2021.08
第1章 概述
1.1 簡介
本設(shè)備可以用于生產(chǎn)流水線的檢測環(huán)節(jié)，將零部件經(jīng)輥道運送至本檢測系統(tǒng)的檢測工位，檢測完畢后，運送至下一道工序；也可以用于大型零部件的單機檢測。
測量系統(tǒng)采用直驅(qū)龍門結(jié)構(gòu)5軸機床、非接觸式3D線掃相機、高精密控制測量軟件組成 測量手段采集目標(biāo)對象的圖像信息，通過機器視覺方法處理采集數(shù)據(jù)，直接計算、分析得到模板輪廓尺寸數(shù)據(jù)，測量技術(shù)指標(biāo)主要涉及：局部加工位位置及尺寸數(shù)據(jù)、并對鋁模板的機械加工是否合格，系統(tǒng)可根據(jù)測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維點云展示，并攜帶測量數(shù)據(jù)，附帶測量結(jié)果，最后將測量和分析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。
圖 1 機床實物
1.2 特點
l 采用高性能非接觸式3D相機，可實現(xiàn)對物體特征的快速掃描。
l 直線電機龍門結(jié)構(gòu)保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。
l 高性能可編程運動控制卡保證多自由度以及高精密路徑自由定義。
l 采用高精度光柵尺范圍，有效保證機床運行的系統(tǒng)精度以及重復(fù)定位精度。
l 兼容任意尺寸內(nèi)長方體以及近長方體結(jié)構(gòu)。
l 系統(tǒng)檢測速度200mm/S。
l 支持3D模型的導(dǎo)入，以及點云數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。
l 可選擇碳鋼或大理石結(jié)構(gòu)保證平臺的高抗震性。
1.3 應(yīng)用檢測內(nèi)容
l 尺寸：模板的長度、寬度，側(cè)板上的連接孔直徑和位置、槽位位置。
l 直線度：側(cè)面上下棱邊，長度方向。
l 位置度：側(cè)板上的連接孔徑、定位槽。
1.4 應(yīng)用檢測尺寸參數(shù)
l 寬度：50~600mm。
l 長度：500~2700mm。
l 針對測量模板孔直徑及插槽尺寸。
l 適應(yīng)模板的孔及銑槽數(shù)量不相同，且孔及銑槽的位置也各不相同。
l 尺寸在要求范圍內(nèi)規(guī)則，近似以上尺寸長方體或正方體結(jié)構(gòu)。
1.5 應(yīng)用測量精度和時間
l 邊長、寬度和高度測量精度：±0.5mm。
l 孔大小尺寸測量精度：±0.5mm。
l 銑槽大小尺寸測量精度：±0.3mm。
l 孔及銑槽位置測量精度：±0.3mm。
l 測量時間需求：滿足精度要求采集頻率在500-800HZ。
l 測量時間：0.25mm分辨率8米測量時間60秒（采購前可實測）。
第2章 3D相機
2.1 Mirror相機
2.1.1 Mirror相機型號
表 1 Mirror線激光型號
型號 | MR40-80 | MR20-180 | MR20-280 |
測量線長 | 80mm 80m80 | 180mm | 280mm |
工作距離 | 80±20mm | 180±50mm | 280±100mm |
垂直分辨率（Z） | 0.03mm | 0.05mm | 0.1mm |
水平分辨率（Y） | 0.1mm | 0.15mm | 0.2mm |
Z向重復(fù)精度 | 0.01mm | 0.02mm | 0.03m |
重量 | 約600g | 約550g | 約800g |
2.1.2 測量范圍示意
圖 2 Mirror相機測量范圍示意圖
2.1.3 整體外觀
圖 3 SL40-80
圖 4 SL40-80外形尺寸
圖 5 SL20-180
圖 6 SL20-180外形尺寸
圖 7 SL20-280
圖 8 SL20-280外形尺寸
2.2 SmartRay相機
2.2.1 SmartRay相機型號
表 2 SmartRay相機型號
型號 | ECCO 35.050 | ECCO 35.100 |
視野范圍 | 41/49/57mm | 61/82/103mm |
測量范圍 | 60mm | 100mm |
工作距離 | 150mm | 150mm |
垂直分辨率（Y） | 8.5-16.5mm | 11.5-32.5mm |
水平分辨率 | 57-80mm | 82-135mm |
Z線信度 | 0.02%(0.2微米/毫米) | 0.01%(0.1微米/毫米) |
Z重復(fù)精度 | 1.8微米 | 3.8微米 |
重量 | 約180克 | 約180克 |
部件編號 | 3.002.005 | 3.002.010 |
點數(shù)/3D輪廓 | 752點 | |
掃描速率 | 約100赫茲—50赫茲 | |
3D點速率 | 約7—3萬點/秒 | |
接口 | 告訴以太網(wǎng)（100兆/秒） | |
輸入 | 4個輸入端口，5-24伏直流輸入， 正交編碼輸入端口（AB通道，RS-422標(biāo)準(zhǔn)） | |
輸出 | 2個輸出端口，24伏直流輸出（20毫安） | |
觸發(fā) | 輸入口 支持啟動觸發(fā)， 正交編碼輸入口支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)（數(shù)據(jù)觸發(fā)率: 100 千赫) 輸入口2、3 支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā):（數(shù)據(jù)觸發(fā)率：10 千赫) | |
輸入電源/電壓 | 24直流輸入 ,文波小于 15% | 4.5瓦 | |
激光波長 | 660納米 | |
激光級別 | 2M | |
環(huán)境背景光 | 10000勒克斯光照強度 | |
電磁兼容測試 | 依據(jù)歐標(biāo)61 000-6-2, 61 000-6-4 | |
震動/沖擊測試 | 依據(jù)歐標(biāo)60 068-2-6, -27, -29, -64 | |
電氣安全 | 依據(jù)歐標(biāo)61 010-1-3 | |
保護等級 | 依據(jù)歐標(biāo)61 040-3 III | |
防護等級 | 電氣設(shè)備外殼防護等級65 | |
空氣濕度 | 低于90%，無凝結(jié) | |
工作溫度/存儲溫度 | 0-40攝氏度/-20-70攝氏度 | |
通用配件 | 電源輸入/輸出線纜：6.310.0XX 以太網(wǎng)電纜：6.302.0XX 雙絞屏蔽電纜：6.307.0XX | |
2.2.2 外部接口
圖 9相機正面和側(cè)面圖
l 相機玻璃面
l 外殼
l 安裝螺絲螺紋口
l 激光輸出
圖 10后方接線圖
l 以太網(wǎng)連接器（8-pin）
l LED供電
l LED（儲電以后面使用/內(nèi)部使用）
l 供電-I/O編碼連接器
l 引導(dǎo)狀態(tài) LED|連接 LED
2.2.3 設(shè)備整體圖
圖 11設(shè)備安裝圖
l 固定器
l 3D傳感器
l 視野范圍（中）
l 被測物體
l 以太網(wǎng)接口
l 電源接口
2.2.4 輸入輸出供電接口描述
圖 12供電接口圖
表 3線纜描述
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第3章 控制系統(tǒng)
3.1 控制器
控制卡支持最多達 12 軸直線插補、任意圓弧插補、空間圓弧、螺旋插補、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨、虛擬軸、機械手指令等；采用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議可以實現(xiàn)實時的運動控制。
3.1.1 連接配置
圖 13 控制器連接
網(wǎng)絡(luò)運動控制卡支持以太網(wǎng)，232 通訊接口和電腦相連，接收電腦的指令運行，通過 CAN 總線可以連接各個擴展模塊，從而擴展輸入輸出點數(shù)或運動軸(CAN 總線兩端需要并接 120 歐姆的電阻)。
3.1.2 安裝和編程
圖 14 軟件界面
控制卡通過 ZDevelop 開發(fā)環(huán)境來調(diào)試，ZDevelop 是一個很方便的編程、編譯和調(diào)試環(huán)境。ZDevelop 可以通過串口、以太網(wǎng)與控制器建立連接。應(yīng)用程序可以使用 VC,VB，VS，C++Builder，C#,等軟件來開發(fā)。調(diào)試時可以把 ZDevelop 軟件同時連接到控制器，程序運行時需要動態(tài)庫 zmotion.dll。
3.1.3 產(chǎn)品特點
l 脈沖輸出模式:方向/脈沖或雙脈沖。
l 支持編碼器位置測量，可以配置為手輪輸入模式。
l 每軸輸出脈沖頻率 10MHz
l 通過 CAN 總線， 最多可擴展到 512 個隔離輸入或輸出口。
l 軸正負(fù)限位信號口/原點信號口可以隨意配置為任何輸入口。
l 輸出口輸出電流可達 300mA,可直接驅(qū)動部分電磁閥。
l RS232 接口、以太網(wǎng)接口。
l 支持最多達 12 軸直線插補、任意圓弧插補、螺旋插補。
l 支持電子凸輪、電子齒輪、位置鎖存、同步跟隨、虛擬軸等功能。
l 支持 ZBasic 多文件多任務(wù)編程。
l 多種程序加密手段，保護客戶的知識產(chǎn)權(quán)。
3.2 步進（伺服）電機
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)?span>角位移或線位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為"步距角"，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。
雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。
3.2.1 主要特性
1 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步距角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。
2 三相步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈沖完成。
3 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的*特性。
4 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。
3.2.2 優(yōu)點缺點
l 優(yōu)點：
1． 電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；
2． 電機停轉(zhuǎn)的時候具有的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時）；
3． 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；
4． 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；
5． 由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；
6． 電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；
7． 僅僅將負(fù)載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。
8． 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。
l 缺點
1． 如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；
2． 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。
3. 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩
4. 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。
5. 超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。
第4章 軟件
4.1 軟件介紹
檢測軟件界面包括三維展示區(qū)、文件工具欄、視圖工具欄、運動命令工具欄、3D傳感器工具欄、自動運行工具欄、腳本編輯工具欄、算子命令工具箱（包含點云、識別、測量、數(shù)據(jù)等工具欄）和算子參數(shù)交互列表等。
圖 15 軟件界面
4.2 軟件功能介紹
檢測軟件使用腳本語言控制機床運動和算子組合，通過靈活組合機床運行命令和點云處理算子，快速制定零部件的檢測方案；腳本程序可以軟件觸發(fā)運行，也可以開關(guān)量或者二維碼攜帶變量觸發(fā)運行；能夠與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)進?對?，判定生產(chǎn)加?是否合格，并將檢測分析結(jié)果存儲入數(shù)據(jù)庫。
4.3 算法效率
算法名稱 | 測試數(shù)據(jù)大小M | 輪廓間隔mm | 像素分辨率mm | 耗時s（二進制文件） | 耗時s（文本文件） | 形狀精度mm（直徑） | 位置精度mm（圓心） | 識別率 |
霍夫找圓 | 60 | 0.5 | 0.5 | - | 12 | ±0.5 | ±1.5 | 95% |
模板匹配（CV） | 60 | 0.5 | 0.5 | - | 8 | ±0.5 | ±1.5 | 98% |
模板匹配（底層） | 60 | 0.5 | 0.5 | - | 5 | ±0.5 | ±1.5 | 99.50% |
模板匹配（底層+精定位） | 60 | 0.5 | 0.5 | 3.5 | 5 | ±0.5 | ±1.5 | 99.50% |
60 | 0.5 | 1 | 0.7 | 3 | ±0.5 | ±1.5 | 99.50% | |
60 | 0.5 | 2 | 0.5 | 1.6 | ±0.5 | ±1.5 | 99.00% | |
300 | 0.1 | 0.5 | 4.4 | 11.5 | ±0.1 | ±0.3 | 99.90% | |
300 | 0.1 | 2 | 1.6 | 8.4 | ±0.1 | ±0.3 | 99.50% |
注：輪廓點間隔為0.05mm; 為保證檢測的穩(wěn)定性，形狀精度通過輪廓中點擬合圓的輪廓中點間隔以及輪廓間隔的3倍計算；位置精度通過輪廓間隔的3倍計算。
第5章 案例
5.1 鋁模板孔位測試
鋁模板輪廓尺寸智能測量系統(tǒng)采用非接觸式光學(xué)測量手段采集目標(biāo)對象的圖像信息，通過機器視覺方法處理采集數(shù)據(jù)，直接計算、分析得到模板輪廓尺寸數(shù)據(jù)，測量技術(shù)指標(biāo)主要涉及：局部加工位位置及尺寸數(shù)據(jù)等。
圖 16 軟件界面介紹
通過3D相機采集鋁模板的三維輪廓信息，系統(tǒng)軟件處理3D相機采集的信息，分析得到鋁模板的邊沿位置，通過機床移動3D相機的位置和角度，實現(xiàn)對鋁模板長度、寬度、高度和銑槽尺寸對應(yīng)的邊沿位置的確認(rèn)，從而得到鋁模板長度、寬度、高度和銑槽尺寸的實際參數(shù)。
圖 17 軟件界面介紹
圖 18 軟件界面介紹
