[发明专利]一种用于影像测量的多轴运动控制系统

说明书

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(Point To 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