低温绝热气瓶三维扫描系统的运动控制机构的设计

低温绝热气瓶三维扫描系统的运动控制机构的设计

栾新卫李婷

（济南大学泉城学院山东烟台265600）

摘要：针对低温绝热气瓶具有不锈钢光滑表面且尺寸较大的特点，基于激光扫描三维检测技术，需设计一套三维立体成像检测系统。该系统采用三个CCD摄像机从不同角度同步拍摄低温绝热气瓶表面，采用张正友标定法进行标定建立线性摄像机数学模型可快速获得工件的三维点云数据。最后应用三维重建技术，实现工件的三维可视化检测。为达到扫描过程中运动平稳、反应敏捷且无噪音等要求，设计了扫描运动控制系统。在实际扫描中，通过运控控制卡、电机、丝杠导轨等器件构成的运动机构，带动扫描支架运动，完成对低温绝热气瓶的三维立体成像。

关键词：低温绝热气瓶；运动控制系统；三维重建，三维立体成像

1引言

低温绝热气瓶是存储液态氧等低温液化气体的特种焊接绝热瓶，由于它所具备的安全可靠、便捷和可多次充装的优点，倍受市场欢迎[1]。如果气瓶有裂缝划痕、凹陷等缺陷存在，有可能造成损失，当气瓶的凹陷过大，内外容器壁相互接触时，外界温度通过外壳导热至内胆，瓶内液态气体温度增高，甚至会发生爆炸。所以，设计一套低温绝热气瓶的智能化检测系统具有一定实际应用价值[2]。

2三维扫描系统结构设计

大尺寸工件的三维检测系统结构设计方案如下：选用直径为2.2米的圆环臂扫描支架和三个测头装置支架，测头支架长度约为60cm，滑槽长为40cm，这三个测头装置支架分别以三等分点固定在环臂内侧。每个测头装置支架上分别装有一个位置可以任意调节的摄像机和一个固定的半导体激光器，当气瓶经过扫描支架时，这三个半导体激光器的光源在气瓶表面便可形成环形光带。工控机通过运动控制卡控制伺服电机，伺服电机驱动滚珠丝杠旋转，带动扫描支架上下运动。依据三维物体的高度范围，在自上而下自动扫描的过程中，便可形成多条环形光带（环带的条数与扫描的时间和气瓶的高度成正比）。通过图像采集卡的高速数据采集，得到低温绝热气瓶的完整外观信息，通过对采集的扫描数据进行处理[3]，获得得大量点云数据，采用OpenCv三维视觉技术生成三维立体图像，在工控机上便可以看出气瓶的三维轮廓[4]。

2.1三维扫描系统的主要参数

低温绝热气瓶扫描的技术参数主要有：系统分辨率、扫描时间和检测范围[5]。

分辨率能够反映被测物体的测量精度。系统分辨率决定测量的精度，分辨率越高，测量越准确，就更能清楚看出气瓶表面的各种缺陷。分辨率分为水平分辨率、深度分辨率和垂直分辨率。水平分辨率和深度分辨率与摄像机CCD和图像采集卡的配置有关。对垂直分辨率要求过高，会使扫描时间过长或加快系统扫描速度，扫描速度太快会使整个检测系统数据有堆积，从而使数据处理的速度变慢。为了达到扫描气瓶缺陷要求，需要满足水平分辨率为1mm，深度分辨率0.4mm，垂直分辨率2mm-4mm。因此，本文设计的三维扫描系统选用型号为WAT-535EX2的摄像机和OK_MC30的图像采集卡，该采集卡能够满足扫描系统分辨率的要求。

扫描时间的长短主要与气瓶的高度，垂直分辨率和CCD制式有关[6]。本课题研究的扫描系统的扫描时间需要控制在1分钟以内，本文采用CCD每秒25帧的EIA制式、垂直分辨率为3mm的摄像机，根据气瓶的高度一般为2m，可计算出检测时间少于60秒。

检测范围即扫描尺寸，本系统扫描的该低温绝热气瓶高度为2m，直径0.6m左右。本扫描系统设计的圆环臂直径为2.2m，线性滑轨长度为3m的扫描支架，已足够满足该系统的测量范围。

2.1.3低温绝热气瓶三维立体成像检测系统的组成

本检测系统主要包括图像采集系统、扫描控制系统和计算机处理系统三部分。三维扫描系统是整个检测系统的关键部分，它主要包含机械传动部分和电机驱动控制部分。机械传动部分主要包括双滚珠丝杠、线性导轨等；电机驱动控制部分由伺服电机、驱动器和运动控制卡组成[7]。图像采集系统由计算机、图像采集卡和摄像机组成。运动控制软件利用运动控制卡驱动伺服电机运转，同时图像采集软件控制图像采集卡实现CCD图像采集。通过运动控制软件和图像采集软件的协同工作完成对气瓶的图像信息采集。图像信息经过计算机后期的处理、重建，模拟出气瓶的真实外观。整个检测系统的组成框图如图1所示。

图1三维检测系统的组成框图

2.2三维检测系统的机械设计

扫描系统做上下运动过程中，需要达到运行平稳、位置精度高、噪音小、响应速度快的要求，本文对机械结构进行了具体设计。

检测系统的机械部分主要由线性滑轨、滚珠丝杠、滑块、顶板、限位开关、立柱、底座等组成。该系统机械结构示意图如图2所示：立柱内紧固着滑轨与丝杠，拖板与滑块和滚珠丝杠连接在一起，摄像机和激光器通过圆环臂与拖板相连，电机通过联轴器与滚珠丝杠相连[8]。电机运转时，滚珠丝杠的转动带动滑块做自上而下的匀速直线运动，由于滑块与拖板相连，从而实现了对气瓶的扫描。

基本机械部件具体功能如下：

（1）滚珠丝杠：滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、反向器等组成，它具有高精度、传动效率高、刚性好且摩擦力很小等优点，本课题选用丝杠的作用是将伺服电机的匀速转动转化为系统的直线运动。

（2）线性滑轨、滑块：作为支撑和引导作用，使运动平台做直线运动的部件。本系统选用的线性滑轨是以滚珠为滚动体，由于滚珠在滑轨和滑块之间无限循环滚动，使得圆环臂扫描支架沿着滑轨做高精度直线运动，并降低了摩擦系数，从而保证了扫描系统运动的平缓性且降低了噪音。

（3）限位开关：在本课题中选用了两个限位开关，分别位于扫描支架的顶端与底端，主要起着保护作用。当扫描移动过程中，出现故障，使得滑块带动圆环臂传感器超过设定行程时，限位开关会自动断电，同时停止扫描。

图2系统机械结构示意图

3大尺寸气瓶三维扫描控制系统

3.1运动控制系统的设计方案

根据电机运动的控制方式如图3所示，本文选用的是电机自带的编码器作为检测装置构成半闭环控制系统。伺服电机自带的编码器作为反馈元件，作用是减少软件界面中设定伺服电机的理想转速与实际转速之间的误差，可达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比，半闭环系统价格较低，安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作稳定可靠，几乎无需维修。考虑被检测气瓶的尺寸较大、对位置精度要求不苛刻的特点，没有必要选择价格昂贵的光栅尺作为测量机构构成全闭环控制系统。因此，选择电机自带的光电编码器作为测量机构组成半闭环控制系统。

图3电机运动控制方式

3.2运动控制系统的连接

根据已设计的运动控制方案，确定了系统的组件有伺服电机，驱动器和运动控制卡。

运动控制卡选用的是研华运动控制卡，型号为PCI-1240U，该卡是一款轴步进/脉冲型伺服电机控制卡，它是高速4轴运动PCI控制卡,简化了步进和脉冲伺服运动控制,可以显著的提高电机的运动性能.该卡是用了智能MCX314运动ASIC芯片,能够提供各种运动控制功能。

伺服电机和驱动器，所采用的是三菱系列MR-J3-100A的驱动电机和HF-SP102的驱动器，该电机的转速为2000r/min,额定功率为1000w，具有高速/大转矩特性，速度/位置检测器的编码器分辨率为262144pulse/rev。它是运动控制卡与伺服电机的桥梁，运动控制卡发送脉冲信号给驱动器，驱动器接收到运动控制卡的脉冲信号后按照既定的程序控制电机运转。HF-SP102驱动器是在MR-J2S系列的基础上开发的具有更高性能的伺服系统，其控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制。

图4为运动控制系统的原理图，运动控制卡安装在计算机内部，它与计算机通信的桥梁是PCI总线；轴上接近开关和轴下接近开关信号可以和运动控制卡直接通讯，控制伺服电机的启动与停止；运动控制卡与伺服放大器连接，控制放大器的状态。伺服放大器再将信息传递给运动控制卡。在扫描过程中，电机自带的编码器将位置信息反馈给伺服放大器，放大器再将该信息发送给运动控制卡。因此，整个扫描系统即可实现了计算机、运动控制器、驱动器和电机的一体控制。

图4运动控制系统的原理图

运动控制系统的一体控制，需要各个设备之间的连接，需要连接的设备有：主机和运动控制卡之间的连接、运动控制卡与电机驱动器的连接、电机驱动器与伺服电机的连接。该运动控制系统总的连接图如图5所示：其中，个人计算机里面插有运动控制卡，运动控制卡通过线缆和接线器与伺服放大器相连，伺服放大器通过电机编码器与电机连接。

图5运动控制系统总的连接图

参考文献

[1]张旭萍，张益昕大尺度三维几何尺寸立体视觉测量系统实现.光学学报.2012,32(3).

[2]刘震,张广军,魏振忠.基于双平面标靶的多视觉传感器现场全局校准.机械工程学报.2009,45(7):228-232.

[3]HuangH,LiD,ZhangH,etal.ConsolidationofUnorganizedPointCloudsforSurfaceReconstruction[J].ACMTrans.Graph,2009,28(5):l-7.

[4]李慧凯.基于激光扫描的三维重构关键技术研究:(硕士学位论文).燕山：燕山大学，2013.

[5]ParkJ,DeSouzaGN,KakAC.Dual-beamstructured-lightscanningfor3-Dobjectmodeling.Proc.ofThirdInternationalConferenceon3-DDigitalImagingandModeling,2010,65-72.

[6]篇名：葛宝臻，孙明睿，吕且妮.光带法激光三维人体扫描系统研究.国家自然科学基金(60277009)《光电子•激光》.2003(7):733-736

[7]金利英，朱云.中文核心期刊《计算机视觉系统在工业机器人上的应用》2014，4(1)：122-125.

[8]MichaelPetrov,AndreyTalapov,etal.Optical3DDigitizers:BringingLifetotheVirtualWorld.IEEEComput.Graph.Appl,2008,18(3)：28-37.