非接触式机器人测控系统的开发

1 引言

随着科学技术和现代制造业的发展，工件的制造精度越来越高，因此对测量设备的精度和功能的要求也越来越高，而且新型专用的测量设备的需求也日益增多。传统的测量机，大都基于一种几何坐标系，如笛卡儿坐标系、柱坐标系等。这些测量机，机械结构比较直观，控制算法简单，测量精度高，系统的误差模型经多年的研究已完善。但在有些特殊场合，这些测量机不能适应。而非正交坐标测量系统由于其所具有高的灵活性已经成为坐标测量机的发展趋势。笔者经大量的调查研究，方案比较，参数的计算与优化，计算机仿真；并充分考虑精度、效率、可靠性、操作性、空间的兼容性等，在基于直角坐标系与原柱坐标系的固定桥式、关节机器人测量机等多种方案的基础上，为在有限的空间实现半球自动非接触测量，将机器人机构与激光非接触测量传感器技术相结合，研制了一种新型的机器人测控系统。该系统在球壳类工件的几何尺寸和表面缺陷的测量中具有高速、高精度的特点。

2 系统的工作原理

本系统由机械执行机构、CCD摄像头和激光位移传感器及光珊等测量系统、控制系统3部分组成。机械执行机构是非接触测量系统的主体部分。由图1可见，机械结构主要由基座、机械手、高精度回转台、两维调平工作台等部分组成。激光位移传感器安装在机械手的末端，CCD摄像头安装在激光位移传感器的下方。在测量中具有3个自由度的机械手作为测量主体。

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

本系统运动控制复杂，信号量大，而且对系统的稳定性和精度要求高，所以控制系统采用了多CPU结构、分布式控制方式，这种控制系统采用集中管理分散控制的方法，具有高的稳定性、工作速度和控制性能。为了进一步提高系统的实时性、稳定性，控制系统中采用DSP多轴运动控制器。主计算机采用PC主机，控制计算机采用工业控制计算机，整个软件系统架构在WindowsNT和Windows 2000上。为了提高系统整体的测量精度，在具体程序中使用了误差补偿技术。用长光栅测弧长来实现角度测量的高分辨率要求，实现空间上的高精度定位。程序开发语言使用C++。选用它的原因是C++语言的高效性，更重要的是和其它程序有很好的兼容性和移植性。

3.1 控制系统结构

本测量机的控制系统如图2所示，主要由主计算机、控制计算机、DSP运动控制器、伺服系统、操纵盒等组成。这样的控制方式，增强了运动控制的可靠性和实时性。

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。[page]

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

3.2.1 轨迹规划和测量控制软件体系

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
为了保障测量系统的安全性和可靠性，必须对运动进行监控。运动监控的流程如图5所示，主要包括主计算机、操纵盒停止指令监控、测量机运动状态监控。

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

该机器人测控系统成功地应用在球壳体工件几何尺寸及其表面形貌的无损测量中，表1是对某半球的测量结果。表中的数据表明该测控系统的具有较高的测量精度和可靠的稳定性。

表1

5 结论

本文介绍了一种新型的测控系统，该测控系统将机器人技术、非接触测量技术和主从控制相结合，实现了几何量测量和缺陷识别。系统本身具有一定的先进性和广泛的应用前景。经测试该测控系统的具有较高的测量精度和可靠的稳定性。为了进一步提高系统的稳定性和测量精度，更深入的研究和实验正在进行中。(end)