DevelOpment Of Noncontact Robotic Measuring and Control System

摘要：介紹了一種新型的非接觸式機器人測控系統，論述了系統設計思想及其組成和工作原理。該系統由非正交系的坐標執行機構、激光位移傳感器和CCD攝像頭等測量系統以及主從式的控制系統組成，能在有限的測量空間內，實現球殼類、向轉類工件的幾何尺寸、表面缺陷的高精度測量。測試表明，該測控系統具有可靠的穩定性和較高的測量精度。 1 引言 隨著科學技術和現代制造業的發展，工件的制造精度越來越高，因此對測量設備的精度和功能的要求也越來越高，而且新型專用的測量設備的需求也日益增多。傳統的測量機，大都基于一種幾何坐標系，如笛卡兒坐標系、柱坐標系等。這些測量機，機械結構比較直觀，控制算法簡單，測量精度高，系統的誤差模型經多年的研究已完善。但在有些特殊場合，這些測量機不能適應。而非正交坐標測量系統由于其所具有高的靈活性已經成為坐標測量機的發展趨勢。筆者經大量的調查研究，方案比較，參數的計算與優化，計算機仿真；并充分考慮精度、效率、可靠性、操作性、空間的兼容性等，在基于直角坐標系與原柱坐標系的固定橋式、關節機器人測量機等多種方案的基礎上，為在有限的空間實現半球自動非接觸測量，將機器人機構與激光非接觸測量傳感器技術相結合，研制了一種新型的機器人測控系統。該系統在球殼類工件的幾何尺寸和表面缺陷的測量中具有高速、高精度的特點。 2 系統的工作原理 本系統由機械執行機構、CCD攝像頭和激光位移傳感器及光珊等測量系統、控制系統3部分組成。機械執行機構是非接觸測量系統的主體部分。由圖1可見，機械結構主要由基座、機械手、高精度回轉臺、兩維調平工作臺等部分組成。激光位移傳感器安裝在機械手的末端，CCD攝像頭安裝在激光位移傳感器的下方。在測量中具有3個自由度的機械手作為測量主體。 基座的中央安裝了一個高精度的回轉主軸，在回轉主軸的上端，安裝一個兩維調平工作臺，使被測件的回轉軸與回轉臺的回轉軸重合。測量時，將工件放在測量平臺上，回轉臺轉動1周，測量系統測量出半球中心的位置，位置誤差被顯示在面板上。在計算機提示操作下，將半球與回轉軸調同心。然后，機器手移動到第一個測量位置，工作臺旋轉，激光傳感器進行測量。隨后機器手移動到下一個測量位置，重復上述過程。當整個球面掃描完成后，就可以獲得球體的表面特征。該測量系統不僅可以測量半球殼，還可以測量它們的各種組合型體，以及其它回轉類工件。 [align=center] 1-激光傳感器和CCD攝像頭 2-機械手 3-扇形輪 4-被測件 5-回轉臺和調平工作臺 圖1 測量機器人機械結構[/align] 3 控制系統設計 本系統運動控制復雜，信號量大，而且對系統的穩定性和精度要求高，所以控制系統采用了多CPU結構、分布式控制方式，這種控制系統采用集中管理分散控制的方法，具有高的穩定性、工作速度和控制性能。為了進一步提高系統的實時性、穩定性，控制系統中采用DSP多軸運動控制器。主計算機采用PC主機，控制計算機采用工業控制計算機，整個軟件系統架構在WindowsNT和Windows 2000上。為了提高系統整體的測量精度，在具體程序中使用了誤差補償技術。用長光柵測弧長來實現角度測量的高分辨率要求，實現空間上的高精度定位。程序開發語言使用C++。選用它的原因是C++語言的高效性，更重要的是和其它程序有很好的兼容性和移植性。 3.1 控制系統結構 本測量機的控制系統如圖2所示，主要由主計算機、控制計算機、DSP運動控制器、伺服系統、操縱盒等組成。這樣的控制方式，增強了運動控制的可靠性和實時性。 [align=center] 圖2 控制系統原理圖[/align] （1）主計算機采用PC主機，它實施對控制計算機的控制、人機接口、數據通訊、數據處理、測量要素評價、數據庫管理、圖像采集和處理等工作。控制計算機采用工業控制計算機，控制機構的空間姿態，實時監測機構的運行狀態，讀取空間坐標值和測量數據。 （2）控制計算機通過標準的通訊端口RS232與主計算機通訊，接收主計算機發出的控制指令，完成各種運動指令與運動控制，同時將采集的數據與運行狀態返回給主計算機。 （3）運動控制器選用了美國MEI公司（Motion Engineering，Inc.）的4軸DSP運動控制器。DSP通過它自己的地址與數據總線與數據存儲區、I/O端口及其它外設，如模擬輸入與輸出、定時器、位置緩沖區等進行雙向數據通信。作為PC的智能運動控制器，主CPU通過3字節的自己的I/O地址，直接訪問這些地址與數據總線，與DSP通過外部數據存儲區實現數據交換。這樣，主CPU不必每次通過DSP寄存器按ASCII字符逐個字符傳送，也避免了從ASCII到二進制的轉換。它直接進行二進制數的傳輸，因此大大提高了CPU與DSP的通信速率。一般情況下，主CPU只在每個控制周期一幀一幀地將一個數據結構傳給DSP。運動控制過程中，基于DSP運動控制器的運動控制的主要任務是：①伺服控制功能：運動控制器提供了PID和位置伺服環濾波器，為了減少伺服系統的軌跡誤差，還提供了速度和加速度前饋控制；②運動控制功能：可以進行直線和圓弧插補，自動完成梯形或s曲線加減速控制；③零位、限位檢測；④實時運動狀態監控。 （4）伺服系統用以實現系統的位置伺服控制和主軸轉速伺服控制。本系統采用速度內環和位置外環的雙環控制模式（全閉環）。單軸伺服控制系統結構如圖3所示，其工作原理：位置信號（編碼器信號）經過細分、整形后送人計數器，從而獲得實際的空間坐標值。DSP將實際坐標值和命令坐標值進行比較（設定的坐標值由插補計算得出），得到位置誤差，DSP運動控制器將位置誤差代人PID調節器，得到控制電壓，并通過模擬通道將控制電壓送到伺服驅動器，由伺服驅動器控制電機運轉，從而形成外部位置環。速度調節環由伺服驅動器內部接收電機編碼器信號進行速度控制。這樣就形成了本系統的雙環控制模式。 [align=center] 圖3 單軸伺服系統[/align] （5）操縱盒為操作人員提供了一個便利的現場操作前臺，使用戶可以近距離操作測量機，實現某些特定的功能。操縱盒采用以單片機為核心的智能前端，通過標準接口與控制計算機進行通訊，實現測量機主體的現場控制，實時顯示控制計算機發送的信息。 （6）測量系統X、Y、Z和W四個軸的讀數，都是由控制計算機讀取，并傳給主計算機。攝像測頭具有相對的獨立性，為便于其開發以及與整個測量系統軟件的連接，將運動控制與圖像采集分開：運動控制通過控制計算機實現，圖像采集則直接由主計算機實現。激光測頭的運動控制和數據采集均由控制計算機完成。 3.2 控制系統軟件 3.2.1 軌跡規劃和測量控制軟件體系 [align=center] 圖4 運動控制軟件流程[/align] 軌跡規劃和測量控制軟件是系統的核心，它要完成人機交互，控制測量機按照測量路徑進行測量，安全控制，數據的采集與管理。軌跡規劃和測量控制軟件的流程如圖4所示，主要包括以下功能模塊： （1）通訊模塊。負責管理控制計算機與主計算機、控制盒的通信。其中，主計算機使用串口1，控制盒使用串口2。當接收到指令時，產生中斷，置指令標志。主程序通過檢測該標志，判斷是否有指令。 （2）主測量模塊。主要完成測量路徑規劃及實現專用測量功能，包括內球面的測量控制、外球面的測量控制、圓柱的測量控制、平面的測量控制、表面缺陷等的測量控制，系統參數的標定測量控制，同時還負責控制機構點對點的運動等功能。 （3）初始化模塊。主要對系統參數、標志位、通信端口和測量系統等進行初始化。 （4）輔助功能模塊。測量機回零、復位、工件調偏、單軸運動、三軸聯動和隨動等。 （5）運動狀態監控模塊。主要是測量機軟硬件限位、DSP運動控制器初始化、系統參數和電機運行狀態等的監控。一旦檢測到錯誤，則停止當前測量，向主計算機發送報警信息和出錯原因，便于用戶調整，保證了測量機運行的安全性。 （6）數據采集模塊。主要負責對數據采集卡的初始化和測頭、關節編碼器數據的實時采集與處理。 3.2.2 系統監測軟件 為了保障測量系統的安全性和可靠性，必須對運動進行監控。運動監控的流程如圖5所示，主要包括主計算機、操縱盒停止指令監控、測量機運動狀態監控。 測量機運動狀態的監控的功能主要是測量機軟硬件限位、DSP運動控制器初始化、系統參數和電機運行狀態等的監控。一旦檢測到錯誤，則停止當前測量，向主計算機發送報警信息和出錯原因，便于用戶調整。運動監控保證了測量機運行的安全性，是運動控制中非常重要的模塊。 4 系統標定 4.1 系統標定 [align=center] 圖5 運動監控流程[/align] 為了實現控制軌跡要求的末端執行器位姿的坐標，本測量系統使用專用的實物基準作為標準件，采用相對基準自標定的方法，對該測量系統進行了系統參數的標定。 4.2 系統測試 該機器人測控系統成功地應用在球殼體工件幾何尺寸及其表面形貌的無損測量中，表1是對某半球的測量結果。表中的數據表明該測控系統的具有較高的測量精度和可靠的穩定性。 [align=center]表1 [/align] 5 結論 本文介紹了一種新型的測控系統，該測控系統將機器人技術、非接觸測量技術和主從控制相結合，實現了幾何量測量和缺陷識別。系統本身具有一定的先進性和廣泛的應用前景。經測試該測控系統的具有較高的測量精度和可靠的穩定性。為了進一步提高系統的穩定性和測量精度，更深入的研究和實驗正在進行中。