三坐标测量机单轴控制硬件设计Word格式文档下载.docx
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此外，为了提高系统的调速性能，控制方法采用了转速、电流双闭环。
结果表明，电机起动快速、稳定，具有较宽的调速范围。
同时，该系统还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。
关键词：
三坐标测量机数控系统运动控制DSP伺服系统
Abstract
Withthecontinuousprogressofmodernscienceandtechnology,thecontinuousdevelopmentofmanufacturingtechnology,modernindustrialmeasurementtechnologyneedmoreandmorehighrequirements,coordinatemeasuringmachinecameintobeing,andgraduallybecomethekeyequipmentintheproductionprocesscontrolofproductquality
.CMMisauniversalhighdegreeofautomation,highprecisionmeasurementtools.Therefore,research,designofcoordinatemeasuringmachinemotioncontrollertoenhancetheperformanceofcoordinatemeasuringmachine,topromoteitsscopeofapplication,hasaverycleartheoreticalvalueandpracticalvalue.
Motioncontrolsystemmotioncontrolpartofthecoordinatemeasuringmachine,coordinatemeasuringmachinehasaveryimportantroletoplaytotheroleofthecoordinatemeasuringmachine.
Inordertoensurethatthecoordinatemeasuringmachinemotortonormaloperation,theneedforamulti-axismotioncontrolsystem.
Themainroleofthissystemisoperationalaxismotioncontrol,andalsobeabletodealwithunexpectedevents,toensurethenormaloperationofthecoordinatemeasuringfunctionsecurity.Forsingle-axiscontrol,controlsystemdesignusingtheTIthecompanyTMS320LF240xseriesDSPchipasthecontrolcore.WithDSPprocessingpowerandrichperipherals,theentiresystemeliminatestheneedforthepreviouscomplexhardwarecircuits.Inaddition,inordertoimprovethespeedperformanceofthesystem,thecontrolmethodusingthespeed,thecurrentdoubleclosedloop.
Theresultsshowthatthemotorstarterisfast,stable,withawidespeedrange.Atthesametime,thesystemalsohasasimplestructure,highreliability,broadapplicationprospects.
Keywords:
coordinatemeasuringmachineCNCsystemmotioncontrolDSPservosystem
第一章绪论
1.1三坐标测量机的发展概况
三坐标测量机是1958年才开始出现的一种高效的新型精密测量仪器。
半个世纪以来，发展迅猛，已被广泛应用于农业机械、仪器制造、电器工业、动力机械、建筑机械，特别是汽车和航空工业，来对各种机械中的零件进行测量，同时还能对形状各异的各种轮廓（如孔的中心距、孔的位置等）进行检测。
从上个世纪70年代以后，由于计算机技术和科学技术的不断发展，而且计算机的容量也大大提高，三坐标机在此基础上的发展得到了质的飞跃，不仅能够对轮廓形状非常复杂的物体进行测绘，同时还能把准备好的纸带提供给数控机床和数控绘图机，这些都使得三坐标机逐渐地想着数字化方向发展，也得到厂家及人们的高度重视。
三坐标测量机的发展，与许多其他事物一样，也是由简单到复杂，逐步发展起来的，大致可以分为以下几个阶段。
1原始测量机
测量机，测量仪器，万能工具显微镜，它们都具有导向机制，检测设备，同时还有一个工作台，这个工作台用于放置工件，而且测量头可根据被测点位置进行手工的移动，因此，有人给了它一个单坐标或双坐标测量机器的称号。
这种机器应该能被称为最原始的测量机了。
2初期的测量机
20世纪50年代初，一种能自动发讯的测量系统进入人们视野，而且这种系统的行程特别大，并且不用人为控制发讯，行程完成后，用数字的形式来表示结果。
但是，由于当时条件的局限，这样的测量机工作时，它的测量臂不能收到太高的摩擦力以及太大的刚度，如果这样将有可能对机器造成损坏。
初期的测量机比最原始的测量机器进步了许多，而且也提高了测量的效率。
3带有传动记录系统的测量机
数字表明，这种测量机的测量系统比初期测量机向前一步，但需要手动才能得到测量结果，然后再让工作人员把相应的结果记下，数据与测量处理便以此为基础完成。
然而当遇到更多的测量数据时，将大大地降低测量的效率，同时还有可能出现错误。
这就使人们开始考虑可以自动传真录音系统
–记录自动系统，使测量效率能够得到提高。
该系统通常包括两部分，电传和电子存储设备，能完成以下任务：
（1）完整的记录下四个坐标的空间位置；
（2）拥有可以对输入信息进行受理的阅读机，这种阅读机还自带纸带；
（3）有一种独特的信息输出方式，输出形式用的是穿孔带，而输出机器则是穿孔机。
4以小型计算机为核心的测量机
这种测量机一台小型电脑，可以完成各种计算，如计算两坐标值的差差值，把空间点与点的距离换成计算坐标值的计算，通过这些还能计算出线段的长度，同时还能测量两线段是否平行，是否垂直，平面是否平整等，而且计算速度非常快。
利用计算机的存储器储存一定数量的数据，比如航空发动机叶片、电视屏、凸轮等具有曲线表面的轮廓尺寸，只需对母线进行连续扫描，即按规定程序以一定的间距和行距连续测量零件轮廓尺寸，测量时，侧头始终不离开工件表面，测量结果可由自动打印机记录下来或由穿孔机制成程序穿孔纸带，供复制使用。
5计算机控制的测量机
带有电子计算机数据处理的测量机，虽然解决了数据处理问题，但由于测量是手动的，因此，对于一些大型的、精度要求高的、测力有一定要求的或批量较大的零件，操作起来不是很方便，既难以保证质量，效率也不高。
在这种情况下，计算机控制的测量机的进一步发展，这种有计算机控制的测量机，能够在程序的指导下，驱动数控机床进行自动测量。
当测量完成时，能对测量结果进行自动打印，也可以输出在纸带上。
6通用测量机检验线
上世纪70年代初期，英国罗尔斯·
罗伊斯航空公司装备了一条全新的检验线，这条检验线的组成部分是五台单功能测量机。
这五台测量机分工明确：
第一台的任务是测量被测元件的深度和高度；
第二台的任务是测量X，Y两个坐标轴上的内部孔距尺寸；
第三台的任务是测量圆柱形物的内外尺寸；
第四台则是测量相关的角度；
最后一台测量的是圆柱体的圆度及相关的内径和外径是否偏心。
当所有的测量机测量完成后，将测量的结果统一输入到另外一台计算机里，对数据进行统一处理，最后输出相应的结果。
7数控检测中心
在完成了用计算机对测量机进行控制，同时提出了检测线用通用测量机之后，人们想进一步的对测量机的测量系统进行完善。
这样就有了在1973年在英国召开的数控年会上提出的数控检测中心，这种测量系统可以解决之前的测量系统都没法解决的问题，同时测量效率极高。
同时，这种测量系统还有显示图像的功能，而且通过对图像处理得到零件的误差。
1.2三坐标测量机的研究现状
1.2.1国外现状
德国蔡司三坐标测量机的生产，在质量方面，在世界处于领先的地位。
由于技术的开发，1973年的第一台数控三坐标测量盖机的U埘500问世成功，此后各种专业技术更是飞速发展，如24K金的超精密测量机的主轴，精密测量机是不敏感温度系数为零扩大ZERODUR光栅等。
蔡司公司独具一树，在开发自己独特的技术方面更是处于领先地位。
同时，意大利的DEA公司也是世界公认的较著名的三坐标测量机的生产商之一。
该公司生产的三坐标测量机，主要运用于与汽车产品相关的生产厂家。
我国许多公司的三坐标测量机都来自该公司。
当前，意大利DEA公司已经成为世界上为汽车行业车身检测提供专业检测方案的最知名厂家，而且在推动汽车车身的尺寸检测方面奉献颇多。
此外，世界的测量机著名生产厂家还有日本的三丰公司，到目前为止，该公司已累计向世界提供了三万多台三坐标测量机，超过世界测量机市场份额的三分之一，稳居三坐标测量机世界第一供应商的位置。
三丰公司产品在日本国内市场所占份额约为百分之六十。
除此之外，世界上还有其它的一些比较有名的坐标机制造厂，如英国的LK公司、zK公司，以及Brown-Sharp公司等。
1.2.2国内现状
三坐标测量机在我国的发展过程大致经历了三个阶段：
第一阶段自二十世纪七十年代开始至八十年代初期。
由于该技术所要求精密度极高，而我国的电子技术又特别落后，这都严重影响三坐标测量机的发展，致使研究和生产不能达到预期的效果，总是处于试验阶段；
第二阶段自二十世纪八十年代开始到八十年代末期，由于国家实行改革开放等开明的政策，我国逐步与世界强国开始合作，改变了原来封闭的现象，通过结合自身的特点引进国外的先进技术进行开发、生产。
这大大的加快了三坐标测量机的前进步伐，至此，我国已基本掌握了简单三坐标机的生产方法．第三阶段为进入二十世纪就是年代至今．由于国内点在技术的飞速发展，我国目前已基本具备了从生产精密型测量机到生产型测量机各种型号的三坐标测量机的能力，开始在国内市场上有了一席之地．
最近几年来，由于科技的不断发展，数据检测技术的研究也不断的深入，我国的测量机技术得到了飞速的发展。
目前，在众多的国内测量机厂家中，走在前沿的是海克斯康测量技术有限公司，该公司产品系列最多，而且也有较高的测量精。
该公司与享誉全球的坐标测量机制造公司：
德国LEITZ公司、Brown＆Sharpe公司、瑞典CEJOHANSSAN公司、意大利DEA公司并列，同属HEXAGON集团计量产业的核心成员和五大测量机制造基地之一。
由于我国在三坐标机这个项目上起步比较晚，所以，与国外测量机厂家的发展相比，国内的发展就相对较慢，远不能满足国内一些高精密厂家的需求，同时也不能适应市场的发展，因此，无论从技术实力还是市场开拓方面均大大落后于国外测量机厂家．但是，我相信通过后人们的不断努力，我国在测量机方面的技术有朝一日一定会达到世界的先进水平。
1.3三坐标测量机的发展趋势
目前从国内外三坐标测量的科学技术和发展情况对三坐标测量的要求来看，它的主要发展趋势可以概括为：
1.控制系统开放化、柔性化
坐标测量机，在高精度测量方面，已经逐渐取代其它的一些测量设备，成为现代控制技术有机组成部分。
在对计算机辅助设计完成的同时，需要与一些相关设备和通信互相配合，为了满足此要求，我们必须使控制系统更加的开放化、柔性化。
2.提高测量精度
三坐标测量机是检测工件尺寸与形位误差的仪器，首要的是精度要满足用户的需求。
在生产过程中，用户一般要求的不确定精度为小于公差的1/3-1/5，甚至有的用户要求达到1/10。
所以对三坐标测量机的精度提出了更高的要求，以适应制造业技术不断发展的要求。
3．提高测量效率
随着生产步伐加快，为了确保准确性，同时让测量效率得到提高。
人们提出了一些实际可行的好办法，如对系统的稳定性进行提高、对测量机的结构进行改善、利用粉煤灰计量、能够在测量时同时扫描、能补偿误差等等，这些都大大地提高了测量的效率。
4.发展软件技术，发展智能测量机
测量机的功能主要由软件决定。
三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首
先取决于软件。
测量机软件所覆盖的范围越来越大。
它不仅包括坐标系的转换、测端半径补偿、控制软件，数据处理软件，还包括误差补偿软件，CAD、CAM软件与网络通信软件等。
1.4数控系统的发展历程及国内外现状
由于三坐标测量机是一种精度要求极高的测量工具，因此在测量过程中将会不可避免的用到数控技术，下面将简单介绍一下数控技术的发展历程及现阶段国内水平。
1.4.1发展历程
1948年，美国的帕森斯公司受到美国空军的委任，需要研制出加工飞机螺旋桨叶片轮廓样板的设备。
可是样板精度要求高，而且形状复杂，以当时的加工水平难以实现，于是便有人提出用计算机来控制机床的初步设想。
1949年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，开始研究数控机床，同时于1952年成功研制出第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，于1957年正式投入使用。
这对制造技术来说是一个重大的里程碑，因为这就标志着数控加工开始进入制造领域。
数控加工技术对于制造业这个行业来讲具有深远的影响以及划时代的意义，它是现代制造技术的基础。
世界上主要工业发达国家都对研究和发展数控技术非常重视。
半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。
归结起来，数控技术的发展至今已经历了两个阶段和六代。
数控技术的发展是伴随着电子技术和信息技术的发展，其发展经历了硬件数控（NC）阶段和计算机数控（CNC）阶段。
1.硬件数控阶段
1952年，美国麻省理工学院成功的研制出三坐标联动，当时所采用的数控系统主要以脉冲乘法器为依托。
但当时的数控装置所采用电子管元件，由于其价格极其昂贵，体积又庞大等原因，只能在制造业很小的领域内运用。
1959年，晶体管以其体积小，性能稳定取代以前的电子管，使数控装置进入了第二代。
以性能稳定而著称的晶体管体积有所减小，成本也有所下降；
1965年，出集成电路的出现，大大缩小了电路的体积，并且功耗低、可靠性高，集成电路数控装置成为了第三代数控装置，第三代数控装置价格进一步下降，促进了数控机床产量和品种的发展。
2.计算机数控（CNC）阶段
20世纪60年代末期，出现了多台机床由一台计算机控制的数控系统（简称DNC），又称群控系统；
自此，小型计算机取代硬件逻辑控制电路，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年，美国Intel公司成功的开发和使用了微处理器，微处理器的出现让数控系统进入了第五代。
第五代数控系统与第三代数控系统相比，价格极大地降低了，体积也大大的减小，可靠性也得到了很大的提高，同时数控装置的功能增强了很多。
1990年后，数控系统进入了基于PC的数控机床的第六代数控系统。
PC的引入不仅为CNC提供了坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为CNC的开放化提供了基础。
1.4.2国内外现状
1．国内现状
我国从1958年开始研究数控机械加工技术并于同年研制出了第一代数控系统产品。
在60多年的发展过程中，数控系统在国内经历了5代的更新，通过引进国内技术以及国内自主技术的不断完善，数控技术的发展也是蒸蒸日上。
目前，我国除具有设计与生产常规的数控机床（包括CNC系统的车、铣、加工中心机床等）外，还生产出了柔性制造系统。
具有我国自主知识产权、有中国特色的开放式体系结构的华中高性能数控系统，具有四通道、16轴控制、9轴联动的控制能力，打破国外高性能数控系统对中国的封锁，功能达到国外高档数控系统水平，价格比国外普及型数控系统约低一半，达到了国际先进水平。
2．国外现状
发那科公司最新的FS30i/31i/32i/35i-MODELB数控系统，是FANUC公司最新的人工智能纳米数控系统，这个系列数控系统灵活地支持加工中心、车床、复合加工机床、五轴机床和各种高速高精度机床。
系统支持①FL-net，②PROFIBUS-DP，现场总线，系统可以实现纳米级高精度插补，可提供编程和操作导航，实现系统操作的可视性和操作性。
系统提供了刚性攻丝、大型机床控制、双检安全等功能。
MITSUBISHI公司的M700V采用最新的精简指令集的64-bitCPU及高性能的光纤伺服网络,具有纳米级插补技术，超光滑曲面控制SSS算法，最优化的机床响应控制，高精密校正功能，便于使用的菜单设计和宜人化的在线帮助功能，实时3D图形化监控设计。
SIEMENS公司推出的最新系统828D与840Dsl，突出紧凑、强壮、简单、完美等特色。
工作在80bit的浮点计算精度，高级曲面技术，从而获得最高的工件精度,特别适用于模具加工。
智能定位与运动转换，确保加工正确的位置，独特的顺序编程功能：
便利编程，极大减少编程时间，动态线条图形显示，宽范围的循环、复杂轮廓的几何处理器，高程序质量的CNC模拟仿真。
从上面我们可以看到国内数控水品与国外还是有一定差距的。
1.5本课题研究的主要内容
本来本课题是要设计一个完整的三坐标测量机控制器，但由于能力及时间有限，在这里我只选做了其中对三坐标测量机的单轴的控制。
我首先要做的工作就是选定一种控制系统，在这里我选用的是三坐标测量机中的分布式控制系统，由于测量机的精度要求极高，所以伺服系统选择是闭环伺服系统；
其次，我还要选择一种电机来控制测量机的运动轴，在这里我选用的是直流伺服电机；
最后，我还要选择一种芯片来配合电机进行工作，通过比较，我选用了TMS320LF2407这款芯片。
这些就是本次课题的主要任务，下面我将对这些任务提出自己的一些想法与设计思路。
第二章三坐标测量机的控制系
控制系统是一个坐标测量机的关键部件。
它能完成的主要任务有：
对空间的坐标值进行读取，旨在控制测量探头的信号，同时及时处理；
对机械系统的控制，以便对系统相应的运动进行测量；
为了使系统能够可靠和安全工作，该系统还能对坐标机状态进行监控；
为了满足测量的精度，在某些特定条件下，该系统还应使坐标机能够进行温度误差和几何误差的补偿。
早期的三坐标机以手动型和通过操纵杆控制机械运动的机动型为主，当时的控制系统主要完成空间坐标值的监控与实时采样。
随着计算机技术及数控技术的发展，CNC（ComputerNumericControl）型控制系统变得日益普及，高精度、高速度、智能化成为坐标测量机发展的主要趋势。
按自动化程度分类，坐标测量机分为手动型、机动型和CNC型。
前两类测量只能由操作者直接手动或通过操纵杆完成各个点的采样，然后在主计算机中进行数据处理；
而CNC型则是通过主计算机程序控制坐标测量机自动进给进行数据采样，并在主计算机中完成数据处理。
CNC型控制系统结构形式多种多样，根据功能、所用计算机系统和侧头的不同，CNC可分为集中控制与分布式控制两类。
2.1手动型与机动型控制系统
此种控制系统拥有简单的结构，部分系统甚至没有电机作为驱动，全部靠手工完成操作，由于此类系统拥有低廉的价格、简便的操作等优点，故而能广泛的在车间中应用。
这种控制系统，包括坐标机系统的通信、系统的瞄准、系统的测量以及系统的状态监测等。
对于坐标系统来说，它主要的任务就是将三个轴上的信号进行处理，然后将处理后的结果送到相对应的计数器里。
然后CPU就能够对空间的位移量做出相应的计算，在计算过程中会根据计数器中的不同脉冲数进行不同的计算。
针对一般用于探头，有时很难探测系统的一部分，将从触发测量头那里得到的信号，使用一个采样开关按钮，或脚踏开关信号，由测头的接口直接传送到计算机里。
一旦工件接触到探头，或采样开关被按下时，CPU就会收到一个来自测头的中断信号。
当CPU执行中断服务程序，实时读数计算值的接口单元，对空间长度做出相应的计算，形成采样值X
，Y
，Z
，送入采样值缓冲区。
CPU还具有通信功能，完成与计算机的通信，解释来自计算机的命令并执行，将控制系统状态与数据回送给主计算机。
手动型控制系统如图2-1所示。
图2-1手动型控制系统框图
随着半导体技术和计算机技术的发展，高性能CPU以及相应的计算机平台的出现，新型专用芯片以及ASIC的广泛使用，接口单元集成度得到大幅度提高而体积与功耗不断减小。
可将光栅信号接口单元、侧头接口单元、环境及状态监控单元等集成为数块接口卡，直接挂在CPU总线上，将主从两级CPU的工作由一个高性能CPU完成。
因此，运行在CPU硬件和系统软件资源就非常丰富，构成了个人电脑系统。
这种系统可以进行采集数据，实现机器与人之间的对话，同时还能输入输出数据以及网络的通信等等，而且所有的这些工作都能够在一台计算机中完成，这一系列的措施让该系统变得更加可靠，维护起来也方便了，同时也降低了成本，开发起来也更加的容易了。
2.2CNC型控制系统
CNC型控制系统的由计算机控制测量的进给。
它可以通过程序对测量机各轴的运动进行控制，同时还可以对测量机运行状态进行实时监测，从而实现自动测量。
另外，它也可以控制操纵杆，从而实现手工测量。
CNC控制系统结构可为分为集中控制与分布控制两类。
2.2.1集中控制
这种模式可看做是手动型的外延扩展，他在原有的系统上增加了一块控制卡及相应的软件。
从功能上看，这种模式可以进行数字调节，由于测量精度要求高，所以还需要能插补，但运算量较大，它的各种工作性能和进给的速度紧密联系在一起
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