DevelOpment Of Noncontact Robotic Measuring and Control System

摘要：介紹了一種新型的非接觸式機(jī)器人測控系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及其組成和工作原理。該系統(tǒng)由非正交系的坐標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、激光位移傳感器和CCD攝像頭等測量系統(tǒng)以及主從式的控制系統(tǒng)組成，能在有限的測量空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)球殼類、向轉(zhuǎn)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(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定性和較高的測量精度。 1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，工件的制造精度越來越高，因此對測量設(shè)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(shè)備的需求也日益增多。傳統(tǒng)的測量機(jī)，大都基于一種幾何坐標(biāo)系，如笛卡兒坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系等。這些測量機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較直觀，控制算法簡單，測量精度高，系統(tǒng)的誤差模型經(jīng)多年的研究已完善。但在有些特殊場合，這些測量機(jī)不能適應(yīng)。而非正交坐標(biāo)測量系統(tǒng)由于其所具有高的靈活性已經(jīng)成為坐標(biāo)測量機(jī)的發(fā)展趨勢。筆者經(jīng)大量的調(diào)查研究，方案比較，參數(shù)的計(jì)算與優(yōu)化，計(jì)算機(jī)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(biāo)系與原柱坐標(biāo)系的固定橋式、關(guān)節(jié)機(jī)器人測量機(jī)等多種方案的基礎(chǔ)上，為在有限的空間實(shí)現(xiàn)半球自動(dòng)非接觸測量，將機(jī)器人機(jī)構(gòu)與激光非接觸測量傳感器技術(shù)相結(jié)合，研制了一種新型的機(jī)器人測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(diǎn)。 2 系統(tǒng)的工作原理 本系統(tǒng)由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、CCD攝像頭和激光位移傳感器及光珊等測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)3部分組成。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是非接觸測量系統(tǒng)的主體部分。由圖1可見，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由基座、機(jī)械手、高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)、兩維調(diào)平工作臺(tái)等部分組成。激光位移傳感器安裝在機(jī)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(gè)自由度的機(jī)械手作為測量主體。 基座的中央安裝了一個(gè)高精度的回轉(zhuǎn)主軸，在回轉(zhuǎn)主軸的上端，安裝一個(gè)兩維調(diào)平工作臺(tái)，使被測件的回轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸重合。測量時(shí)，將工件放在測量平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1周，測量系統(tǒng)測量出半球中心的位置，位置誤差被顯示在面板上。在計(jì)算機(jī)提示操作下，將半球與回轉(zhuǎn)軸調(diào)同心。然后，機(jī)器手移動(dòng)到第一個(gè)測量位置，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，激光傳感器進(jìn)行測量。隨后機(jī)器手移動(dòng)到下一個(gè)測量位置，重復(fù)上述過程。當(dāng)整個(gè)球面掃描完成后，就可以獲得球體的表面特征。該測量系統(tǒng)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(zhuǎn)類工件。 [align=center] 1-激光傳感器和CCD攝像頭 2-機(jī)械手 3-扇形輪 4-被測件 5-回轉(zhuǎn)臺(tái)和調(diào)平工作臺(tái) 圖1 測量機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)[/align] 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜，信號量大，而且對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求高，所以控制系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)、分布式控制方式，這種控制系統(tǒng)采用集中管理分散控制的方法，具有高的穩(wěn)定性、工作速度和控制性能。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)中采用DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制器。主計(jì)算機(jī)采用PC主機(jī)，控制計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，整個(gè)軟件系統(tǒng)架構(gòu)在WindowsNT和Windows 2000上。為了提高系統(tǒng)整體的測量精度，在具體程序中使用了誤差補(bǔ)償技術(shù)。用長光柵測弧長來實(shí)現(xiàn)角度測量的高分辨率要求，實(shí)現(xiàn)空間上的高精度定位。程序開發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu) 本測量機(jī)的控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由主計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、DSP運(yùn)動(dòng)控制器、伺服系統(tǒng)、操縱盒等組成。這樣的控制方式，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)控制的可靠性和實(shí)時(shí)性。 [align=center] 圖2 控制系統(tǒng)原理圖[/align] （1）主計(jì)算機(jī)采用PC主機(jī)，它實(shí)施對控制計(jì)算機(jī)的控制、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、測量要素評價(jià)、數(shù)據(jù)庫管理、圖像采集和處理等工作。控制計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，控制機(jī)構(gòu)的空間姿態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，讀取空間坐標(biāo)值和測量數(shù)據(jù)。 （2）控制計(jì)算機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊端口RS232與主計(jì)算機(jī)通訊，接收主計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，完成各種運(yùn)動(dòng)指令與運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)返回給主計(jì)算機(jī)。 （3）運(yùn)動(dòng)控制器選用了美國MEI公司（Motion Engineering，Inc.）的4軸DSP運(yùn)動(dòng)控制器。DSP通過它自己的地址與數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、I/O端口及其它外設(shè)，如模擬輸入與輸出、定時(shí)器、位置緩沖區(qū)等進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。作為PC的智能運(yùn)動(dòng)控制器，主CPU通過3字節(jié)的自己的I/O地址，直接訪問這些地址與數(shù)據(jù)總線，與DSP通過外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這樣，主CPU不必每次通過DSP寄存器按ASCII字符逐個(gè)字符傳送，也避免了從ASCII到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。它直接進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)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(gè)控制周期一幀一幀地將一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳給DSP。運(yùn)動(dòng)控制過程中，基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制的主要任務(wù)是：①伺服控制功能：運(yùn)動(dòng)控制器提供了PID和位置伺服環(huán)濾波器，為了減少伺服系統(tǒng)的軌跡誤差，還提供了速度和加速度前饋控制；②運(yùn)動(dòng)控制功能：可以進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)，自動(dòng)完成梯形或s曲線加減速控制；③零位、限位檢測；④實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。 （4）伺服系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置伺服控制和主軸轉(zhuǎn)速伺服控制。本系統(tǒng)采用速度內(nèi)環(huán)和位置外環(huán)的雙環(huán)控制模式（全閉環(huán)）。單軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作原理：位置信號（編碼器信號）經(jīng)過細(xì)分、整形后送人計(jì)數(shù)器，從而獲得實(shí)際的空間坐標(biāo)值。DSP將實(shí)際坐標(biāo)值和命令坐標(biāo)值進(jìn)行比較（設(shè)定的坐標(biāo)值由插補(bǔ)計(jì)算得出），得到位置誤差，DSP運(yùn)動(dòng)控制器將位置誤差代人PID調(diào)節(jié)器，得到控制電壓，并通過模擬通道將控制電壓送到伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而形成外部位置環(huán)。速度調(diào)節(jié)環(huán)由伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接收電機(jī)編碼器信號進(jìn)行速度控制。這樣就形成了本系統(tǒng)的雙環(huán)控制模式。 [align=center] 圖3 單軸伺服系統(tǒng)[/align] （5）操縱盒為操作人員提供了一個(gè)便利的現(xiàn)場操作前臺(tái)，使用戶可以近距離操作測量機(jī)，實(shí)現(xiàn)某些特定的功能。操縱盒采用以單片機(jī)為核心的智能前端，通過標(biāo)準(zhǔn)接口與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)測量機(jī)主體的現(xiàn)場控制，實(shí)時(shí)顯示控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息。 （6）測量系統(tǒng)X、Y、Z和W四個(gè)軸的讀數(shù)，都是由控制計(jì)算機(jī)讀取，并傳給主計(jì)算機(jī)。攝像測頭具有相對的獨(dú)立性，為便于其開發(fā)以及與整個(gè)測量系統(tǒng)軟件的連接，將運(yùn)動(dòng)控制與圖像采集分開：運(yùn)動(dòng)控制通過控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，圖像采集則直接由主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。激光測頭的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集均由控制計(jì)算機(jī)完成。 3.2 控制系統(tǒng)軟件 3.2.1 軌跡規(guī)劃和測量控制軟件體系 [align=center] 圖4 運(yùn)動(dòng)控制軟件流程[/align] 軌跡規(guī)劃和測量控制軟件是系統(tǒng)的核心，它要完成人機(jī)交互，控制測量機(jī)按照測量路徑進(jìn)行測量，安全控制，數(shù)據(jù)的采集與管理。軌跡規(guī)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(fù)責(zé)管理控制計(jì)算機(jī)與主計(jì)算機(jī)、控制盒的通信。其中，主計(jì)算機(jī)使用串口1，控制盒使用串口2。當(dāng)接收到指令時(shí)，產(chǎn)生中斷，置指令標(biāo)志。主程序通過檢測該標(biāo)志，判斷是否有指令。 （2）主測量模塊。主要完成測量路徑規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)專用測量功能，包括內(nèi)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(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定測量控制，同時(shí)還負(fù)責(zé)控制機(jī)構(gòu)點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)等功能。 （3）初始化模塊。主要對系統(tǒng)參數(shù)、標(biāo)志位、通信端口和測量系統(tǒng)等進(jìn)行初始化。 （4）輔助功能模塊。測量機(jī)回零、復(fù)位、工件調(diào)偏、單軸運(yùn)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)和隨動(dòng)等。 （5）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控模塊。主要是測量機(jī)軟硬件限位、DSP運(yùn)動(dòng)控制器初始化、系統(tǒng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等的監(jiān)控。一旦檢測到錯(cuò)誤，則停止當(dāng)前測量，向主計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信息和出錯(cuò)原因，便于用戶調(diào)整，保證了測量機(jī)運(yùn)行的安全性。 （6）數(shù)據(jù)采集模塊。主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集卡的初始化和測頭、關(guān)節(jié)編碼器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理。 3.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測軟件 為了保障測量系統(tǒng)的安全性和可靠性，必須對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)動(dòng)監(jiān)控的流程如圖5所示，主要包括主計(jì)算機(jī)、操縱盒停止指令監(jiān)控、測量機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。 測量機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控的功能主要是測量機(jī)軟硬件限位、DSP運(yùn)動(dòng)控制器初始化、系統(tǒng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等的監(jiān)控。一旦檢測到錯(cuò)誤，則停止當(dāng)前測量，向主計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信息和出錯(cuò)原因，便于用戶調(diào)整。運(yùn)動(dòng)監(jiān)控保證了測量機(jī)運(yùn)行的安全性，是運(yùn)動(dòng)控制中非常重要的模塊。 4 系統(tǒng)標(biāo)定 4.1 系統(tǒng)標(biāo)定 [align=center] 圖5 運(yùn)動(dòng)監(jiān)控流程[/align] 為了實(shí)現(xiàn)控制軌跡要求的末端執(zhí)行器位姿的坐標(biāo)，本測量系統(tǒng)使用專用的實(shí)物基準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)件，采用相對基準(zhǔn)自標(biāo)定的方法，對該測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定。 4.2 系統(tǒng)測試 該機(jī)器人測控系統(tǒng)成功地應(yīng)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(jié)果。表中的數(shù)據(jù)表明該測控系統(tǒng)的具有較高的測量精度和可靠的穩(wěn)定性。 [align=center]表1 [/align] 5 結(jié)論 本文介紹了一種新型的測控系統(tǒng)，該測控系統(tǒng)將機(jī)器人技術(shù)、非接觸測量技術(shù)和主從控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了幾何量測量和缺陷識(shí)別。系統(tǒng)本身具有一定的先進(jìn)性和廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)測試該測控系統(tǒng)的具有較高的測量精度和可靠的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，更深入的研究和實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。