三维测量系统的设计和应用

本文介绍了一个三维测量系统(3DMS)的架构设计,以及该系统在汽车洗车系统和工控自动化行业的应用。应用范例：1。全自动的水雾洗车系统。整个电气控制系统由。。。构成。通过与3DMS系统的实时通信,PLC在操纵步进电机系统给车身喷洒清洁液的同时,从3DMS系统获取到了整车的三维信息,据此控制若干水雾喷头的开启和移动位置,保证在最大限度地清洁车身的同时节约了用水。。。2。工件尺寸QC系统。。。

三维测量系统的设计和应用

3维测量系统（3 Dimensions Measurement System ,简称3DMS）主要用于非接触式测量工件/产品的几何外形尺寸或者诸如温度，液位等可以用标准的工业模拟量表示的过程参数，在工控自动化/机器人设计/质检等领域有着广泛的应用前景。该系统通过利用从多轴步进电机或者CNC系统的获得的位置信息，结合测量传感器的输出，得到具体的三维信息或过程参数，并和上位机或者嵌入式的CPU结合起来，完成对数据的分析判断和记录等任务。由于测量精度的要求和被测量的产品的特点各不相同，3DMS可以驱动不同类型的测量传感器：如超声波传感器，激光测距传感器和雷达物位计等，并及时把测量的结果上传回计算机或PLC系统进行分析，或者使用3DMS系统自带的半开放式开发环境让用户对嵌入式的CPU使用C语言编程，以便对数据进行实时的分析和处理。

为了适应不同的测量应用场合，3DMS系统在设计的时候就已经考虑到了在相当固定的可扩展的硬件平台上实施最大的可编程灵活性的特殊要求，主控器件使用DSP和FPGA，扩展器件主要是ARM系列的CPU。其中ARM系列的CPU的部分开放代码允许用户自行编写/修改，以便处理测量的数据，系统中最少能保存几十K 的采样数据，并有扩展到更大的容量的能力。DSP和FPGA内的程序由开发商视控科技电子设计工作室根据测量的具体应用而专门设计，同时通过使用灵活的可更换的IO接口模块，使同样的硬件平台通过在线编程就能无缝集成到不同的工控系统中去，实现不同的测量应用。

目前的3DMS 系统主要针对几何轮廓和距离测量而设计，可以和上述传感器以及CNC或多轴的步进/伺服电机系统无缝连接，并通过RS232 接口进行参数设定以及和外界进行实时通讯。通过来自CNC或者电机系统的旋转编码器的信号，3DMS实时获知自己（或者测距传感器）的位置，并把这些传感器的测量结果连同自己的位置一起暂存在自己的内存里，直到收到PC或者PLC的命令后，才把这些数据上传。此外，3DMS系统还可以根据预先的设定，实时输出测量的结果或者经过门槛值比较后的测量结果，以便PLC/CNC系统据此调整传感器的位置或移动的速度或更改测量的流程等操作。

以下范例是3DMS用于连接2

轴步进电机系统的系统结构图

本文介绍了一个三维测量系统(3DMS)的架构设计,以及该系统在汽车洗车系统和工控自动化行业的应用。应用范例：1。全自动的水雾洗车系统。整个电气控制系统由。。。构成。通过与3DMS系统的实时通信,PLC在操纵步进电机系统给车身喷洒清洁液的同时,从3DMS系统获取到了整车的三维信息,据此控制若干水雾喷头的开启和移动位置,保证在最大限度地清洁车身的同时节约了用水。。。2。工件尺寸QC系统。。。

3DMS系统可以分为基本版和高清版。这两个版本均配备两个旋转编码器的输入接口，4路测量传感器的输入接口，PLC/CNC控制命令接口和RS232/RS485 通讯口。高清版还配备高清摄像头，网络接口和全定制的视频分析软件，可以根据传感器的测量的数据和坐标计算出用户感兴趣的区域轮廓的大小。具体的输入路数（测量传感器的数目和旋转编码器的数目），控制命令接口的电平标准等均可由用户定制。基于DSP+FPGA的硬件架构设计保证了在固有的硬件系统的基础上通过重新编程，最大限度地满足客户的全定制的需求。同时，主板+ IO扩展板的连接模式也符合工控系统用户的使用习惯，并能支持不同的接口标准。

3DMS系统为了兼顾系统安装成本和测量精度的要求，同时支持各种精度和接口方式的测量传感器，除了能直接连接工控领域的标准模拟量的输入信号外，3DMS系统还能直接驱动脉冲宽度输出（PWM）型的超声波传感器，并对超声波传感器容易互相干扰的问题作了专门的优化。

3DMS系统还引入了CNC系统中常见的控制命令，支持回零点，切换刀具等操作，这些命令都有软件版本和硬件版本可供客户灵活选用，从而确保3DMS系统可以无缝集成进CNC系统或带有多轴伺服控制系统的PLC系统中去。

借助DSP强大的视频处理能力，高清版的3DMS系统还可以为用户提供全定制的基于视频内容的工控自动化检测，包括但不限于：全自动金属探伤，全自动焊缝裂纹/气泡检查，产品外观（颜色/几何尺寸）的视频检查，全自动视频定位（video positioning )等。以下是3DMS系统的一些具体应用的介绍。

应用范例：

１。全自动的水雾洗车系统。整个电气控制系统由ＰＬＣ ＋ 两轴的步进电机驱动系统 ＋ 基本版的３ＤＭＳ系统构成。通过与３ＤＭＳ系统的实时通信，ＰＬＣ在操纵步进电机系统给车身喷洒清洁液的同时，从３ＤＭＳ系统获取到了整车的三维信息，并在接下来的洗车流程中，据此控制若干水雾喷头的开启和移动位置，保证在最大限度地清洁车身的同时节约了用水。专门为此水雾洗车系统而设计的３ＤＭＳ精简版成本低廉，在满足测控设计要求的同时也考虑到了由用户自行更换有关零部件的简易工装结构，并带有自动自我检测的功能以便客户自行维护，从而为国产的全自动的水雾洗车系统行销世界奠定了基础。

2。工件尺寸QC系统。 整个系统由3DMS的开发商视控科技电子设计工作室负责设计，安装和调试。这个系统由PLC+ 单轴伺服驱动系统 + 装配有激光测距仪的3DMS系统构成。工控系统负责把测距仪移动到预定的区域进行测量，3DMS系统按照预先编好的程式控制激光测距仪并监控激光测距仪的测量结果，通过和预先设定的数据比较，实时评估工件的加工质量，同时3DMS系统还把测量结果通过以太网传回上位机，以便后者把数据放进工厂的QC数据库中。整套系统和工件的生产流水线以及工厂的QC机制联为一体，是电子设计与工控自动化相结合的产物，并为探索具有人工智能型的工控自动化设备的研发做了一个成功的尝试。

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