非接触测量系统的主从式闭环运动控制系统设计

　　1 引言

　　随着制造业对精度和效率的要求越来越高,相应地对高精度、高效率测量设备和测量方法的研究也提出了更高要求。对于球面及其它复杂型面上微小孔系(<Φ3mm)的空间位置测量,常规的测量方法很难兼顾测量精度与测量效率的双重要求,而基于机器视觉的非接触测量技术是解决此类问题较理想的选择。此类解决方案一般通过被测件的旋转和移动,使各测量点均可被成像,并通过对图像的识别和处理获得测量结果。由于此类测量系统需要传输、处理的图像数据量大,且被测件运动控制的实时性强,单独采用PC机或单片机控制均难以完成,而采用主从式闭环运动控制方案,以单片机作为运动控制核心,以PC机传输信息和处理数据,则可较好满足测量精度和实时控制的要求。

　　2 球面孔系坐标测量系统原理

　　球面孔系坐标测量系统的闭环运动控制原理如图1所示。被测件为一半圆球体,其表面密布Φ3mm以下的小孔,且所有孔的轴线通过球心。要求测量系统能够测出各孔间的空间相对位置,且对测量时间和测量精度有严格要求。

　　如图2所示,设A孔为被测系统的基准孔,已知球体上A、C孔在YZ平面和XZ平面内夹角的设计尺寸。测量A、C两孔间的实际角度时,首先获取A孔图像并识别出圆心坐标;然后球体转位装置按照设计尺寸绕X、Y轴旋转球体,旋转运动采用闭环控制,转位误差可忽略不计;再获取转位后的图像,由于存在制造误差,C点与A点原位不会重合,将识别出的圆心假设为P点,根据几何关系不难求出被测孔与基准孔之间的实际角度。

　　测量装置由光源、物镜、分光片、线阵CCD和光栅尺等组成。步进电机驱动线阵CCD扫描球面孔图像,将图像信息送回图形采集卡处理。显然,在保证图像识别精度的前提下,系统的测量精度取决于运动控制系统性能。

　　3 控制系统原理及硬件设计

　　为了满足系统数据传输与处理量大、测量图像显示复杂等要求,使用台式机作为上位机。以MCS-51兼容型单片机89C52为核心,控制三台电机驱动工作台和测量装置运动,以满足运动控制的实时性要求。其中两台步进电机驱动工作台分别作两个方向的转动,为了精确控制转位角度,系统采用了具有实时位置反馈的闭环控制(见图1)。PC机与单片机间的通讯采用蓝牙无线通讯,使控制台与测量现场分离。

　　(1)运动控制设计

　　工作台两个方向的转动和测量装置的运动均由步进电机驱动。步进电机由DL-03F05M步进电机驱动器驱动,该驱动器能直接接收来自计算机的TTL电平控制信号,然后完成相序分配和放大,从而驱动步进电机运动。DL-03F05M型驱动器所需的控制信号有:CP)步进脉冲;U/D)旋转方向;PD)脱机及电源和地。另外,每个坐标方向均设置了左右限位开关,以限制电机运动的极限位置。本测量系统有3台电机,所以有9个控制信号输出,6个反馈信号输入,共15个输入/输出信号,且均为数字信号,可由89C52直接控制。