 利用 3D 数字化测量仪器快速 准确的测得大量 轮廓坐标点 并对这些坐标点进行去噪 匹配加以构建 修改后输入到 CAD CAM 系统 生成 NC 的刀具加工路径 或输入 CNC 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 三维光学测 量机就是这样一种设备 它可以将在三维物理空间中的被测物体复制到三维数 据空间当中并进行重现 我们称之为建立三维模型 这种能力使三维扫描仪拥 有非常巨大的应用前景 由于逆向工程技术具有广泛的应用领域和实用价值 因此 世界上主要工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研发和推广应用 他 们无不站在 21 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术 目前该 项技术已经广泛应用于机械零部件的快速开发 汽车和飞机覆盖件的快速检测 和反求 快速模具 医疗及康复工程 家用电器 工业设计 工艺品制作以及 儿童玩具等领域 取得了巨大的经济效益 本次设计主要是完成光学三维测量 机机械部分和控制系统的设计 本文提出的结构光三维测量系统是一种光栅式 结构光扫描双目视觉测量技术 由于是面扫描 所以 在速度上有很大的优势 可以很好的实现被测自由曲面的快速 高精度的三维尺寸测量 通过对测量机 的个部分部件的设计 最后完成光学三维测量机的设计工作 关键词关键词 逆向工程 三维模型 光学三维测量机 光栅 扫描 全套图纸 加全套图纸 加 153893706153893706 2 AbstractAbstract Reverse engineering is currently used for product development and imitation of an advanced means of processing is set measurement technology CAD technology laser technology materials technology and computer controlled technology which integrates high tech it addresses the existing part or sample MODEL using 3 D digital measuring instruments quickly and accurately measured the outline of a large number coordinates and coordinates of these points denoising match to build the revised import to CAD CAM system generating the NC tool processing path or enter CNC to generate the necessary die or generate a certain format of the files into a rapid prototyping machine will be created by the sample model Three dimensional optical measuring machine is one such device which can be three dimensional physical space of the detected objects copied to the 3D data space and return them we call it the establishment of three dimensional model This ability to 3 D scanner has a very great prospect Since reverse engineering is a wide range of applications and practical value the world s major industrial countries have invested heavily in research and development of the technology and application they all stand in the 21st century global competition in world manufacturing strategy to deal with this highly A technology Currently the technology has been widely used in the rapid development of machinery parts automobile and aircraft coverage of the rapid detection and anti seeking rapid tooling medical and rehabilitation engineering home appliances industrial design craft making and children s toys and other fields and achieved A huge economic benefits The optical design is complete three dimensional measuring machines and mechanical control system design the paper s three dimensional structure of optical measurement system is a grating structure of binocular vision measuring optical scanning technology Since the 3 scan therefore have great speed on the edge you can achieve very good surface tested free of the fast high precision 3D measurement By measuring machine parts parts of the design the final completion of three dimensional optical measuring machine design KeyKey wordswords Reverse engineering Three dimensional model of optical scanning Three dimensional measuring machines Grating 4 目目 录录 摘要摘要I ABSTRACT II 第一章第一章 绪论绪论 1 引言 1 1 1 三维光学测量机的应用与发展状况 2 1 2 设计研究的目的和意义 3 1 3 本文的内容安排 4 1 4 本章总结 4 第二章第二章 光学三维测量机的测量原理光学三维测量机的测量原理 5 2 1 测量机的测量原理 5 2 2 三维测量机的特点 5 2 3 控制系统原理介绍 6 2 4 本章总结 7 第三章第三章 光学三维测量机整体设计方案光学三维测量机整体设计方案18 3 1 设计要求 8 3 2 光学三维测量机基本结构分析 8 3 2 1 设计任务和内容 8 3 2 2 总体设计法案的拟定 8 3 2 3 光学三维测量机机械部分设计 9 3 2 4 控制部分设计 10 3 3 主要参数设定 16 3 4 本章总结 16 第四章第四章 机械部分的具体设计及其硬件选择机械部分的具体设计及其硬件选择17 4 1 底座设计 17 4 2 滑动体主要设计 18 4 3 光学扫描仪测量系统的硬件组成 18 4 3 1 结构光三维测量系统的硬件组成 18 4 3 2 CCD 基本知识 19 5 4 3 3 图像采集卡 20 4 3 4 选择结果 20 4 4 光栅电动平移台基本结构设计 21 4 5 本章总结 21 第五章第五章 光学三维测量机的设计计算光学三维测量机的设计计算 22 5 1 控制系统中电机的选择 22 5 1 1 步进电机概述 22 5 1 2 电动机容量的选择原则 22 5 1 3 步进电动机的容量计算 23 5 2 联轴器的选择 23 5 3 丝杠螺母副的选用计算 24 5 3 1 丝杠螺母导程的确定 24 5 3 2 确定丝杠的等效转速 24 5 3 3 丝杠的等效负载 24 5 3 4 确定丝杠所受的最大动载荷 24 5 3 5 计算轴承动载荷 25 5 3 6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率计算 25 5 4 丝杠的扭转刚度 26 5 5 传动精度计算 26 5 6 本章总结 27 第六章第六章 总结和展望总结和展望28 6 1 全文总结 28 6 2 展望 28 致致 谢谢30 参考文献参考文献31 附录附录 1 33 附录附录 2 48 第一章 绪论 6 引言 随着计算机与网络技术的发展 信息高速公路加快了科技信息的传播速度 产品生命周期越来越短 追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多 批量越来越小 企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争 而更重要的是产 品开发速度以及上市时间的竞争 这种趋势在 21 世纪头 10 年将日趋强劲 因 此产品的开发速度和制造技术的柔性和可移植性变得十分关键 快速原型制造 Rapid Prototyping 以下简称 RP 技术就是在这种背景下 产生的 RP 技术综合运用了计算机辅助设计技术 数控技术 激光技术 材 料科学和自动化控制等技术的发展成果 采用分层增材制造的新概念取代传统 的去材或变形法加工 是当代最具有代表性的制造技术之一 快速原型制造技 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 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 对于大多数产品 都可以在通用的 CAD 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 品的二次开发 在某些情况下由于存在多种因素的影响 如功能 工艺 外观 使得相当一些零件的形状很复杂 无法用通用的方法在 CAD 软件上准确的设计 出它们的实物模型 而且整个开发周期长 开发成本高 因此有必要首先开发 出一定比例的小的实物模型 如木模 蜡模等 反求工程 也称逆向工程 Reverse Engineering 应运而生 反求工程是根据已有的实物样件 利用 3D 测量技术快速测得实物的数据点 反求出初始的设计意图 包括形状 材料 工艺等诸多方面 所谓 逆向工程 是相对于通常的先有设计意图再进行设计 然后再加工出实物的设计流程 顺向工程而言 如图 1 1 所示 7 逆向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 CAD 技术 激光技术 材料技术和计算机控制技术等为一体的高新技术 它针 对现有的工件 样品或模型 利用 3D 数字化测量仪器快速 准确的测得大量 轮廓坐标点 并对这些坐标点进行去噪 匹配加以构建 修改后输入到 CAD CAM 系统 生成 NC 的刀具加工路径 或输入 CNC 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 1 光学三维测量机的应用与发展状况 三维光学测量机就是这样一种设备 它可以将在三维物理空间中的被测物 体复制到三维数据空间当中并进行重现 我们称之为建立三维模型 这种能力 使三维扫描仪拥有非常巨大的应用前景 由于逆向工程技术具有广泛的应用领 域和实用价值 因此 世界上主要工业国家纷纷投入巨资对此项技术进行研发 和推广应用 他们无不站在 21 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这 一技术 目前该项技术已经广泛应用于机械零部件的快速开发 汽车和飞机覆 盖件的快速检测和反求 快速模具 医疗及康复工程 家用电器 工业设计 工艺品制作以及儿童玩具等领域 取得了巨大的经济效益 目前 国外不同测量原理的逆向设备已进入我国市场 如英国 3D Scanner 公司 德国 GOM 公司以及美国 日本 比利时等国产品 国外设备虽 然性能优良 但价格十分昂贵 国内企业 特别是大量的中小企业一般很难有 能力购买 而且国外产品并不能完全适合我国国情 还需本土化 课题组申请 的省自然科学基金资助项目 能够从整体上降低逆向工程技术在我国的使用门 槛 使国内众多的中小企业能够使用这种先进技术来提高产品开发能力和市场 8 竞争能力 国外生产厂家采取多种方式大力推介他们的设备 如 德国 GOM 公司正在 开发中文版三维测量软件 形势十分严峻 时不我待 尽快开发出提升我国制 造业水平和自主创新能力的这一关键设备 是我们义不容辞的责任 近年来 华中科技大学 上海交大 西安交大 清华大学 南京航空航天 大学 大连理工大学等高校也加强了对逆向工程技术的研究 华中科技大学生 产了我国第一台商品化激光线扫描台式反求设备 北京天远公司也推出了他们 的产品 但总体上来看 国内的逆向工程技术研究和设备研发还处于初级阶段 设备品种单一 与国外先进技术相比还有很大差距 远没有达到大面积推广与 应用的水平 1 2 设计研究的目的和意义 逆向工程 Reverse Engineering 在传统的汽车 航空航天 通讯 家 电 艺术品的快速模具制造与检测领域有着广泛的应用 它是一门集机器视觉 CAD CAM 光学测量 数控 精密机械 图像采集与处理 工业设计为一体的 高新技术 是一种对模型进行仿型测量 CAD 模型重构 模型加工并进行优化 评估的设计方法 作为先进制造技术重要分支 已成为吸收 消化国内外先进 技术 实现产品快速开发和创新的重要手段 可以避免走自行开发中的许多弯 路 极大地增强企业的竞争能力 它针对现有的模型或样品 利用 3D 数字化 测量仪器 准确 快速地测得其轮廓坐标 并进行三维 CAD 曲面重构 在此基 础上再设计 实现产品 创新 然后通过 CAM 系统 产生刀具 NC 加工代码 控制 CNC 设备进行产品加工 或者送到快速成型机将模型或样品快速制作出来 这一技术使产品模型得到精确的表达和再现 为产品的进一步分析 优化和制 造确立了统一的对象 例如 在汽车车身等复杂覆盖件的工业设计中 形状独 特而复杂的自由曲面一般不能直接建立起 CAD 模型 而是以制件模型 如粘土 模型等 或经手工修改后的样件为设计原型 这类零件具有非常复杂的自由曲 面 其设计表达或数学模型的建立非常困难 但是 一旦重构出自由曲面 并 建立起 CAD 模型后 就可以方便地进行设计 有限元分析 模型修改 误差分 析和数控加工指令生成等 这就要求根据这些模型的表面测量数据 基于新的 设计理念重构汽车车身 CAD 模型 或新产品模型 并进行反复优化评估 直 到得到满意的设计结果 三维扫描测量技术 设备和软件是逆向工程的重要组成部分 在产品快速 设计开发 快速模具和复杂型面数控加工等方面都具有重要意义 9 1 3 本文的内容安排 绪论主要阐述逆向工程的概念 三维光学测量机在逆向工程中的作用以及 它的应用与发展 本次设计的目的及其重大意义 第二章首先介绍三维光学测量机系统的测量原理 测量机的特点 然后详 细介绍了控制系统的原理 第三章主要介绍三维光学测量机的整体设计法案 第四章主要描述机械部分的设计和一些硬件件的选择 对相应的硬件进行 详细的介绍 第五章介绍测量机的相关设计计算 第六章进行了全文总结以及对测量机的未来展望 1 4 本章总结 本章首先介绍逆向工程的发展背景 概念 三维测量机在逆向工程中的应 用状况 随后介绍了逆向工程中数据获取方法和 CAD 建模方法 并将各种方法 进行了简单比较 本次设计的目的 意义 最后对本次设计的整体安排进行了 介绍 10 第二章 光学三维测量机的测量原理 2 1 测量机的测量原理 光栅投影照相式三维测量仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备 应用 的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理 采用一种结合结构光技 术 相位测量技术 计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术 与传统的 三维扫描仪不同的是 该扫描仪能同时测量一个面 光线垂直照射被测物体表 面 运动控制器通过驱动器控制步进电机带动双目面阵 CCD 实时地将被测物体 的图像送入图像采集卡 图像采集卡把采集到的数据信息送入计算机进行相应 的图像处理以后得到三维的数据点云 其基本原理如图 2 1 所示 2 2 三维测量机的特点 1 扫描速度极快 5 秒内可得到 100 多万点 效率很高 2 第三代的面扫描方式 每次扫描一个面 获得整个面的三维数据 测 量点分布密度极高且非常规则 3 非接触扫描 利用照相式原理 进行非接触式光学扫描 得到物体表 面三维数据 而且适应了柔软 易变形物体的测量要求 4 精度高 利用独有的测量技术 实际精度可达 0 02mm 11 5 大景深 扫描景深可达 300 500mm 为国内最高 适合景深较大物体 扫描 6 标志点自动拼接 可将多次测量结果自动拼接 扫描时物体可任意翻 转和挪动 通过对标志点的拼接加以生成多次测量数据 从而实现大面积扫描 减少了测量的死角 7 点云噪声处理和修剪 可以对测量产生的噪音点进行修剪 剔除 8 对环境要求不高 环境光对该扫描系统影响不大 在大多数的环境下 都能获得高性能的数据 9 便携式设计 设备部件易拆易装 方便带至测量现场 10 测量输出数据接口广泛 测量所得的点云数据为 ASC VRML 格式 可 直接与 Surfacer image ware UG CATIA Geomagic Pro E Master CAM 等软件交互数据 11 软件性能良好 兼容 Windows98 NT 2000 XP 平台 用户易学易 用 不需过多的培训就可以熟练操作 兼容性好 简便易学 12 彩色扫描 不但可以得到数字信息 还可以得到 RGB 彩色信息 2 3 控制系统原理介绍 随着自动控制技术的发展 控制系统的种类越来越多 可以分为开环控制 系统 半闭环控制系统和闭环控制系统 开环控制系统如图 2 2 所示 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 TTL 电平 驱动能力小 不足以 驱动电机 此时就需要相应的功率放大器 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转一个步距角 从而带动丝杠 由丝杠带动刀 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 机是否丢步 丝杠是否移动到了指定的位置 因此这种系统只能靠机械和电机 的精度保证 系统速度和精度都较低 指令脉冲 丝杠 图 2 2 开环进给伺服控制系统 计算机 步进电机 驱动电路 步进电机 12 闭环系统常用在精度要求较高的反求系统中 一种构成位置环控制系统原 理如图 2 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 2 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 2 3 实线所示 为全闭环系统 这种闭环或半闭环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 由图 2 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 从扫描系统的特点 速度 精度 成本等方面考虑 我们选择了半闭环 控制系统 采用编码器反馈回各轴的位置信息 然后再与设定值进行比较 将 偏差信号作为误差补偿信号 这样的半闭环控制系统硬件比较简单 控制较方 便 系统的精度介于开环和闭环系统之间 精度符合我们要求 2 4 本章总结 本章首先介绍了三维扫描系统的工作原理 采用结构光三角原理进行测量 接着简单介绍了控制系统的分类 介绍了开环控制系统和闭环控制系统 并根 据系统的精度要求和成本考虑选用了带有编码器反馈的半闭环控制系统 并符 合三维光学测量系统的要求 指令 图 2 3 一种闭环伺服控制系统的组成 位置调节器 速度调节器 电机 速度反馈 位置反馈 机械装置 13 第三章 光学三维测量机整体设计方案 3 1 设计要求 在绘制产品总装图和部件装配图时要注意设计的科学性和条理性 设计一 个部件 其过程大致如下 首先 确定末端执行件的概略形状尺寸 然后 设 计末端执行件与其相临的下一个功能部件的结合的形式与概率尺寸 若为运动 导轨结合部 则执行件一测相当于滑台 相临部件一测相当于滑座 考虑导轨 精度 选择并确定导轨的类型及尺寸 根据导轨结合部的设计结果和该运动的 行程 直到基础支撑件 在设计中 处处从实际出发分析和处理问题是至关重要的 从大处讲 联 系实际是指对工艺可能性的分析 在参数拟订和方案确定中 既要了解当今的 先进生产水平和可能趋势 更应了解我国的实际生产水平 使设计的机器能发 挥最佳的效果 从小处讲 指对设计的机械零部件的制造工艺 装配和维修要 进行认真的切实际的考虑和分析 学会使用设计手册 对推荐的设计数据和各 类标准要结合实际情况取舍 通过设计实践 了解和掌握结合实际 综合思考 的设计方法 3 2 光学三维测量机的基本结构分析 1 主机机械系统 X Y Z 三轴或其它 2 测头系统 3 电气控制硬件系统 4 数据处理软件系统 测量软件 3 2 1 设计任务和内容 设计任务定位在光学三维测量机机械结构及运动控制系统设计 其中机械 部分的设计包括底座设计 主要承担运动功能 设备部件易拆易装 方便带至测 量现场 不受地域的限制 其次是滑道的设计 包括限位手柄 整体结构的设计 主要使测量机的扫描头可以实现 y 轴 z 轴 绕 z 轴旋转的运动功能 扩大 其测量范围 最后是测量机扫描头的设计 包括内部结构设计 主要是光栅电 动平移台的设计 第二 控制系统设计 3 2 2 总体设计法案的拟定 方案拟订为测量机机械结构和控制系统的设计 其中主要是测量机的整体 结构定型 扫描头沿 y z 轴的运动 绕 z 轴的旋转系统设计 底座支撑设计 14 扫描头设计 PLC 控制系统设计 3 2 3 光学三维测量机机械部分设计 测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计 可分为创新设计 变 形设计 和组合设计三大类型 设计的过程随设计类型而不同 其中创新设计 的过程最典型 可分为产品规划阶段 方案设计 技术设计和施工设计四个阶 段 产品规划阶段的任务是明确设计任务 通常应在市场调查与预测的基础上 识别产品需求 进行可行性分析 制定设计技术任务书 初步设计方案具体化 技术设计阶段是将方案设计阶段拟订的初步设计方 案具体化 确定结构原理方案 进行总体技术方案设计 进行结构设计 通过 技术经济分析 选择较优的设计方案 1 确定结构原理放案 根据初步设计方案 再充分理解原理的基础上 确定结构原理方案 其中 包括决定尺寸的依据 如功率 流量和联系尺寸等 决定布局的依据等 决定 和限制结构设计的空间条件 在上述的依据约束下 对主要功能结构进行构 思 初步确定其材料和形状 进行粗略的结构设计 2 总体设计 总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化 总体设计的内容大 致包括主要结构参数 总体布局 系统原理图 其它 3 结构设计 结构设计阶段的主要任务是在总体设计的基础上 对结构原理方案结构化 绘制产品总装图 提出初步的零件表及装配说明书 进行结构设计时 必须遵 守有关标准规范 充分考虑人机工程 外观造型 结构可靠和耐用性 加工和 装配工艺性等 光学三维测量机的结构草图如下 15 图 3 1 光学三维测量机 3 2 4 控制部分设计 光学三维测量机系统的控制部分采用 PLC 控制 本书以 S7 200 系列 PLC 为目标机型 介绍西门子 PLC 的特点 为今后更 好地学习和掌握 S7 300 400 打下基础 S7 200 系列 PLC 作为西门子 SIMATIC PLC 家族中的最小成员 以其超小体积 灵活的配置 强大的内置功能 在各 个领域得到广泛的应用 16 1 S7 200 系列 PLC 的基本硬件组成 S7 200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基 本单元和 6 种型号的扩展单元 其系统构成包括基本单元 扩展单元 编程器 存储卡 写入器 文本显示器等 1 基本单元 S7 200 系列 PLC 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 CPU 供选择使用 其输入输出点数的分配见表 3 1 表 3 1 S7 200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元 型 号输入点输出点可带扩展模块数 S7 200CPU22164 S7 200CPU22286 2 个扩展模块 78 路数字量 I O 点或 10 路模拟量 I O 点 S7 200CPU2241410 7 个扩展模块 168 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 S7 200CPU2262416 2 个扩展模块 248 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 S7 200CPU226XM2416 2 个扩展模块 48 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 2 扩展单元 S7 200 系列 PLC 主要有 6 种扩展单元 它本身没有 CPU 只能与基本单元 相连接使用 用于扩展 I O 点数 S7 200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出 点数的分配如表 3 2 所示 表 3 2 S7 200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号输入点输出点 EM2218无 EM222无8数字量扩展模块 EM2234 8 164 8 16 EM2313无 EM232无2模拟量扩展模块 EM23531 3 编程器 PLC 在正式运行时 不需要编程器 编程器主要用来进行用户程序的编制 存储和管理等 并将用户程序送入 PLC 中 在调试过程中 进行监控和故障检 测 S7 200 系列 PLC 可采用多种编程器 一般可分为简易型和智能型 17 简易型编程器是袖珍型的 简单实用 价格低廉 是一种很好的现场编程 及监测工具 但显示功能较差 只能用指令表方式输入 使用不够方便 智能 型编程器采用计算机进行编程操作 将专用的编程软件装入计算机内 可直接 采用梯形图语言编程 实现在线监测 非常直观 且功能强大 S7 200 系列 PLC 的专用编程软件为 STEP7 Micro WIN 4 程序存储卡 为了保证程序及重要参数的安全 一般小型 PLC 设有外接 EEPROM 卡盒接 口 通过该接口可以将卡盒的内容写入 PLC 也可将 PLC 内的程序及重要参数 传到外接 EEPROM 卡盒内作为备份 程序存储卡 EEPROM 有 6ES 7291 8GC00 0XA0 和 6ES 7291 8GD00 0XA0 两种 程序容量分别为 8K 和 16K 程序步 5 写入器 写入器的功能是实现 PLC 和 EPROM 之间的程序传送 是将 PLC 中 RAM 区的 程序通过写入器固化到程序存储卡中 或将 PLC 中程序存储卡中的程序通过写 入器传送到 RAM 区 6 文本显示器 文本显示器 TD200 不仅是一个用于显示系统信息的显示设备 还可以作为 控制单元对某个量的数值进行修改 或直接设置输入 输出量 文本信息的显 示用选择 确认的方法 最多可显示 80 条信息 每条信息最多 4 个变量的状态 过程参数可在显示器上显示 并可以随时修改 TD200 面板上的 8 个可编程序 的功能键 每个都分配了一个存储器位 这些功能键在启动和测试系统时 可 以进行参数设置和诊断 2 S7 200 系列 PLC 的主要技术性能 下面以 S7 200 CPU224 为例说明 S7 系列 PLC 的主要技术性能 1 一般性能 S7 200 CPU224 的一般性能如表 3 3 所示 表 3 3 S7 200 CPU224 一般性能 电源电压DC 24V AC 100 230V 电源电压波动DC 20 4 28 8V AC 84 264V 47 63Hz 环境温度 湿度水平安装 0 550C 垂直安装 0 450C 5 95 大气压860 1080hPa 保护等级IP20 到 IEC529 输出给传感器的电压DC 24V 20 4 28 8V 输出给传感器的电流280mA 电子式短路保护 600mA 为扩展模块提供的输出电660mA 18 流 程序存储器8K 字节 典型值为 2 6K 条指令 数据存储器2 5K 字 存储器子模块1 个可插入的存储器子模块 数据后备 整个 BD1 在 EEPROM 中无需维护 在 RAM 中当前的 DB1 标志位 定时器 计数器等通过高能电容或电池维 持 后备时间 190h 400C 时 120h 插入电池后备 200 天 编程语言LAD FBD STL 程序结构一个主程序块 可以包括子程序 程序执行自由循环 中断控制 定时控制 1 255ms 子程序级8 级 用户程序保护3 级口令保护 指令集逻辑运算 应用功能 位操作执行时间0 37 s 扫描时间监控300ms 可重启动 内部标志位256 可保持 EEPROM 中 0 112 计数器0 256 可保持 256 6 个高速计数器 定时器 可保持 256 4 个定时器 1ms 30s 16 个定时器 10ms 5min 236 个定时器 100ms 54min 接口一个 RS485 通信接口 可连接的编程器 PCPG740PII PG760PII PC AT 本机 I O 数字量输入 14 其中 4 个可用作硬件中断 14 个用于高速功能 数字量输出 10 其中 2 个可用作本机功能 模拟电位器 2 个 可连接的 I O 数字量输入 输出 最多 94 74 模拟量输入 输出 最多 28 7 或 14 AS 接口输入 输出 496 最多可接扩展模块7 个 2 输入特性 19 S7 200 CPU224 的输入特性如表 3 4 所示 表 3 4 S7 200 CPU224 输入特性 类型源型或汇型 输入电压 DC 24V 1 信号 14 35A 0 信号 0 5A 隔离光耦隔离 6 点和 8 点 输入电流 1 信号 最大 4mA 输入延迟 额定输入电压 所有标准输入 全部 0 2 12 8ms 可调节 中断输入 I0 0 0 3 0 2 12 8ms 可调节 高速计数器 I0 0 0 5 最大 30kHz 3 输出特性 S7 200 CPU224 输出特性如表 3 5 所示 表 3 5 S7 200 CPU224 的输出特性 类型晶体管输出型继电器输出型 额定负载电压DC 24V 20 4 28 8V DC 24V 4 30V AC24 230V 20 250V 输出电压 1 信号 最小 DC 20VL L 隔离光耦隔离 5 点继电器隔离 3 点和 4 点 最大输出电流 1 信号 0 75A 1 信号 2A 最小输出电流 0 信号 10 sA 0 信号 0mA 输出开关容量 阻性负载 0 75A 灯负载 5W 阻性负载 2A 灯负载 DC30W AC200W S7 200 系列 PLC 是模块式结构 可以通过配接各种扩展模块来达到扩展 功能 扩大控制能力的目的 目前 S7 200 主要有三大类扩展模块 1 输入 输出扩展模块 S7 200 CPU 上已经集成了一定数量的数字量 I O 点 但如用户需要多于 CPU 单元 I O 点时 必须对系统做必要的扩展 CPU221 无 I O 扩展能力 CPU 222 最多可连接 2 个扩展模块 数字量或模拟量 而 CPU224 和 CPU226 最多可连接 7 个扩展模块 S7 200 PLC 系列目前总共提供共 5 大类扩展模块 数字量输入扩展板 EM221 8 路扩展输入 数字量输出扩展板 EM222 8 路扩展输出 数字量 输入和输出混合扩展板 EM223 8I O 16I O 32I O 模拟量输入扩展板 EM231 每个 EM231 可扩展 3 路模拟量输入通道 A D 转换时间为 25 s 12 位 模拟量输入和输出混合扩展模板 EM235 每个 EM235 可同时扩展 3 路模拟 20 输入和 1 路模拟量输出通道 其中 A D 转换时间为 25 s D A 转换时间 100 s 位数均为 12 位 基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器 插件 与扩展单元左侧 的扩展接口相连接 扩展单元正常工作需要 5VDC 工作电源 此电源由基本单 元通过总线连接器提供 扩展单元的 24VDC 输入点和输出点电源 可由基本单 元的 24VDC 电源供电 但要注意基本单元所提供的最大电流能力 2 热电偶 热电阻扩展模块 热电偶 热电阻模块 EM231 是为 CPU222 CPU224 CPU226 设计的 S7 200 与多种热电偶 热电阻的连接备有 隔离接口 用户通过模块上的 DIP 开关来选择热电偶或热电阻的类型 接线方 式 测量单位和开路故障的方向 3 通讯扩展模块 除了 CPU 集成通讯口外 S7 200 还可以通过通讯扩 展模块连接成更大的网络 S7 200 系列目前有两种通讯扩展模块 PROFIBUS DP 扩展从站模块 EM277 和 AS i 接口扩展模块 CP243 2 S7 200 系列 PLC 输入 输出扩展模块的主要技术性能如表 3 6 所示 表 3 6 S7 200 系列 PLC 输入 输出扩展模块的主要技术性能 类型数字量扩展模块模拟量扩展模块 型号EM21EM222EM223EM231EM232EM235 输入点8无4 8 163无3 输出点无84 8 16无21 隔离组点数824无无无 输入电压C24V DC24 V 输出电压 DC24V 或 AC24 230V DC24V 或 AC24 230V A D 转换时间 250 s 250 s 分辨率 12bitA D 转换 电流 12bit 电流 11bit 12bit A D 转换 21 本文主要是扫描仪中光栅电动平移台的控制如图 3 1 所示 图图 3 13 1 PLCPLC 控制接线图控制接线图 3 3 主要参数的设定 z 向工作行程为 2400mm y 向工作行程为 1200mm 平移台行程 40mm 工作进给速度为 1 1500mm min 快速进给速度 12m min 进给运动的总阻力 F 测量精度为 0 021mm 3 4 本章总结 本章主要介绍了此次设计的总体方案 主要设计的内容 详细介绍了 S7 200 系列 PLC 的结构功能 22 第四章 机械部分的具体设计及其硬件选择 4 1 底座的设计 根据设计要求 设计的产品不受地域和空间位置的影响 采用无固定式设 计 设计结果如下图所示 图图 4 14 1 底座侧视图及主要尺寸标注底座侧视图及主要尺寸标注 图图 4 24 2 底座俯视图底座俯视图 23 4 2 滑动体主要设计 光学三维测量机另一个设计要求 扫描仪可以根据不同的视觉要求调整不 同的视觉角度 所以本次采用扫描头三自由度设计 主要是实现 y z 轴的移 动和绕 z 轴的旋转 设计结果如下图 4 3 所示 图图 4 34 3 滑道的主要结构滑道的主要结构 4 34 3 光学扫描仪测量系统的硬件组成光学扫描仪测量系统的硬件组成 4 3 1 结构光三维测量系统的硬件组成 光栅编码法测量组成原理如图 4 4 所示 光源照射光栅 经过投射系统将 24 光栅条纹投射到被测物体上 经过被测物体形面调制形成测量条纹 由双目摄 像机接受测量条纹 应用特征匹配技术 外极线约束准则和立体视觉技术获得 测量曲面的三维数据 图 4 4 光栅编码法测量原理图 4 3 2 CCD 基本知识 CCD 是一种以电荷包形式存储和传输信息的新型半导体器件 目前正向小 型化与多像素化两个方向发展 CCD 作为摄像器件与传统的真空摄像管相比 具备体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 寿命长 成本低 坚固抗冲击 抗 振动 耐强光 抗电磁干扰等明显优势 在清晰度 分辨率 灵敏度 残像 失真度 彩色与尺寸重现性等方面 也胜真空摄像管一筹 另外 CCD 测量速 度快 所以不仅可用于静态测量 还可用于动态在线检测 因此 本文选用 CCD 摄像机 选择这种摄像机时应该注意几个问题 1 选择各种参数可以手动设置 的摄像头 例如增益 快门速度等 2 选择灵敏度高 信噪比大的摄像头 一般说明书上会标记最低照度为 0 1Lux 等 越小越好 3 水平清晰度越大 越好 4 CCD 尺寸大时 对成像质量有利 但是后续选择时要考虑到镜头的 性能 出的是帧频是每秒钟采集图像的帧数 反映了 CCD 采集图像的速度 只 有帧频高的 CCD 摄像机才能实现高速检测 而电子快门的速度是 CCD 芯片摄取 每一幅图像的曝光时间 这和普通相机所使用的机械快门一样 快门速度越高 拍摄运动物体时图像在 CCD 芯片上位置的相对移动就越小 因此得的到运动图 像就越清晰 相反 如果快门速度很低 运动的物体所成的像就会在 CCD 曝光 25 时发上移动 从而导致图像的模糊 smear 4 3 3 图像采集卡 图像采集卡是一种对模拟视频信号进行采样并作 A D 转换而输出数字信号 的板卡 它广泛应用于图像传感 图像分析 信号处理 数字存储等领域 目 前市场上常见的图像采集卡有基于 ISA 总线与 PCI 总线两种 由于本文采用的 控制装置为微型计算机 PC 并且现在微型计算机的主板板卡插槽多为 PCI 总线插槽 ISA 总线插槽呈现逐渐被淘汰的趋势 因此本文选用基于 PCI 总线 的图像采集卡 按照输出图像的颜色来分 图像采集卡又分为黑白图像采集卡与彩色图像 采集卡两种 其中 彩色图像采集卡的价格大约是同档黑白图像采集卡的 2 倍 根据测量系统的设计要求 并考虑成本 本文选用黑白图像采集卡 4 3 4 选择结果 根据机器视觉光学理论的指导和实验效果对比 同时考虑性价比 本文所 设 计的结构光三维测量系统最终选择了如下的系统硬件 1 CCD 摄像机与图像采集卡 1 日本松下 CCD 摄像机 分辨率 795X596 30 帧 秒 WV BP330 0 08Lux 570 线 1 3 自动白平衡 2 图像采集卡 北京嘉恒中自 M10A 单 A D 通道 可单帧或连续帧进行 图 像采集 3 CCD 镜头定焦手动光圈日本 35 mm F1 8 1 3 C 接口 5 5 2 透射光栅 中科院长春光机所按用户要求制作 3 步进电机与驱动器 步进电机 1 套 驱动器 1 套 运动控制卡 1 块 4 白炽光源一个 5 三角支架一个 6 CCD 光源及光栅支撑架 7 控制用计算机一台 26 4 4 光栅电动平移台基本结构设计 如图 4 5 所示 图 4 5 光栅电动平移台 4 5 本章小结 本章主要介绍了光学三维测量机的主要部件的设计 扫描仪测量系统介绍 以及硬件的选择 27 第五章第五章 光学三维测量机的设计计算光学三维测量机的设计计算 5 15 1 控制系统中电机的选择控制系统中电机的选择 5 1 15 1 1 步进电动机的概述步进电动机的概述 步进电机是一种将脉冲信号转换为机械位移的机电执行单元 专门用于位 置和速度精确控制的特种电机 步进电机的最大特点是其 数字性 对于微 电脑或控制器发过来的每一个脉冲信号 步进电机在其驱动器的推动下运转一 个固定角度 简称一步 如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离 由于步进电机工作简单可靠 成本低廉 根据三维扫描系统控制要求 运动速 度适中 控制精度高 扭矩超过 1 5Nm 我们选用了雷赛公司的步进电机 并 且取得了较好的效果 本设计采用步进电机驱动丝杠旋转实现光栅平移台的直线进给 步进电机 又称脉冲马达 是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的控制电机 它 的位移速度和输入脉冲数成正比 因此可以在较宽的范围内 通过改变脉冲频 率来调速 并能实现快速启动 反转和制动 随着微电子技术的发展 步进电 机已作为重要的执行元件应用于数控机床 智能仪器和自动控制中 5 1 25 1 2 电动机容量的选择原则电动机容量的选择原则 在机电传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的 电动机的选择主 要是容量的选择 如果电动机的容量选小了 一方面不能充分发挥机械设备的 能力 使生产效率降低 另一方面电动机经常在过载下运行 会使它过早损坏 同时还可能出现启动困难 经受不起冲击负载等故障 选择电动机应根据以下三项基本原则进行 1 发热 电动机在运行时 必须保证电动机的实际最高工作温度等于或 略小于电机允许的最高工作温度 2 过载能力 电动机再运行时 必须具有一定的过载能力 特别是在短 期工作时 由于电动机的热惯性较大 电动机在短期内承受高于额定功率的负 载说仍可保证上面的原则 故此时 决定电动机容量的主要因素不是发热而是 电动机的过载能力 既所选电动机的最大转矩或允许电流必须大于运行过程中 可能出现的最大负载转矩和最大负载电流即 28 3 启动能力 由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小 所以 为 使电动机能可靠启动 必须保证 式中 nSTL TT Nstst TT 选择电动机容量的方法一般有计算法 统分析计法和类比法 5 1 35 1 3 步进电动机的容量计算步进电动机的容量计算 下面的计算结果 F 所以选用反应式步进电动机 输出功率 0 2kw 同步转速 1500r min 电 动机的参数如下表一所示 表 5 1 电动机的各种参数 电动机型号步距角最大静转 矩 N m 运行 频率 最高空载启 动频率 轴径长度 55BF0030 75 1 50 686 18006mm70mm 5 2 联轴器的选择 联轴器计算转矩则 3 1114 2 Aaca KTKT 取 考虑到转矩变化很小查表 按照计算转矩应小于联轴器公称直径的条件 查标准 GB5843 86 或手 ca T 册 选用合适的联轴器 表 5 2 联轴器的参数 型号公称转矩 T N M 许用转速 r min 轴孔直径 D H7 DD1螺栓直径