機(jī)器視覺系統(tǒng)自動化的研究

覃才友　李小汝

【摘 要】：本文運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用UG軟件建立具有三個自由度的視覺運(yùn)動平臺模型，并根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】：虛擬樣機(jī)，；UG，；控制系統(tǒng)。

一、引言

在三維設(shè)計(jì)軟件UG中，可以使用其裝配模塊快速進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，在對零件設(shè)計(jì)的同時，平臺裝配也可進(jìn)行。這種裝配模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行校正，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的問題并解決；同時可以快速、方便地將視覺平臺設(shè)計(jì)出來，并在設(shè)計(jì)的過程中對機(jī)構(gòu)優(yōu)化和完善。最終完成的視覺運(yùn)動平臺裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、視覺運(yùn)動平臺的自動化

1 運(yùn)動平臺總體控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，主要是控制“脖子”俯仰運(yùn)動和“眼睛”偏航運(yùn)動的速度和位置精度，因此要對促使這些運(yùn)動的驅(qū)動電機(jī)速度和位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制[1]。在設(shè)計(jì)的過程中，要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的位置和速度信息的閉環(huán)反饋，控制方案如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)方案控制框圖

其控制方式為“電機(jī)+電機(jī)驅(qū)動器+電機(jī)控制卡”，這種控制方式采用的是一種全伺服閉環(huán)控制[2]。由系統(tǒng)方案框圖可知，它是通過增量式編碼器的反饋來對電機(jī)傳動進(jìn)行失步檢測，一旦步進(jìn)電機(jī)由于外部干擾產(chǎn)生了失步現(xiàn)象，增量式編碼器便會調(diào)整電機(jī)重新恢復(fù)到正確的位置上。因此在本系統(tǒng)中，控制每一個自由度，都采用帶位置反饋的伺服系統(tǒng)。

2 控制電機(jī)的選擇

現(xiàn)階段，應(yīng)用最廣泛的控制電機(jī)主要是步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)兩種。

步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)上的定子齒槽上的線圈來進(jìn)行驅(qū)動的，其工作原理是步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移，在沒有超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)動和停止位置只由脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)來決定，而不受負(fù)載變化的影響。也就是給電機(jī)一個脈沖信號，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)角，從而步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而沒有累積誤差。因此，步進(jìn)電機(jī)在速度和位置等控制領(lǐng)域上就比較簡單。

交流伺服電動機(jī)：主要是由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，其工作原理是電機(jī)采用永磁鐵電機(jī)，并與驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在磁場的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)通過其編碼器給驅(qū)動器反饋信號，驅(qū)動器通過與目標(biāo)值比較，來調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。因此，伺服電機(jī)的精度完全由編碼器的精度來決定。

由上面分析可知，伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)轉(zhuǎn)速整個范圍內(nèi)的精確控制，具有很好的快速性和響應(yīng)性，并且不受負(fù)載的變化影響；而步進(jìn)電機(jī)受矩頻特性的影響，不能快速變換轉(zhuǎn)速，并且電機(jī)的負(fù)載能力較弱，因此不能滿足負(fù)荷系統(tǒng)大范圍的變化，同時步進(jìn)電機(jī)本身的控制精度不高。因此，本設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動裝置。

3 控制電機(jī)驅(qū)動器

電機(jī)的輸出速度和轉(zhuǎn)矩不僅與負(fù)載有關(guān)系，而且還和控制電機(jī)驅(qū)動器、驅(qū)動電源的選擇，以及電機(jī)與驅(qū)動器是否匹配等因素有很大關(guān)系。大功率的驅(qū)動裝置可以驅(qū)動小功率的電機(jī)，而小功率的驅(qū)動裝置卻不能驅(qū)動功率大的電機(jī)。

驅(qū)動器主要優(yōu)點(diǎn)是在于它完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩是電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果您選擇的電機(jī)有時要在共振區(qū)工作（譬如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。它可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)），其力矩比不細(xì)分時提高約25-35% ；由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機(jī)的分辨率是不言而喻的。由此可見驅(qū)動器可以解決將微機(jī)輸出的脈沖信號與電機(jī)的功率匹配問題。

4 電機(jī)控制卡

電機(jī)控制卡主要是產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動器的輸入信號，也就是為電機(jī)提供所需要的脈沖信號和方向控制信號。本設(shè)計(jì)選擇電機(jī)控制卡可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的、同時的控制視覺運(yùn)動系統(tǒng)的三個運(yùn)動結(jié)構(gòu)，這樣就可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動、左右偏航運(yùn)動，以及對這些運(yùn)動進(jìn)行有效的速度控制和位置控制。

電機(jī)控制卡是一款基于PCI總線的運(yùn)動控制卡，它可以控制四軸運(yùn)動。不僅可以實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)功能，還可以進(jìn)行連續(xù)插補(bǔ)，同時還可以進(jìn)行編碼器位置比較、位置鎖存等功能。因此被廣泛的運(yùn)用在電機(jī)控制系統(tǒng)中。

三、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了立體視覺運(yùn)動平臺的電機(jī)控制系統(tǒng)方案，通過對控制電機(jī)的分析和控制方案的對比，確定了使用伺服電機(jī)作為驅(qū)動源，并采用了控制電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)控制卡對電機(jī)進(jìn)行實(shí)施檢測，有效的控制了系統(tǒng)的速度和位置精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧志軍，牛建軍，張競丹.基于立體視覺的三維建模方法.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2007，19（17）賈云得.機(jī)器視覺.北京：科學(xué)出版社.2000.4：1～10

[2]李瑞濤，方湄，張文明. 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及應(yīng)用.機(jī)電一體化.2000（5）：17～18