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非接触式机器人测控系统的开发 |
DevelOpment Of Noncontact Robotic Measuring and Control System 摘要：介绍了一种新型的非接触式机器人测控系统，论述了系统设计思想及其组成和工作原理。该系统由非正交系的坐标执行机构、激光位移传感器和CCD摄像头等测量系统以及主从式的控制系统组成，能在有限的测量空间内，实现球壳类、向转类工件的几何尺寸、表面缺陷的高精度测量。测试表明，该测控系统具有可靠的稳定性和较高的测量精度。 1 引言 2 系统的工作原理 基座的中央安装了一个高精度的回转主轴，在回转主轴的上端，安装一个两维调平工作台，使被测件的回转轴与回转台的回转轴重合。测量时，将工件放在测量平台上，回转台转动1周，测量系统测量出半球中心的位置，位置误差被显示在面板上。在计算机提示操作下，将半球与回转轴调同心。然后，机器手移动到第一个测量位置，工作台旋转，激光传感器进行测量。随后机器手移动到下一个测量位置，重复上述过程。当整个球面扫描完成后，就可以获得球体的表面特征。该测量系统不仅可以测量半球壳，还可以测量它们的各种组合型体，以及其它回转类工件。  1-激光传感器和CCD摄像头 2-机械手 3-扇形轮 4-被测件 5-回转台和调平工作台 图1 测量机器人机械结构 3 控制系统设计 3.1 控制系统结构  图2 控制系统原理图 （1）主计算机采用PC主机，它实施对控制计算机的控制、人机接口、数据通讯、数据处理、测量要素评价、数据库管理、图像采集和处理等工作。控制计算机采用工业控制计算机，控制机构的空间姿态，实时监测机构的运行状态，读取空间坐标值和测量数据。 （2）控制计算机通过标准的通讯端口RS232与主计算机通讯，接收主计算机发出的控制指令，完成各种运动指令与运动控制，同时将采集的数据与运行状态返回给主计算机。 （3）运动控制器选用了美国MEI公司（Motion Engineering，Inc.）的4轴DSP运动控制器。DSP通过它自己的地址与数据总线与数据存储区、I/O端口及其它外设，如模拟输入与输出、定时器、位置缓冲区等进行双向数据通信。作为PC的智能运动控制器，主CPU通过3字节的自己的I/O地址，直接访问这些地址与数据总线，与DSP通过外部数据存储区实现数据交换。这样，主CPU不必每次通过DSP寄存器按ASCII字符逐个字符传送，也避免了从ASCII到二进制的转换。它直接进行二进制数的传输，因此大大提高了CPU与DSP的通信速率。一般情况下，主CPU只在每个控制周期一帧一帧地将一个数据结构传给DSP。运动控制过程中，基于DSP运动控制器的运动控制的主要任务是：①伺服控制功能：运动控制器提供了PID和位置伺服环滤波器，为了减少伺服系统的轨迹误差，还提供了速度和加速度前馈控制；②运动控制功能：可以进行直线和圆弧插补，自动完成梯形或s曲线加减速控制；③零位、限位检测；④实时运动状态监控。 （4）伺服系统用以实现系统的位置伺服控制和主轴转速伺服控制。本系统采用速度内环和位置外环的双环控制模式（全闭环）。单轴伺服控制系统结构如图3所示，其工作原理：位置信号（编码器信号）经过细分、整形后送人计数器，从而获得实际的空间坐标值。DSP将实际坐标值和命令坐标值进行比较（设定的坐标值由插补计算得出），得到位置误差，DSP运动控制器将位置误差代人PID调节器，得到控制电压，并通过模拟通道将控制电压送到伺服驱动器，由伺服驱动器控制电机运转，从而形成外部位置环。速度调节环由伺服驱动器内部接收电机编码器信号进行速度控制。这样就形成了本系统的双环控制模式。  图3 单轴伺服系统 （5）操纵盒为操作人员提供了一个便利的现场操作前台，使用户可以近距离操作测量机，实现某些特定的功能。操纵盒采用以单片机为核心的智能前端，通过标准接口与控制计算机进行通讯，实现测量机主体的现场控制，实时显示控制计算机发送的信息。 （6）测量系统X、Y、Z和W四个轴的读数，都是由控制计算机读取，并传给主计算机。摄像测头具有相对的独立性，为便于其开发以及与整个测量系统软件的连接，将运动控制与图像采集分开：运动控制通过控制计算机实现，图像采集则直接由主计算机实现。激光测头的运动控制和数据采集均由控制计算机完成。 3.2 控制系统软件  图4 运动控制软件流程 轨迹规划和测量控制软件是系统的核心，它要完成人机交互，控制测量机按照测量路径进行测量，安全控制，数据的采集与管理。轨迹规划和测量控制软件的流程如图4所示，主要包括以下功能模块： （1）通讯模块。负责管理控制计算机与主计算机、控制盒的通信。其中，主计算机使用串口1，控制盒使用串口2。当接收到指令时，产生中断，置指令标志。主程序通过检测该标志，判断是否有指令。 （2）主测量模块。主要完成测量路径规划及实现专用测量功能，包括内球面的测量控制、外球面的测量控制、圆柱的测量控制、平面的测量控制、表面缺陷等的测量控制，系统参数的标定测量控制，同时还负责控制机构点对点的运动等功能。 （3）初始化模块。主要对系统参数、标志位、通信端口和测量系统等进行初始化。 （4）辅助功能模块。测量机回零、复位、工件调偏、单轴运动、三轴联动和随动等。 （5）运动状态监控模块。主要是测量机软硬件限位、DSP运动控制器初始化、系统参数和电机运行状态等的监控。一旦检测到错误，则停止当前测量，向主计算机发送报警信息和出错原因，便于用户调整，保证了测量机运行的安全性。 （6）数据采集模块。主要负责对数据采集卡的初始化和测头、关节编码器数据的实时采集与处理。 3.2.2 系统监测软件 测量机运动状态的监控的功能主要是测量机软硬件限位、DSP运动控制器初始化、系统参数和电机运行状态等的监控。一旦检测到错误，则停止当前测量，向主计算机发送报警信息和出错原因，便于用户调整。运动监控保证了测量机运行的安全性，是运动控制中非常重要的模块。 4 系统标定 4.1 系统标定  图5 运动监控流程 为了实现控制轨迹要求的末端执行器位姿的坐标，本测量系统使用专用的实物基准作为标准件，采用相对基准自标定的方法，对该测量系统进行了系统参数的标定。 4.2 系统测试 表1  5 结论 |