CN102354220A - 一种用于影像测量的多轴运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于影像测量的多轴运动控制系统，由USB数据通信装置、主控协调装置、光源控制装置、光学尺数据采集装置、电机运动控制装置、人机交互装置、3D测量装置、安全监控装置、电源装置和硬件接口电路组成，该控制系统采用一体化独立式设计；光学尺数据采集装置与电机运动控制装置之间设有数据反馈同步机制，人机交互装置和电机运动控制装置之间设有指令同步机制，光源控制装置与光学尺数据采集装置之间设有触发同步机制；3D测量控制软件在板上的实时嵌入式操作系统中运行。采用本发明的技术方案，提高了测量效率和工作可靠性，降低了用户使用难度。

Description

一种用于影像测量的多轴运动控制系统

技术领域

本发明涉及影像测量的技术领域，尤其涉及一种一体化独立式的多轴运动控制系统。

背景技术

运动控制器是影像测量设备(VMS-Video Measure System)的控制核心，用于协调控制影像测量设备电机驱动装置、光源照明、三轴光学尺数据采集、人机交互操纵。现有的影像测量设备控制器均以一个或多个PCI插槽形式的板卡加信号接口板、其他功能部件形式组合而成，如图1所示，通常有一工控机，通过计算机PCI插槽连接光学尺数据采集卡，通过驱动程序读取光学尺坐标位置，计算机软件比对运动目标位置是否达到同时用于尺寸计量长度基准器；通过计算机PCI插槽连接运动控制卡，驱动程序发出运动控制指令，实现对电机运动的控制作用；通过一个USB接口或RS232通讯接口连接有一组照明装置，包括表面环形光源(通常是分多区段控制)、轮廓光源、同轴光，在PTP(PointTo Point一点到点)测量模式低亮度常亮，为检测工件不同部位时提供不同形式、亮度和角度的照明，以便CCD摄像机获取到对比度良好的图片；采用3-4台伺服电机用于驱动X/Y水平工作台、Z轴垂直滑台、改变物镜倍率；通过另一个USB接口连接有一操纵杆作为人机界面，以实现机台跟随操作人员手腕、手指活动而移动。

通常，影像测量设备有复合型功能要求，即要求设备同时具备接触式(3D)测量功能，现有技术使用基于Windows平台的测量软件控制机台携带一只探针(Porbe)或待测工件移动，使工件和探针发生相对运动，如图10所示，3D测量运动时X轴工作台携带一球形工件朝探针运动的情形，探针末端有一个红宝石球，测量软件不断查询探针是否触发，当测量软件检测到红宝石球与工件接触后，由测量软件发出刹车命令，同时采集接触瞬间各轴光学尺坐标值，机台停止时探针为倾斜姿态(如图9虚线所示)，停止后控制机台携带探针返回，移动到下一个待测部位发生一次新的碰撞采点。

现有的影像测量设备中，由于光学尺数据采集、电机控制、光源控制采用不同的驱动控制程序，这些程序运行于非实时的Windows操作系统平台之上，会导致各控制装置无法高效协调工作，现有技术至少存在以下缺陷或不足：

1、X/Y/Z运动控制由于采用开环控制技术，无法消除传动机构误差、背隙，以及工作台阿贝误差，以及电气系统干扰等原因造成的电机运转角度偏差，为实现定位精度要求测量软件需反复读取光学尺坐标位置，并在一次运动结束后根据偏差发送2-3次运动定位操作才能完成准确定位，但这造成了时间浪费且无法达到高效率测量的要求。

2、测量运动方式(如图2所示)：首先机台运动并停止在CCD对准待测部位，机台停止并等待机台停止晃动后从CCD获取图像，然后机台运动到下一个待测部位，如此循环完成所有待测部位测量，由于存在反复启停、等待机台完全静止抓图，对复杂工件的测量效率有待提升。

3、人机交互通常采用USB游戏操纵手柄或USB工业操纵杆(为HID类USB设备)采集测量仪操纵人员操控意图，数据通过USB传送到计算机，运行于非实时特性的Windows测量软件分析识别操纵杆传送回来的数据并转化为运动指令，通过PCI插槽下达到运动控制卡，由于HID类USB设备数据通讯较慢和Windows的非实时特性，导致操纵人员操控指令发出到机台运动之间存在较大滞后，给操作带来不便。

4、测量软件运行在Windows操作系统之上，由于Windows为非实时操作系统，在3D测量过程中，由于进程堵塞或响应迟滞，而此时探针已与工件发生碰撞，因刹车指令无法及时发出机台持续运动，探针偏移角度超过安全范围可导致坚硬的红宝石球与工件发生强力碰撞，造成设备或工件损坏，现有技术进行3D测量时存在较大风险。

5、采用+10V模拟量形式，在机台静止时由于“零漂问题(offset)”设备不存在绝对的静止状态而是“动态平衡状态”，当光学尺由于安装空间限制无法紧靠传动装置安装时，这可导致机台阿贝误差被放大，从而造成测量误差。

6、运动控制卡和光学尺数据采集卡采用PCI插槽“金手指”方式与计算机系统连接，存在接触信号多、固定措施单薄(传统PCI插槽先天性缺陷)等缺陷，在工业现场设备具有较大振动、粉尘的工况下容易造成连接失效。

7、还存在功能部件分散，部件之间连线繁多，测量设备生产商需要整合、二次开发才能使用，使用难度较高、系统可靠性不容易提高。

发明内容

本发明是基于现有技术的上述缺陷或不足而作出的进一步改进，其能够有效克服现有技术中存在的上述问题。本发明的目的在于提供一种用于影像测量的一体化独立式的多轴运动控制系统，提高了测量效率和工作可靠性，测量精度明显提高，同时降低了用户使用难度。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于影像测量的多轴运动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括USB数据通信装置、主控协调装置、光源控制装置、光学尺数据采集装置、电机运动控制装置、人机交互装置、3D测量装置、安全监控装置、电源装置和硬件接口电路；在所述的光学尺数据采集装置与所述电机运动控制装置之间设置有数据反馈同步机制，所述的人机交互装置与所述电机运动控制装置之间设置有指令同步机制，以及所述的光源控制装置与所述光学尺数据采集装置之间设置有触发同步机制；该多轴运动控制系统在主控协调装置的控制作用下，通过所述数据反馈同步机制、所述指令同步机制以及所述触发同步机制，使所述控制系统中包括的各装置相互之间以同步协调的工作模式运行。

数据反馈同步机制，将光学尺位置实时同步反馈给电机运动控制装置，计算实际位置与理论规划位置的偏差，并根据该偏差调节电机运转速度。

指令同步机制，在操纵人机界面时采用事件触发方式，引发板上CPU响应用户操纵指令并发出运动指令，传给电机运动控制装置予以执行。

触发同步机制，在运动过程中经过待测部位时立即触发CCD摄像机快门动作，实现MOF飞行测量。

3D测量装置采用事件实时中断处理机制，使用硬件接口电路和不同优先级中断处理程序对测量事件及时响应并作出处理。3D测量装置中设有保护电路，用于避免接触式测头长期使用时测头内部超精密钢球接触点积碳。3D测量控制软件在板上的实时嵌入式操作系统中运行。

安全监控装置，用于监控各装置是否正常工作，如有异常立即将系统设置成为预设状态；采用看门狗和各装置关键状态编码解码循环监控方式；如发现有异常监控装置立即动作，避免出现不可控状态。

电机运动控制装置采用“脉冲+方向”(Pulse+Direction)形式的电机驱动器指令，开环控制时作为位置和速度指令控制指令，闭环控制时作为速度调制指令。

人机交互装置中设有操纵杆数据采集卡，并将该卡集成在多轴运动控制系统内部。

本发明多轴运动控制系统由于采用一体化独立式的设计，利用集成、同步协调方式使得电机运动与光学尺位置反馈紧密联系，结合板上CPU可在控制器内部实现实时性更高的位置反馈，大幅提高了同步效果和定位效率。并且由于采用人机交互装置与电机运动控制装置指令同步机制，使得操作人员操控设备实时性显著提高，减少操纵滞后，改善了操控性；并且由于采用光源控制装置与光学尺数据采集装置同步机制，结合控制软件使得CCD途径预设位置时可立即触发频闪光源，实现运动状态下测量，避免停止下来测量反复启停造成时间浪费；使得本发明所述的多轴运动控制系统的3D测量控制软件在板上CPU上实时运行，提高了测量响应及时性和安全性；本发明提高了测量效率和工作可靠性，降低了用户使用难度。

附图说明

图1现有影像测量设备的运动控制器应用原理框图；

图2现有影像测量设备的测量运动方式示意图；

图3本发明的多轴运动控制系统内部原理框图；

图4本发明的多轴运动控制系统应用原理框图；

图5本发明的控制系统与上位计算机通信示意图；

图6本发明的基于光学尺位置反馈的闭环控制示意图；

图7本发明的MOF测量运动方式示意图；

图8本发明的MOF测量方式工作原理示意图；

图9本发明的人机界面交互与电机控制连接示意图；

图10接触式测量(3D测量)原理示意图；

图11本发明的光源控制示意图。

具体实施方式

本发明公开的多轴运动控制系统，如图3所示，包括USB数据通信装置、主控协调装置、光源控制装置、光学尺数据采集装置、电机运动控制装置、人机交互装置、3D测量装置、安全监控装置、电源装置和硬件接口电路组成；其中，通过USB数据通信装置与上位计算机进行数据通信，实现状态查询、参数设置和指令下达；USB数据通信装置与主控协调装置交互连接，主控协调装置分别与光源控制装置、光学尺数据采集装置、电机运动控制装置、人机交互装置以及3D测量装置交互连接，电机运动控制装置与3D测量装置交互连接。所述的光学尺数据采集装置与电机运动控制装置之间设有数据反馈同步机制，所述的人机交互装置和电机运动控制装置之间设有指令同步机制，以及所述的光源控制装置与光学尺数据采集装置之间设有触发同步机制，其中，数据反馈同步机制，将光学尺位置实时同步反馈给电机运动控制装置，计算实际位置与理论规划位置的偏差，并根据该偏差调节电机运转速度；指令同步机制，在操纵人机界面时采用事件触发方式，引发板上CPU响应用户操纵指令并发出运动指令，传给电机运动控制装置予以执行；触发同步机制，在运动过程中经过待测部位时立即触发CCD摄像机快门动作，实现MOF飞行测量。本发明还可采用其他通讯形式(如以太网、RS232、PC104)，实现。

优选的，可将例如需要紧密联系的光源控制、光学尺数据采集、电机控制、人机交互装置集成在一个印制线路板上，以便在主控协调装置的作用下通过上述机制协调调度各装置控制任务，各装置之间使用同步技术相互之间协调、互相配合，从而实现了一体化独立式设计。

图4是本发明的多轴运动控制系统应用原理框图，如图所示，该多轴运动控制系统统一对测量控制系统中电机、光源、CCD快门协调控制，对光学尺数据、人机交互界面数据进行采集处理并反馈到电机、光源、CCD快门控制中，如此能够优化测量效率并实现了全新的MOF测量功能。

图5是本发明的控制系统与上位计算机通信示意图，如图所示，以主控协调装置为中心，实时对光学尺和人机界面指令进行采集，在接收到上位机发送来的状态或数据读取指令时，可立即返回状态或数据给计算机。

在接收到上位机发送来的参数设置指令和运动指令时，根据移动距离、机台稳定运行所能达到最大加速度计算生成本次运动合适的最大速度、加减速时间防止三角形速度曲线造成机台冲击，并将此参数传递给电机运动控制装置进行轨迹规划，如图6所示，由于将光学尺位置实时同步反馈给电机运动控制装置，根据光学尺位置反馈实时计算工作台与理论规划位置偏差，并据此偏差采用PID+速度前馈数字滤波算法控制输出脉冲方向和脉冲频率，以控制电机运转方向和速度，消除传动装置间隙、传动装置变形等非线性误差。(建议去掉)

本发明的MOF(Measure On the Fly-飞行测量)模式，如图7所示，计算机端测量软件由CAD图档等文件格式导入待测工件的特征参数或者通过示教编程方式对需要进行尺寸管控部位生成拍照坐标位置信息，存入环形缓冲区FIFO，如图8所示，运动控制命令下达后机台各轴产生运动，携带CCD相机或待测工件移动，当CCD相机飞临预置拍照位置时，位置匹配装置动作并输出触发信号，该信号经硬件接口电路触发频闪光源为CCD相机提供瞬时强光照明，同时输出触发信号到CCD相机，开启快门拍摄工件待测部位图片，影像测量软件紧接着从CCD中抓取图片并分析计算得出尺寸。测量过程中机台运行速度、位置匹配、影像图片获取(时序示意如图7所示)。

本发明的MOF(Measure On the Fly-飞行测量测量)模式采用三维数据缓冲区(FIFO-First In First Out)，在测量过程中不断加载数据，以匹配PC机突发的、高速的数据装载与测量系统快速、恒定速度的测量需求。

本发明的人机交互界面与电机控制指令同步机制，如图9所示，在控制器内部板上已将操纵杆数据采集卡与电机运动控制装置集成在一起，二者之间设置一指令直连通道，当操纵盒操纵指令发出时，该运动指令直接传递到电机运动控制装置，消除了非实时特性的PC传送环节，减少了操控滞后。

图10是接触式测量模式(3D测量模式)原理图，如图所示，探针触发事件捕获、停车指令的发出等及时性要求很高，运动控制软件运行于板上CPU中的一个嵌入式的实时操作系统中运行，当探针触发事件发生时总是能迅速得到捕获并发出停车指令，同时板上CPU还运行工件自动搜索、自动回退、异常触发监控装置、防碰撞保护装置、异常处理装置，对操纵人员操作失误、工件摆放偏差或工件尺寸偏差有较强免疫性，可有效避免人身伤害和财产损失。

图11是光源控制装置示意图，如图所示，主控协调装置设定光源亮度和工作模式，光源控制电路有两种工作模式，停止状态抓取图片时光源为常亮模式，飞行测量时为频闪模式，亮度设定后DAC阵列输出对应亮度下所需的电压，恒流驱动电路将电压转换为电流输出，并由电流反馈回路保持光源常亮或频闪开启时电流恒定。

光源控制装置采用恒流驱动技术控制LED发光电路的亮度，可近似直线性调节光源亮度，同时消除不同长度连接线路阻抗变化引起的亮度变化，同时提高LED工作寿命。

优选的，本发明的电机控制系统采用“脉冲+方向”(Pulse+Direction)形式的电机驱动器速度调制指令形式，有效消除+10V模拟量形式零点漂移和动态平衡、抗干扰性较差、线路故障容易导致飞车问题，特别是消除零点漂移和动态平衡问题，在大型机台控制时可有效消除阿贝误差保证测量精度。

优选的，3D测量装置设有保护电路，有效避免接触式测头长期使用时测头内部超精密钢球接触点积碳。

优选的，3D测量装置采用事件实时中断处理机制，使用硬件接口电路和不同优先级中断处理程序对测量事件及时响应并作出处理。

优选的，安全监控装置，用于监控各装置是否正常工作，如有异常立即将系统设置成为预设状态；采用看门狗和各装置关键状态编码解码循环监控方式；主动检测异常状态，避免异常出现后等待看门狗溢出复位造成保护动作延迟。

优选的，人机交互装置中的操纵杆数据采集卡集成在控制系统内部，使得用户可以选用更专业操控性更好的工业操纵杆作为人机界面，并降低使用难度。

优选的，本发明的多轴运动控制系统采用“USB-B头固定钩”方式，改善了传统USB插头无紧固措施的缺陷，使USB数据连接稳定可靠。

综上所述，本发明的多轴运动控制系统采用一体化独立式设计，提高了测量效率和精度，提高了系统可靠性，减少测量仪器系统功能部件和互联线路，降低了用户使用难度，减少了现有技术功能装置公共电路器件数量，降低了总体成本。

申请人声明，本发明试图通过上述具体实施例或方式以便于理解和说明本申请发明内容，并不意味着本发明仅局限于上述实施例或方式(或其简单变形)，所属技术领域的技术人员应该明了，针对本发明的任何改进，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (16)

1.一种用于影像测量的多轴运动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括USB数据通信装置、主控协调装置、光源控制装置、光学尺数据采集装置、电机运动控制装置、人机交互装置、3D测量装置、安全监控装置、电源装置和硬件接口电路；在所述的光学尺数据采集装置与所述电机运动控制装置之间设置有数据反馈同步机制，所述的人机交互装置与所述电机运动控制装置之间设置有指令同步机制，以及所述的光源控制装置与所述光学尺数据采集装置之间设置有触发同步机制；该多轴运动控制系统在主控协调装置的控制作用下，通过所述数据反馈同步机制、所述指令同步机制以及所述触发同步机制，使所述控制系统中包括的各装置相互之间以同步协调的工作模式运行。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的数据反馈同步机制，将光学尺位置实时同步反馈给所述电机运动控制装置，计算实际位置与理论规划位置的偏差，并根据该偏差调节电机运转速度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的指令同步机制，在操纵人机界面时采用事件触发方式，引发板上CPU响应用户操纵指令并发出运动指令，传给所述电机运动控制装置予以执行。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的触发同步机制，在运动过程中经过待测部位时立即触发CCD摄像机快门动作，实现MOF飞行测量。

5.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述的3D测量装置采用事件实时中断处理机制，使用所述硬件接口电路和不同优先级中断处理程序对测量事件及时响应并作出处理。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，3D测量控制程序在板上的实时嵌入式操作系统中运行。

7.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述的安全监控装置，用于监控各装置是否正常工作，如有异常立即将系统复位成为预设状态。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的安全监控装置，用于监控各装置是否正常工作，如有异常立即将系统设置成为预设状态。

9.根据权利要求7所述的系统，所述的安全监控装置采用看门狗和各装置关键状态编码解码循环监控方式。

10.根据权利要求8所述的系统，所述的安全监控装置采用看门狗和各装置关键状态编码解码循环监控方式。

11.根据权利要求1-4所述的系统，其特征在于，电机运动控制装置采用“脉冲+方向”(Pulse+Direction)形式的电机驱动器速度调制指令。

12.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，电机运动控制装置采用“脉冲+方向”(Pulse+Direction)形式的电机驱动器速度调制指令。

13.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，电机运动控制装置采用“脉冲+方向”(Pulse+Direction)形式的电机驱动器速度调制指令。

14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，电机运动控制装置采用“脉冲+方向”(Pulse+Direction)形式的电机驱动器速度调制指令。

15.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述3D测量装置中设有保护电路，用于避免接触式测头长期使用内部超精密钢球接触点积碳。

16.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，人机交互装置中设有操纵杆数据采集卡，并将该卡集成在多轴运动控制系统内部。

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