新型縱向微位移補償控制系統(tǒng)的研制

張成， 閆艷燕， 張琳

（河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南焦作 454000）

0 引言

近年來伴隨著電子技術(shù)、宇航、生物工程等學(xué)科的發(fā)展，圖像識別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，尤其是在微位移領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。然而，在微位移領(lǐng)域中微位移補償方法越來越多，目前微位移補償方法主要有利用光柵位移傳感器的方法，利用激光干涉儀的方法及利用圖像識別的方法?？紤]到光柵位移傳感器對環(huán)境要求較高和激光干涉儀的結(jié)構(gòu)龐大，價格昂貴等問題[4-5]，本文基于圖像識別的方法，結(jié)合電子顯微鏡的拍攝和S-EYE軟件的標(biāo)記，搭建了微位移補償?shù)臋z測裝置，通過TC5520V可編程運動控制器對機構(gòu)移動數(shù)值轉(zhuǎn)換脈沖數(shù)值，構(gòu)成縱向微位移補償?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了新型縱向微位移平臺的縱向微量進(jìn)給，改善了機械傳動式微位移機構(gòu)精度。

1 基于圖像識別的檢測

1.1 縱向位移機構(gòu)位移標(biāo)記圖像的實現(xiàn)

首先將顯微鏡的鏡頭對準(zhǔn)微位移機構(gòu)，進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)，直到上位機界面上圖片顯示比較清晰為止，電子顯微鏡拍攝圖如圖1所示。然后驅(qū)動伺服電動機帶動滾珠絲杠運動，與此同時，運用S-EYE軟件對縱向微位移機構(gòu)的兩次運動分別做個標(biāo)記，最后用顯微鏡將其運動位置拍攝下來，顯微鏡的放大倍數(shù)能夠達(dá)到100倍，縱向微位移機構(gòu)的位移標(biāo)記圖像如圖2所示。

1.2 圖像識別對標(biāo)記圖像的處理

圖1 電子顯微鏡拍攝圖

圖2 縱向微位移機構(gòu)的位移標(biāo)記圖像

標(biāo)記圖像中值濾波是為了利用非線性信號處理技術(shù)對圖像中的噪聲進(jìn)行有效抑制，其實驗原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個領(lǐng)域中各點值的中值代替，從而消除孤立的噪聲點。標(biāo)記圖像中值濾波效果能夠滿足對標(biāo)記圖識別效果，同時能夠有效地提取圖像中的特征和位置信息，中值濾波去噪如圖3所示。

圖像分割就是將圖像中我們感興趣的目標(biāo)與其背景分離，并把圖像中具有不同意義的目標(biāo)提取出來。基于顏色的圖像分割方法與其他的分割方法相比，該方法實現(xiàn)起來更簡單，算法更簡潔，具有更好的實時性[7-10]。顏色分割方法能用顏色空間轉(zhuǎn)換來分割圖像，可以綜合利用圖像特征，得到較好的處理結(jié)果，顏色二值分割如圖4所示。

圖3 中值濾波的去噪

圖4 顏色二值分割

圖5 形態(tài)學(xué)去噪

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是用具有一定形態(tài)的機構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對應(yīng)形狀，以達(dá)到對圖像分析和識別的目的[11]。目前，這門學(xué)科在醫(yī)學(xué)圖像處理、工業(yè)檢測、材料科學(xué)和機器人視覺等方面都有成功應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景[12]。標(biāo)記圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理的目的就是去除多余的小對象，僅僅保留最大面積的兩個對象，形態(tài)學(xué)去噪如圖5所示。

通過利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理的方法，對提取出的圖像元素進(jìn)行處理，去除無用元素后得到紅色標(biāo)記兩點的距離值，定位目標(biāo)示意圖如圖6所示。

2 縱向微位移機構(gòu)的控制系統(tǒng)

本微位移機構(gòu)控制系統(tǒng)的組成包括：臺達(dá)ECMAC20604RS型交流伺服電動機、ASD-B2-0421-B型驅(qū)動器、PC機、電子顯微鏡、微位移機構(gòu)及TC5520V可編程運動控制器。且ASD-B2-0421-B型驅(qū)動器可以提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩三種基本控制模式[13-15]，為了實現(xiàn)該微位移機構(gòu)能在超精密車床上實現(xiàn)水平運動的補償和縱向的微量進(jìn)給，本微位移機構(gòu)采用了位置控制模式。且位置控制模式被應(yīng)用于精密定位的場合，具有方向性的命令脈沖輸入可經(jīng)由外界來的脈沖來操縱電動機的轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)了對微位移機構(gòu)的精密位置定位的特點，縱向微位移機構(gòu)位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 縱向微位移機構(gòu)位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.1 位置控制參數(shù)設(shè)置

ADSA-Soft是一款功能比較強大、操作起來比較方便以及能夠?qū)λ欧妱訖C實施全方位控制的軟件，具有控制精度高和誤差小等優(yōu)點。通過ADSA-Soft軟件對伺服驅(qū)動器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到微位移機構(gòu)水平方向的補償和縱向的微進(jìn)給。驅(qū)動器參數(shù)調(diào)整如圖8所示。

圖8 驅(qū)動器參數(shù)調(diào)整圖

具體參數(shù)設(shè)置如下：1）控制模式的選擇，當(dāng)P1-01設(shè)置為00時，微位移控制系統(tǒng)進(jìn)入了位置控制模式；2）脈沖形式的選擇，當(dāng)P1-00的值為0x2時，伺服驅(qū)動器進(jìn)入了脈沖+方向控制方式；3）電子齒輪比的設(shè)定，當(dāng)P1-44為16，P1-45為10時，伺服電動機每接受100 000個脈沖能夠轉(zhuǎn)一圈，此時微位移機構(gòu)移動10 mm，且每接受一個脈沖微位移機構(gòu)就移動1 μm；4）位置回路增益調(diào)整，當(dāng)P2-32值設(shè)定為0，P2-00的值設(shè)置為35，P2-02值設(shè)定為50時，微位移機構(gòu)控制系統(tǒng)將進(jìn)行位置環(huán)增益調(diào)整，直到脈沖指令位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。

2.2 TC5520V可編程運動控制器的位置控制

根據(jù)對伺服驅(qū)動器參數(shù)調(diào)整，當(dāng)伺服驅(qū)動器P1-00的值為0x2時，伺服驅(qū)動器進(jìn)入了脈沖+方向控制方式。此時，TC5520V可編程運動控制器就可以將運用圖像識別的方法測得的微位移機構(gòu)的移動數(shù)值轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)輸入到伺服驅(qū)動器中，進(jìn)而對縱向微位移機構(gòu)進(jìn)行位置控制。將TC5520V可編程運動控制器的X軸控制沿一定坡度向上運動的電動機，Y軸控制水平方向運動的電動機，此時，給TC5520V可編程運動控制器輸入經(jīng)圖像識別處理后的移動數(shù)值L為7.1839 μm，根據(jù)楔形機構(gòu)的直角關(guān)系可得，沿一定坡度向上運動的水平方向分量的運動距離x1為7.1174 μm。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過實際值與期望值之間的差值進(jìn)行反饋，最終得到Y(jié)軸控制的水平方向移動量x2為-7.1174 μm，運動控制器可將L，x1值轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)P0=71.839，P1=71.174。再根據(jù)電子齒輪比可以得出輸入到伺服驅(qū)動器的X軸脈沖數(shù)為114.942，Y軸脈沖數(shù)為113.878，伺服電動機就能接受一定比例的脈沖數(shù)驅(qū)動滾珠絲杠機構(gòu)傳動?？紤]到縱向微位移平臺系統(tǒng)的各種運動誤差等情況，通過對縱向微位移平臺閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可使縱向微位移平臺縱向微進(jìn)給量能達(dá)到1 μm。

3 結(jié) 論

通過采用圖像識別的檢測方法，本文所研制的新型縱向微位移控制系統(tǒng)實現(xiàn)了水平方向的補償運動，提高了機構(gòu)縱向微進(jìn)給精度；與目前光柵位移傳感器和激光干涉儀的檢測方法相比，該檢測方法具有價格便宜、使用方便、測量環(huán)境要求較低等特點；此外，基于圖像識別的方法，通過TC5520V可編程運動控制器建立了閉環(huán)控制系統(tǒng)，得出了當(dāng)P0=71.839，P1=71.174時，縱向微位移平臺可以實現(xiàn)水平方向上的自動補償，縱向微進(jìn)給可達(dá)到1 μm；由此可知，基于圖像識別的新型縱向微位移補償控制系統(tǒng)大大提高了縱向微位移進(jìn)給精度（可達(dá)1 μm），改善了機械傳動式微位移機構(gòu)精度。

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