三坐標測量機控制原理

三坐標測量機獲取測頭觸碰點相對于系統原點的三坐標值，然后經特定算法處理，得到尺寸公差或形位公差。測頭在X、Y，Z三個相互垂直的導軌上進行復合運動，實現逐點測量；或按一定運動軌跡，實現掃描測量。因此在實現每一個軸的運動控制時，既要精確的位置控制，又要精確的軌跡插補控制，所以要對每軸何服運動的位置和速度都實現精確閉環控制。速度環由直流電機尾部的測速發電機反饋電壓信號至伺服驅動器形成，由伺服驅動器采用比例增益處理，實現穩定的速度控制。位置環則由光柵尺讀數頭讀取導軌上的光柵尺，反饋正交編碼信號至運動控制卡，然后采用PID控制算法處理后形成，實現精確的位置控制。

三坐標測量機控制系統組成

整體組成

開放的測量機控制系統如圖1所示，以PMAC2-Lite運動控制卡為核心。該控制卡具有四軸運動控制和數字量邏輯控制功能，支持PID控制算法，同時有32路數字量輸人和輸出接口。控制卡作為下位機，利用交叉網線與上位工控機連接，構成上下位機式開放式測量機控制系統，I/O接口卡具有32路數字量輸入輸出，通過排線連接控制卡的JTHW和JOPT接口，實現卡上電路與繼電器、開關等外部數字量控制電路的光耦隔離，以及5V與24V電平信號轉換，保護控制卡不受外部信號干擾和電流沖擊。驅動接口卡通過排線連接控制卡JMACHI和JMACH2接口，轉接輸出三軸的±10V電壓控制信號至伺服驅動器，同時以光耦隔離方式連接伺服驅動器報警、使能、回零和正負限位開關觸發等信號，另外也能用光耦隔離方式接收光柵反饋的正交編碼信號。因為測量機測頭負載較小，但是運動換向頻繁，所以采用可頻繁啟動、低速性能好、響應速度快的山洋T系列直流電機，并安裝尾部測速發電機。選用AMC25A8直流伺服驅動器，輸出PWM信號控制電機，并接收速度電壓信號反饋，形成速度閉環。控制卡輸出差動電壓信號至伺服驅動器，驅動器輸出PWM信號至電機，這種模式使整個系統響應速度快，實時性強，同時也有較好的抗干擾性。

測頭坐標捕捉

測頭觸碰零件表面，獲得觸碰點的三坐標值是坐標測量機的核心功能。當測頭觸碰時，通常返回+5V的高電平信號，連接至控制卡JMACH2接口的驅動軸所對應的USER端子，然后在控制卡上設置1變量1xx97=0，I7mn2 =3，17mn3=2。這樣當UERS端子檢測到測頭反饋高電平信號，控制卡立即在寄存器中鎖存"xx"軸對應的光柵反饋編碼值，讀取該編碼值，對比系統零點值，就獲得該軸的坐標值。測頭觸碰信號被同時反饋到三個軸的USER端子，因為是控制卡硬件安時鎖定編碼值，所以可以準確地捕捉到觸碰點X、Y、Z三坐標值，實現坐標捕捉功能。手柄控制實現手柄控制測頭在X、Y、Z三個方向移動并測量，是重要的測量模式之一。手柄每個方向都是一個電位器，輸出的電壓信號正負、大小決定了軸的運動方向和速度。ACC-28B是四路模擬轉數字擴展卡，可以采集3個方向的手柄輸出電壓，然后經ACC-8TS擴展接口卡連接到主控制卡。被采集的電壓信號存貯在卡中手柄電壓值寄存器中，利用周期運行的PLC程序循環讀取，然后利用M變量直接賦值給PID濾波寄存器。如果三個軸都處于開環控制狀態，這個操作實際上是為開環運動0指令賦值，確定運動速度。通過實時刷新寄存器中值，三個軸就處于0指令控制的開環運動狀態，可實現手柄控制測頭運動。

測量機軟件系統

上位機軟件

上位機操作系統為windows系統，軟件用VC6.0及PComm32PRO動態鏈接函數庫開發，具有狀態監控界面、DMIS程序編輯下載、功能按鈕界面和參數設置等模塊。狀態監控界面主要實現對三個軸的位置及速度的實時監控，對回零狀態、限位狀態、伺服驅動器等I/0信號的監控。為了減少系統資源占用，采用定時器消息響應函數OnTimer(UINT nIDEvent)每隔500ms來定時采集數據。在該函數中，再調用PComm32PRO中的庫函數，來讀取控制卡中M、Q等變量，獲取上述值。例如獲取X軸位置值，則用PmacGelResponseA(m_dwDevice，Buf_Xp，12，"#1p")庫函數來實現。獲取M變量數值，可以用PmacGelVariable()、PmacGetResponseA()等函數來實現。在消息響應函數的結尾，用UpdateData(FALSE)函數來刷新監控界面的顯示。功能按鈕界面具有回零、伺服上電、手柄控制等多個命令按鈕，分別對應不同的消息響應函數。在這類函數中通過調用PmacGetResponseA()等庫函數，調用控制卡上的PLC程序、運動控制程序和在線指令，綜合起來實現相應的命令功能。例如執行101回零運動程序，可用PmacGetResponseA(m_dwDevice，Buf-XH，24，"&1 B101R")，來實現三軸的回零命令。控制卡在使用前，可以在上位機上通過對話框進行參數設置，以適應不同的工作環境。該功能利用PmacSeVariable()等庫函數來實現。DMIS是一種測量數據通信標準、接口和測量高級語言，是廣泛使用的美國標準。上位機具有DMIS程序編輯器，能編輯、解釋DMIS測量程序，并下載到控制卡執行。DMIS程序被解釋成卡上對應的運動程序、在線指令或PLC程序，利用它們實現測量程序功能。對不同測量要求的自動測量，既可以通過編寫不同的DMIS程序實現，也可以直接設置測量按鈕，然后編寫相應的下位機運動控制程序來實現。下位機軟件控制卡中的PLC程序周期性循環運行，能夠完全訪問卡上的變量和I/O端口，所以可用來讀取變量值，并且能夠響應外部數字量改變，在程序中調用其它運動控制程序。控制卡開機時，PLC 1參數設置程序，首先運行，設置1、M、P、Q變量值，對控制卡中的控制方式、I/O口定義、特定寄存器對應的變量等進行設置，初始化卡的工作環境。坐標值捕捉PLC程序在后臺循環執行，一旦檢測USER端子具有高電平信號，就讀取已被硬件鎖定的三個軸的光柵反饋值，從而獲得觸碰點的三坐標值。當處于手柄控制模式時，手柄控制PLC程序被循環運行，定時獲取手柄電位器輸入的電壓值，直接賦值給PID濾波寄存器，更改O指令的值，實現三軸的手柄控制開環運行。運動控制程序可以實現期望的運動功能，比較重要的是回零運動程序和重復測量運動程序。這些運動程序由類Basic的高級語言和G代碼組成，可以被上位機直接調用，或者PLC程序調用。重復測量運動程序可以利用一個程序循環體，調取事先存儲的或用手柄控制獲取的一系列測量點坐標，不斷自動重復測量這些點，進行比對測量。

基于PMAC控制卡的開放式測量機控制系統，兼容性強，能實現精確的三坐標值硬件實時捕捉，可用手柄控制測頭移動方向和速度，能編輯解釋標準DMIS測量程序，能實現自動重復比對測量，是一種功能全面，高性能的測量機控制系統，能實現針對不同測量要求的柔性測量。

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總結

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