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1、三维扫描微动平台设计与研制 北京邮电大学硕士学位论文三维扫描微动平台设计与研制姓名:阿辽沙叶申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:孙文生20090215三维扫描微动平台设计与研制摘要随着科技的进步,通信工程、精密工程等领域的快速发展,高精度、高分辨率、高可靠性的精密定位系统的研究越来越受到重视,发展也越来越快。国外对这一技术领域研究较早,成果显著,而我国相对起步较晚,技术相对落后。本文搜集了大量相关资料,对国内外的高精度运动平台的原理及特点进行了总结和分析。设计并研制了一套用于三维轮廓扫描仪的高精度三维扫描微动平台,详细介绍了平台硬件部分的方案设计与搭建过程。分析了三维轮廓扫描仪的功能需
2、求,设计并编写了三维扫描微动平台的控制软件,软件中的核心功能是在平移台运动过程中以光学传感器逐行采集的数据分析得到被测物体表面的三维形貌。在编写控制软件的过程中,结合软、硬件完成了平台硬件对应的各项功能,其中包括对于光学传感器、运动平台和摄像头的基本控制功能,以及结合各部分硬件功能进行自动扫描的扫描功能。在对控制软件进行测试的过程中检验了光学传感器和运动平台的性能,理论分析了运动平台的定位精度及零点定位精度,用三维扫描得到的图像和显微镜下的图像作对比,分析二者差异并对扫描程序做出修正,系统归纳了扫描功能由简单逐层深化的过程,并记录了各个过程对同一样品进行扫描得到的数据以及图像。最后介绍了用于三
3、维轮廓扫描仪数据处理的软件。关键词:三维扫描微动平台结构设计控制软件数据处理软件 暇爪 . ?,谢也 谢.诵 .,. 巴.、以翘 . , .? . ,. .:, , 独创性或创新性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。日期:圣竺:兰:生本人签名:豳垒尘土关于论
4、文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释:本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。本人签名:囱垒;尘:吐 日期:兰竺:兰:生导师签名:拯邑堇.日期:上孚上坐一第一章引言.课题背景课题来源随着精密工程、微机电应用等领域
5、的快速发展,精密定位技术的需求在日益增长。在诸多精微操作领域,包括快速车削加工 ,、微小机械零件装配、精密测量、微机电系统装配、光学调整等方面,精密定位技术具有广泛的应用前景。精密定位平台作为上述领域中的一种典型结构,平台结构及定位控制系统的研究越来越受到人们的重视。国外如美国、日本等在精密定位控制领域的研究较早,研究成果较多,技术相对成熟,已研制出精度达纳米级的多自由度精密运动平台,且已经产品化。然而国内对精密运动平台的研究起步较晚,目前多局限于单自由度平台研究,且多数还处于实验室研究阶段,目前成型产品还比较稀少,产品性能和可靠性也相对国外较差。本课题来源于与企业合作项目。目标是研发一套拥有
6、自主知识产权的,具有亚微米级分辨率的,用于三维轮廓扫描仪的微动扫描平台。课题目标和任务基于课题要求,微动平台的各项指标有如下要求:平台、方向的行程为 ,位移分辨率为. ,重复定位精度. ,长程精度. ,平台负载小于.。微动平台工作过程中,在平面内一个方向实现步进,另一个方向为直线往复运动,即微动平台以扫描方式工作,扫描区域为正方形。工作中还要求平台在平面内可任意位置定义零点,扫描范围 可任意缩放,在 无级任意变化。.国内外研究现状.国外现状国外对精密运动平台的研究起步较早,研究已经很成熟,对各种驱动和传动方式的研究都比较深入,而且从单自由度到多自由度的众多产品都已经市场化。比较著名的有德国公司
7、和美国公司的单自由度和多自由度的超精密运动平台产品。北京电学硕学位论立一维微动机构年,日本新技术研究所成功研制了亚纳米级分辨率高密度硬盘线性寻轨跟踪系统。改系统以直线空气导轨和超精密音圈电机为驱动,采用了公司研制的新型激光位移传感器作为闭环反馈,可以在大于行程内,达到分辨率为 ,响应时间小于的高精密快速运动【。年,韩国科学技术研究中心的?等人设计了以音圈电机为驱动,柔性铰链为支撑的一维微动机构如图 所示,工作行程为正负 ,定位精度为 ,该机构用于原子力显微镜的向定位咖。磊图 原于力显镟镜向定位示意图二维微动机构同本东北大学的等人设计了一台基于静压气体轴承的平面自度微动台。其整体结构如图 所示包
8、括机座和移动平台。其中移动甲台由铝制成,四边上安装永久磁铁,移动平台通过四个气体静压轴承支撑,四个无刷洛伦菠电机为驱动装置,实现平面二自由度运动,平台在方向行程为.可寅现的定位精度嗍。:堡:些:曩图 气浮支掉二维锻动结构图美国麻省理工的等人研制了一种磁悬浮平台方案如图 所示。悬浮平台的底部四角各安装一个形式的永磁铁阵列.与四个直线电机对应,每个直线电机提供一个水平方向的驱动力及垂直方向的悬浮力,平台、轴的平动行程为,定位精度为埘嘲。一量量捍力束薯性玮刊宜予蛙一螭,电宝持墓图 磁浮支撑二维微动结构图三维微动机构美国北卡大学、和麻省理工大学,设计实现了磁悬浮的六自由度超精密运动平台,水平方向定位噪
9、声达到骚直方向达到 。运动平台采用四个直线电机,行程达到北京邮电大学硕十学位论文.,运动平台使用三个平面激光干涉仪和三个电容传感器作为反馈,定位精度达到】。美国俄亥俄州立大学的等人研制的基于变磁阻原理驱动的六自由度微动台,其结构如图.所示,共用了十个电磁驱动单元,其中四个放在底部用于产生垂直方向的磁悬浮力,另外六个产生平面 方向的运动,利用六轴激光干涉仪作为位置反馈,平动行程 蛐 . ,通过闭环控制实现了的定位精度【。图.三维磁悬浮结构图美国大学的 等人研制了一种六自由度的磁悬浮微动台如图.所示。工作台的核心运动部件是一个非铁磁性材料的三角形滑板,有三个垂直方向的变磁阻驱动器和三个水平方向的洛
10、仑兹力驱动器,通过控制这六个驱动器动作,可以获得六个自由度的精密运动。该工作台在、向行程均为 ,转角均为 ,实现了 的定位精度。嗍北京邮电大学硕士学位论文图.六自由度磁悬浮微动台结构图韩国等研制的 三维运动超精密定位平台,在的大行程内可以达到的定位精度。系统采用两级定位系统结构,重点讨论了宏动台与微动台协调工作的两级伺服方案【】【埘。日本东北大学纳米技术实验室与住友重工联合研制了一种五自由度平面运动平台如图.所示,平台采用了三个气浮轴承作为支撑,采用了三个直线电机和三个压电驱动器作为驱动,三个直线电机是平台产生 方向的平面运动,三个压电驱动器是平台产生方向的非平面运动。由三个二维角度传感器和一
11、个二维角度光栅组成一个平面编码器,用于位置检测与反馈控制。实验结果表明平台在每个自由度方向的定位精度达到】。至些皇奎兰堡圭茎圣耋圣固 五自由度平面运动平台.国内现状国内对于超精密运动平台的研究水平明显落后于国外,目前多局限于单自由度,而且多处于各大高校、中科院等科研机构的实验室研究阶段,所能达到的精度和可靠性都低于国外同类产品。国内比较有代表性有哈尔滨工业大学的博实精密公司,该公司生产一系列的单自由度精密定位工作台产品,采用压电陶瓷驱动,定位精度可达几纳米.缺点是行程短,最大行程为几百微米。幽哈尔滨工业大学的博实精密公司的系列三维精密定位平台北京邮电大学硕士学位论文清华大学精密仪器及机械学系朱
12、煜等人开发的步进扫描投影型光刻机超精密工件台,实现了一维纳米级定位。行程,定位精度达到。超精密实验台采用气浮导轨支承,粗动台叠加微动台的两级定位。粗动台采用直线电机作为驱动,直线光栅行位置反馈,可以达到微米级定位精度。微动台采用音圈电机作为驱动,电容传感器进行位置反馈,可实现的步进。整个试验台采用激光干涉仪作为运动系统位置检测和反馈【。华中科技大学戴蓉等设计了一种能实现大量程位移和纳米级定义精度的一维位移工作台。工作台采用了粗、精两级定位机构,粗动台采用步进电机驱动精密丝杆完成,微动台采用压电陶瓷驱动叠层式平行平板柔性铰链机构来实现如图.所示,平台采用衍射光栅进行位置反馈,平台行程,定位分辨力
13、达到【。铰链图.微动台机构简图西安交通大学的先进制造技术研究所研究的粗动和微动叠加超精密运动平台如图.所示,粗动平台使用伺服电机,微动台使用压电陶瓷电机加柔】。性铰链放大的结构同时实现高精度和大行程。行程,精度达到北京邮电大学硕士学位论文图.微动台结构图天津大学冯小梅等设计了一种基于直线音圈电机直接驱动,采用弹性解耦机构的高速高精度 精密定位平台。该系统的最大运动范围为/,重复定位精度为. ;,轴向平台的定位精度为.轴向平台的定位精度为. /,重复定位精度为.【。.研究目标与内容精密运动平台的研究涉及多种关键技术,其中主要包括:微位移驱动器.、微位移机构、微位移检测、精密运动控制方法 、精密装
14、调技术、误差分析与补偿技术、精密环境保障技术和精密隔振系统技术等,可见超精密运动平台有重要的研究意义【。从课题的要求并结合目前国内外研究的现状,确定研究工作主要围绕以下几个方面展开:精密运动平台结构方案设计。重点在于研究精密运动平台总体结构形式,驱动方式、导轨类型选择,位置反馈方式及控制方式,以及考虑由一维的精密运动平台构建多维精密运动平台时的系统集成和误差处理问题;精密运动平台搭建。确定可行性方案,购置基础零部件,搭建精密运北京邮电大学硕士学位论文动平台样机,针对硬件编写平台控制软件,协调各部分设备,设计并实现扫描功能;.精密运动平台性能测试。对搭建出的平台进行运动性能测试,分析其精度,通过
15、实验和分析对扫描功能进行优化;编写平台的数据处理软件。.本章小结本章介绍了课题内容和研究工作的背景,介绍了精密运动平台涉及到的各项关键技术和国内外的发展现状,概括了三维精密运动平台系统研究的重要意义,最后提出了论文的主要工作以及目标。北京衄电大学两学位论文第二章三维扫描微动平台方案设计本课题研究的三维扫描微动平台,根据工作要求,平台要具有运动控制、视频显示、高度值采样的功能。其中,运动控制功能方面.平台方向运动行程为,具有两轴联动控制功能。除了具有基本的两轴分别手动控制功能外,还具有可编程自动控制功能实现规定工作区域的自动扫描功能。视频显示功能方面,平台要具有实时显示微观表面形貌视频图像的功能
16、。高度值采样功能方面,平台要能够实时显示当前采样得到的高度值.并配合扫描运动功能得到被测物体表面形貌的数据。.系统总体方案三维扫描微动平台主要由以下功能所对应的系统组成,包括运动控制功能、视频显示功能和高度值采样功能。示意图如下:图 系统总体结构北京邮电大学硕士学位论文其中视频显示功能是通过视频捕捉卡和摄像头来完成的。高度值采样功能需要通过光学传感器和光学探头来完成。以下重点介绍平台运动系统。.平台运动系统:运动平台系统主要由以下四个单元构成:机械单元平台机械系统采用商品化的精密运动平台,即采用产品化的精密单自由度运动平台通过叠加或者定位安装实现平台两坐标运动。驱动元件采用伺服电机或具有细分功
17、能的小步距角步进电机驱动。机械平台技术指标如下:轴行程:,丝杠导程,丝杠间隙轴行程:,丝杠导程,丝杠间隙机械平台均采用精密滚动导轨且安装良好的防护装置。两个轴通过叠加和定位安装在大理石机座上,各轴安装几何误差坐标垂直度。各轴在两侧运动端点位置均有限位保护装置开关,并具有一个原点开关。电控单元电控单元由两个步进电机及其驱动器、电气柜、主控制系统组成。两个个驱动电机选用伺服电机或者具有细分功能的小步距角步进电机及其驱动器,电机驱动器安装在电气柜中,主控制系统为机。运动控制卡根据微动平台系统结构,控制卡具有开环和闭环控制功能,因此,控制卡根据系统功能以及成本要求进行选择。控制软件操作系统,采用编程工
18、具,运动控平台控制软件基于制功能根据平台系统要求直接调用控制卡商家提供的动态链接库实现。软件工作内容主要在于人机交互及数据处理包括实时处理及后处理。北京邮屯大学硬学位女围 运动平台系统总体结构如图.所示,运动平台采用运动控制卡电机驱动器电机电控平移台的形式。主控制系统为机,平台的所有控制命令均由机完成,用户通过控制软件操作界面设置运动或者扫描方式,然后通过运动控制卡控制后续单元使工作台完成扫描运动。控制软件具备各种控制功能,如单轴控制、连续运行、微调、急停、回原点、动态显示坐标等功能。平台系统参数如表 。表 平台系统参数运动平台结构设计结合当前国内外研究成果,借鉴已有的精密运动平台结构,对运动
19、平台系统的结构进行了方案设计,其提出以下三种方案四:方案一:缓传动实现二维运动运动系统的传动环节越多,则误差积累也越大,所以如果采用一级传动就能达到精度要求则是最好的。如罔 所示,该方案中、两轴均采用电机:塞矍呈奎茎堡圭差篁鎏圣直接驱动平移台实现单轴一级定位。图 单轴一级传动构成维运动系统方案二:宏动与微动平台串联叠加的方式平台、方向的运动均由宏动平台与微动平台串联叠加合成,单轴采用两级定位,通过机械连接构成二维运动平台,结构相对复杂,如图.所示。图单轴宏动、微动叠加构成二维运动系统方案:宏动和微动平台叠加的方式匕京电学碰学位论文此方案在方案二基础上改进而成,区别如下:方向的宏动平台与方向的宏
20、动平台叠加,方向的微动平台与方向的微动平台叠加,再将卜述两个子平台系统叠加。结构如图 所示。图 宏动、微动两套平台叠加构成二维系统上述三个方案中.方案一图 对驱动元件的精度要求很高,只有驱动达到了亚微米量级,其运动精度才可能达到微米量级。目前,国外的高精度、大行程直线电机配合磁栅编码器,定位精度可以达到,但考虑系统集成产生的误差,精度还将下降,而且直线电机价格昂贵。传统的具有细分功能的小步距角步进电机配合精密滚珠丝杠.并采用精密滚动导轨,精度可以达到微米量级。方案二、三均采用宏动平台与微动平台叠加的单轴两级定位方式。老动平台行程大,承载能力好,而且容易构建成二维的运动平台;而微动平台的行程小.
21、承载能力差,但精度高。所以,方案二图中采用微动台驱动轴整套运动台的结构不合理。但方案二、三的缺点是增加了平台之间相互叠加造成的误差例如宏动平台和微动平台不同轴带来的误差,运动台绝对位置检测的难度,以及两个平台叠加的复杂集成控制问题。综合考虑成本、平台搭建难易程度,本课题采用方案一,单轴一级传动定位。平台采用卓立汉光一精密重载型电控平移台圈.,该电控平移台传动采用研磨级滚珠螺杆,导轨采用线性滑块,弹性联轴器等均为进口高品质产品。平台配有左右极限丌关和零位光电开关,标准接口.方便信号传输。平台行程.丝杆导程。室些量奎茎塑圭茎垒兰兰图 精密重载型电控平移台运动平台驱动方式目前,国内外的超精密运动平台
22、的驱动方式主要有:弹性变形驱动、热变形驱动、直线电机驱动、伺服或步进电机驱动、压电驱动电致伸缩驱动等【。但是相对比较成熟和经常采用的驱动方式主要有以下两种:回转电机加机械传动的驱动方式这种情况是用伺服电机或具有细分功能的小步距角步进电机作为动力元件,采用机械传动将转动变成平动,一般是采用精密滚珠丝杠。如果采用伺服电机,则其一般有自己的反馈控制,还可利用光栅作为整个运动平台的反馈元件,实现闭环控制,提高运动精度。这种驱动方式行程大、成本较低、技术比较成熟,而且可以方便组台成二维的运动平台。这种驱动方式由于丝杆螺纹空程及传动摩擦的存在.定位精度一般为微米级。直线电机驱动方式直线电机是直接将电磁力转
23、化为直线运动,减少丁机械传动环节,行程大、高频响、精度高、运动速度快.在高精度机床及高速机床上已有广泛的应用。这种方法还可针对导轨副具有磨擦和磨损的特点,采用磁悬浮轴承或气浮导轨来提高运动精度。但是这种方式有诸如成本高、直线电机易发热、控制比较复杂等方面的问题。基于直线电机和气浮或磁浮导轨的平台结构,也是本课题初期想采用的方案,但考虑到成本的问题,本课题实际采用了具有细分功能的小步距角步进电机配合精密电控平移台的结构。电机选用深圳市雷赛公司的两相步进电机,技术规格如表.所示。表 步进电机技术参数目 步自? 自 “ & & 自 。 & 日 口“脚 以下撞核电机是否满足使用要求:/,螺杆导程,由课
24、题要求,平台最大速度,/北京邮电大学硕士学位论文则最大转速为:鳖?.、/沏/曲步进电机步距角.。,驱动器细分倍数,则步进电机驱动器的脉冲响应频率至少为:?:?:.:?。一.由于平台、轴均采用型电移台,故只需校核承载较大的平移台电机即可。电机要驱动的负载质啊鸭培,其中码为电控平移台.的移动台质量,%为电移台总重。查步进电机的说明手册,得电动机转子的转动惯量厶.妇?,丝杆的转动惯量厶忽略不计。折算到步进电动机轴上的全部负载转动惯量以为:以厶警淼.舵培耐效 惯 量步 进 电 机 等以.?研.?,启动时间,则空载启动时折算到电动机轴上的加速转矩。为:丝:丝丝芝竽坐.旦折算到电动机轴上的摩擦转矩,为:肘
25、,:丝坚:?.?:.聊.万?/.北京邮电大学硕士学位论文式中为摩擦系数,由于平台润滑良好,取.:为传动系统的机械效率,取/.。电机的总转矩为:.一.电机的步距角保持转矩为.,远大于.。故电机能正常工作。与电机配套的驱动器选用深圳雷赛公司的型步进电机驱动器,该驱动器具有纯正弦精密电流控制技术,细分精度.倍细分可选,脉冲响应频率最高可达。.运动平台回零点方式基于课题要求,微动平台、轴均需要具有回零点功能,一般采用零位开关来实现。目前市场上的零位开关分为机械接触式开关和光电开关,由于机械接触式开关存在响应速度低、精度差、易损坏及寿命短等缺点,故本课题采用光电开关。光电开关按检测方式可分为反射式、对射
26、式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远,不易受外界光源影响。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近,以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远,适宜作远距离检测。三种类型的光电开关中,对射式光电开关精度较高,定位精度最高可达. ,但其价格非常昂贵。综合考虑光电开关的性能和价格,本课题选用欧姆龙的槽型对射开关.,红外接收器缝宽.,定位精度.,重复精度为几微米。本课题要研制的三维扫描微动平台要求的重复定位精度为. ,而实际选用的光电开关重复精度只能达微米量级,故光电开关使用时不能采用常规方法,即光电开关安装时使其开槽方向与丝杆轴向平行,挡片与工作台固接,当挡片挡住红外接收器窄缝时即认为是机械零点的
27、方法。本课题利用编码器原理,设计了的圆形码盘,码盘上沿径向利用线切割切了一条宽.,长的窄缝,将码盘与、电移台的丝杆用螺钉连接,使得码盘随丝杠同速转动,同时将光电开关装在电移台尾座上,并使得码盘从光电开关槽中穿过。由于光电开关红外接收器被挡住时输出高电平,反之输出低电平,这样,码盘每转动一周,光电开关发出个低脉冲。北京邮电大学硕士学位论文.运动平台控制方式目前的精密运动平台几乎都是采用计算机数字控制系统,其中与工件台控制相关的运动控制单元是整个控制系统的核心。根据“运动控制卡一的思想,建立本课题三维扫描微动平台的数字控制系统,将机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡的运动轨迹控制能力有机的结
28、合在一起,具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。本课题选用深圳雷赛公司的高性能轴运动控制卡,它是一款基于总线的运动控制卡,可以控制最多四轴步进或伺服电机,具有直线和圆弧插补功能,在运动中可修改速度和终点位置,具有位置锁存功能。随卡附有各种运动控制函数库,开放性好,便于实现二次开发。运动平台控制方式使用编程工具,编写控制软件,通过软件驱动运动控制卡,最终控制电机两轴联动。软件功能既可以单轴控制,通过程序输入脉冲数或者运动距离,也可两轴联动,通过程序输入目标点或者扫描范围。软件可设定运动方式和运动速度。利用控制卡的通用输入端口采集光点开关信号,并结合软件的计数功能可以实
29、现任意定义零点。.运动平台系统电路图运动平台系统电路如图.所示。图 二维扫描徽动平台系统电路图图 中,限位开关与零位开关表示为原理示意图,零位开关为光电开关,零位开关详细电路如图.所示。:堇些量耋茎些圭茎垩耋兰轴零点信号输出图 光电开关接线图.运动平台搭建基本部件采购完成之后,开始搭建运动平台。由于时间关系以及实验室条件制约,故仪搭建实验平台,叩暂时不要求达到本课履要求的精度,只需要搭建平台模型,并结合软件实现课题要求的各种运动控制功能,所以实验平台并非搭建在大理石基座上,而是搭建在普通铝制光学实验平台之上。本次实验平台措建过程中使用的电移台为实验室己有器件。故平台的电机安装孔尺寸与购置的步进
30、电机的安装尺寸不对应,步进电机安装孔的中心距小于平台安装孔的中心距.于是设计了如图.所示的转接法兰。塞暨皇奋耋里老茎垒耋蚤隰呻銎.鲈刮。露雳囊?睦、 .:. 盘圈 电机安装孔转接法兰安装电机时发现,与电移台配套的连轴器的电机轴安装孔直径大于步进电机的轴径.考虑到重新购买联轴器要花费额外时间和金钱.于是设计了如图所示的轴套。轴套内径与电机轴问隙配合,用紧定螺钉固定在轴上,轴套外径与联轴器安装孔间隙配合.用于安装联轴器。图电机轴套:呈些皇奎兰璧;茎些兰兰本课题的微动平台回零点方案中讨论过,光电开关不能采用常规使用方法。借鉴编码器原理,设计了专用码盘,如图 所示。赢图 码盘图.所示码盘外径,缝宽.长
31、,中心安装孔直径。码盘安装在电移台丝杠上,保证码盘与丝杆等速转动。但由于电移台根据厂家标准,并未提供码盘安装位置,在经过仔细调研后,发现电移台丝杆尾端伸出一段光杆,长度约,于是设计了如图 所示的丝杆延伸件。囹:室彗皇盔耋星尘茎些鎏三图丝杆延伸件如图 所示.延伸件材料为铝,一端开槽,槽宽衄.开槽段内孔与丝杆伸出的光杆间隙配合,延伸件沿径向设计有两个孔,一个为光孔,另一个为螺纹孔。从孔中拧入螺钉,拧舞螺钉使缝宽变小.这样,延伸件即可固定在丝杆上,随丝杠等速转动,延伸件另一端设计有螺纹孔,用于安装码盘。延伸件所示。安装在丝杆上,并装上码盘及光电开关后如图豳 码盘及光电开关安装实物图丝杆每转动一周,光
32、电开关发出一个脉冲信号,所以仅靠这一信号.还不能确定平台、轴的机械零点。本课题采用机械接触式丌关结合光电开关二级定位装置柬确定轴的零点,具体思路是:丝杆每转一周光电开关发出一个脉冲.即零位信号,但是控制乍只有在运动台撞击机械零位丌关后才接收零点信号。机槭零位开关结构如图 所示。圉 机槭零位开关图 中,撞针与移动台用胶水粘接.一起运动,当平台运动到机械零点附近,撞针撞击机械开关,使光电开关输出信号至运动控制卡的线路接通,即运动控制卡可以接收零位信号。平台系统使用的开关电源为台湾明伟公司的.?电源,电压恒定为,而光电开关的额定电压为。由于运动控制卡在接收零点信号和限位信号时内部采用关电耦合电路,故
33、光电开关电源与控制卡输入的外接电源必须共地,否则控制卡不能接受零点信号。于是设计了如图 所示降压电路,电路的一级采用电阻分压,次级采用芯片的运算放大器设计了电压跟随器,跟随器的输出端电压为 ,作为光电开关电源。坚:些图 转 电路运动平台整体结构如图.。一图 运动平台整体实物圜.平台整体搭建运动平台与摄像头、光学探头整体结构如图 所示北京邮电太学碗学位论文图 平台俯视图本章小结本章主要介绍了三维扫描微动平台系统方案设计与结构设计,包括运动平台的驱动方式、回零点方式、控制方式,通过比较最终确定平台的总体方案。同时确定了平台组件的选型方案,并搭建出实验平台。最后给出了三维扫描微动平台的设计实物图。北
34、京邮电大学硕士学位论文第三章三维扫描微动平台软件设计本课题三维扫描微动平台的控制系统采用“运动控制卡光学传感器影像采集卡的思想,根据第二章方案设计结果,运动控制卡采用深圳雷赛公司的四轴运动控制卡,光学传感器采用公司的彩色共焦传感器,影像采集卡采用公司的视频卡。本章结合以上硬件部分编写控制软件。本软件结合轮廓扫描的功能要求编写了界面。.软件系统总体设计软件系统的开发工具采用斗.,对硬件的各种控制调用厂家提供的动态链接库函数实现。软件功能的设计结构如图.所示:图.三维扫描微动平台控制软件结构整体来说,软件部分的核心功能是扫描得到被测物体的三维微观表面形貌。扫描的目的是得到一个以数据进行描述的三维形
35、貌,其中两维是由平移台运动得到,第三维是由光学传感器进行采样得到。因此在扫描过程中,需要做到平移台运动控制和光学传感器采样控制的同步。为了更加准确地掌握扫描过北京邮电大学硕士学位论文程,控制软件需要详细设定各方面的功能,首先必须能够准确而全面地操纵光学传感器和平移台,包括即时地得到光学传感器探测的高度值以及光强值,对各个运动轴的速度、运动状态、距离、逻辑坐标、逻辑以及硬件零点的控制,同时还需要对摄像头即时采集的图像进行显示并能够在图像上测量距离。除了对硬件的控制之外,还需要完成适宜用户进行操作的界面,能够对扫描过程的参数进行设置并自动判断参数是否有效,控制各部分硬件以设定的参数进行扫描并记录数
36、据,同时能够随时终止扫描过程等。按照以上的设计思想进行了软件的开发,实现的软件结构如图.所示:塞墼兰耋茎彗:;耋兰兰兰图 三维扫描徽动平台控制软件结构本软件基于单文档应用程序,主程序框架为类,上图所示的各项软件功能基于对话框形式实现。主程序框架:软件的基础窗口,作用是创建各一级子窗口,进行运动控制卡的初始化,保存各窗口指针和基础变量,对窗口进行切换并进行窗口间的赋值。传感器控制:一级子窗口。用于初始化光学传感器,设置采样参数并控制采样过程,读取采样数据,在停止采样的过程中更改光学传感器的参数设置,以及进行操作。北京邮电大学硕士学位论文逻辑坐标控制:一级子窗口。用于读取、记录并即时显示三轴的逻辑
37、坐标,按照长度单位转换坐标的数值,进行设置逻辑零点、回归逻辑零位、回归硬件零位的操作,并即时判断当前的运动状态以进行下一步操作。扫描参数设置:一级子窗口。进行轮廓扫描二维或者表面扫描三维的参数设置,即时按照当前输入的参数和设定的单位计算出扫描过程中需要用到的参数,并将长度单位换算为脉冲单位。设定的参数可进行文件存取档的操作。扫描过程控制:一级子窗口。进行扫描过程的设置,判断参数是否处于合理的范围之内,控制扫描的过程和状态,显示当前扫描的进度,进行急停操作,将采样得到的数据按照相应的格式保存为文件。绘图控制:一级子窗口。按照采样设置的参数绘制坐标系,然后将采样得到的数据以冷暖色的形式进行绘图显示
38、。运动控制测试:一级子窗口。进行各种运动运动命令的测试,已隐藏。桴多轴运动控制:一级子窗口。对多轴进行连续运动操作、倍速运动操作、绝对位移运动操作、相对位移运动操作,控制运动速度,急停以及记录累计脉冲数。群视频图像显示:即时传输影像采集卡采集到的图像并进行缩放显示,设置当前图像中的长度标尺,利用标尺计算图像中指定的两点之间的距离。.功能模块界面、功能及对应硬件运行本软件,显示如图.所示窗口界面。:邑些皇圭耋墼圭茎些鎏耋程序蜓黎。?,碰融强强獬。简广蔚?一 :阿? 逻辑坐标拄捌一.。?誊器拉错一一”“?.一一一”?】?洮一。?一。啊。孺。、蕊“扫描参数设置。?。”?。 多轴运动控制.耳 ?曼虫刮
39、?一?一”?划?菩一?型扫描过程排制图 三维扫描微动平台控制软件界面软件界面由六部分组成,分别是主程序框架、传蓐器控制窗口、扫描参数设置窗口、扫描过程控制窗口、多轴运动控制宙口、逻辑坐标控制窗口。窗口布局如图 所示。.传罐器控制传感器控制功能主要负责与传感器进行通信,设定采样频率及其他采样参数,选择合适的光学探头配置,发出初始化命令,控制采样过程,即时得到当前传感器钡量到的高度值和光强值并进行显示。由于传感器控制功能主要是对光学传感器硬件进行操作,所以在进行其他具体操作之前需要对光学传感器硬件进行初始化。为了得到具体的采样数据,首先要设置传感器采样过程中需要应用到的参数.并初始化用于作为缓冲区
40、接收数据的数组。参数中比较重要的有采样频率、缓冲区数目、缓冲区长度、采样点数以及写完一个缓冲区后产生事件的旬柄。当前选用的光学传感器是公司的彩色共焦传感器。通过光学传感器进行采样来得到采样数据,其中一次具体的采样过程可以通过硬件来触发,或是通过软件米触发。硬件触发方式又分为高电平、低电平、泉口自目十&高脉冲和低脉冲四种。因为当前采样过程均为软件来进行控制,所以触发方式选择使用软件触发。触发采样后,传感器按照采样频率进行采样,将采样得到的结果写入相应的缓冲区,不同种类的数据对应不同的缓冲区数组,例如高度值和光强值计有着相互独立的缓冲区数组。如果采样过程中的采样点数达到了采样前设定的采样点数.那么
41、当前采样过程便停止:如果采样前预设的采样点数数值为零,那么采样过程将不会因采样点数到达某一个值而中止,而是一直继续采样下去,直到以其他方式停止当前采样过程。采样过程中,同种类的数据也可以对应单个或是若干个缓冲区数组。如果一类数据对应一个数组,那么将数组传递到采样函数中的时候,传递的是此数组的起始位置,是一维数组指针。如果一类数据对应多个数组,那么在初始化数组的时候需要初始化一个二维数组。在传递数组的时候也需要传递一个二维数组指针.二者不能混淆。采样函数在写入某一个数组的时候,如果写入的数据数目达到了当前数组的长度值,则会产生一个当前缓冲区数组已经写入完毕的事件,来通知其他函数对此缓冲区数组进行
42、数据的读取,同时按照缓冲区教组的排列顺序对下一个缓冲区开始进行写入,这样对于同一个缓冲区数组不会同时进行读取操作和写入操作,便杜绝了两种行为闻产生的干扰。但如果缓冲区数组数量只设为一个,那么在产生事件之后,还是会对当前缓冲区进行写入,这样便有产生干扰的危险,具体的数据可能会与其对应的位置产生错位。在得到采样数据的过程中,接收当前缓冲区数组已经写入完毕这个事件是较关键的一部分。实现方法是用一个单独的线程取得这个事件的旬柄之后,进入一个一直等待当前事件产生的状态,一旦当前缓冲区数组已经写入完毕的事件产生,此线程便立刻开始处理写入完毕的缓冲区数组。由于多个缓冲区数组是循环使用的,当循环一个周期之后传
43、感器便会用新的数据覆盖之前采样得到的数据,所以在一次写入完成之后必须及时提取缓冲区数组中的数据,避免数据的损失。设计窗口界面如图.所示。图 传感器控制窗口界面北京邮电大学硕十学位论文窗口中第一行读出的是传感器采样得到的高度值,单位为微米;第二行读出的是传感器采样得到的光强值,以百分数显示。二者右方则以进度条来显示当前数值在整个量程中处于的位置。高度值同时对应另一个值距离,高度值和距离值加起来则等于当前测量的量程。例如在量程高度范围为微米的情况下,如果在高微米的位置有一个被测物体,那么高度值为微米,而距离值则为量程减去高度值,等于微米。右方则是当前采样过程中所使用的采样频率,有、和四个选项。点击
44、按钮会对传感器发出命令,命令相当于对传感器硬件以及当前光学探头进行初始化,消除背景噪声,所以做的时候在测量范围内不能放置可测物品。点击按钮会打开一个设置对话框,可以更改当前光学探头所对应的配置文件.在开始采样之后,传感器控制窗口才能够从传感器中读取数据并显示到窗口上,但此时传感器已经进入了忙碌的状态,更改设置的命令已经无法对其产生作用。窗口中即时显示数据的时候,传感器一定是忙碌的。所以如果此时要对传感器进行操作,例如更改采样频率或是发出命令,则需要先中断当前的采样过程,在完成了操作之后再重新以当前参数设置来进行采样。如果操作成功,则会显示当前操作的结果以及需要显示的相应状态数值;如果操作失败,
45、则会弹出警告信息,显示当前与传感器通信失败,这时可以利用相应的查错函数来取得当前失败原因的代码。.逻辑坐标控制逻辑坐标控制功能主要分为两部分,首先要能够即时显示当前平移台物理位置所对应的逻辑坐标,同时还需要具备对逻辑坐标零点进行操作的功能。其中显示功能需要结合运动控制卡来取得脉冲单位的逻辑坐标,并将其转换为长度单位的逻辑坐标,其中长度单位应能够在厘米、毫米、微米、英寸、千分之一英寸、百万分之一英寸之中进行转换。零点操作功能分为三种,分别是:.将当前位置设定为逻辑坐标的零点;.发出运动命令,令三轴运动到已设的逻辑坐标零点;.发出运动命令,令三轴进行硬件归零操作,将三轴的逻辑坐标零点设定为硬件上的零点。在显示三轴当前逻辑坐标的过程中,首先需要即时地从运动控制卡中读取三轴相应的脉冲值,这个脉冲值是从逻辑坐标零点开始移动后直到当前状态的一个累积值。将这个
