支持工業(yè)以太網(wǎng)接口的激光跟蹤儀在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)

肖文磊，王翔宇，張鵬飛，趙罡

隨著智能制造概念的提出，柔性更高，精度更高，效率更高的制造設(shè)備在工業(yè)各領(lǐng)域快速發(fā)展，搭載多種傳感器的工業(yè)機(jī)器人制造設(shè)備被更多地投放到生產(chǎn)當(dāng)中。然而機(jī)器人制造存在剛度不夠?qū)е轮圃炀冉档偷膯?wèn)題，這要求智能制造系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)機(jī)器人的位姿精確定位來(lái)實(shí)現(xiàn)修正，同時(shí)使不同傳感器的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地通信。在機(jī)器人測(cè)量方面，機(jī)器人協(xié)同測(cè)量的技術(shù)以及測(cè)量數(shù)據(jù)處理的技術(shù)是當(dāng)前技術(shù)的研究難點(diǎn)[1-3]。為了在制造過(guò)程中實(shí)時(shí)精確地反映機(jī)器人狀態(tài)，多種傳感器諸如CCD、激光跟蹤儀、激光掃描儀等，都被用到了機(jī)器人末端位姿的測(cè)量過(guò)程中。在文獻(xiàn)[2]中，作者為了解決測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，實(shí)時(shí)性不好的缺陷，提出了一種基于光電掃描的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然解決了實(shí)時(shí)的問(wèn)題卻并沒(méi)有提出總線(xiàn)的概念，無(wú)法更進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)的歸一化處理；在文獻(xiàn)[4]中，作者利用線(xiàn)性光源和CCD照相機(jī)的方式在實(shí)時(shí)監(jiān)視柱面的加工過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程中的在線(xiàn)測(cè)量；在文獻(xiàn)[5]中，作者利用視覺(jué)傳感器替代傳統(tǒng)的CMM來(lái)對(duì)引擎表面的空洞進(jìn)行測(cè)量，解決了制造過(guò)程中的自動(dòng)化和在線(xiàn)測(cè)量問(wèn)題；在文獻(xiàn)[6]中，作者設(shè)計(jì)了一種利用視覺(jué)傳感器和激光跟蹤儀組合測(cè)量的白車(chē)身質(zhì)量在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，提高了測(cè)量系統(tǒng)的柔性，并實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)測(cè)量，但沒(méi)有研究測(cè)量的實(shí)時(shí)性；在文獻(xiàn)[7]中，作者利用兩個(gè)固定的激光掃描系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)獲取工件的關(guān)鍵信息，并以視覺(jué)系統(tǒng)作為輔助，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)度的高速動(dòng)態(tài)測(cè)量；在文獻(xiàn)[8]中，作者利用CCD照相機(jī)監(jiān)視和校正輪軸的磨損，進(jìn)而對(duì)機(jī)械加工過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)償；在文獻(xiàn)[9]中作者針對(duì)機(jī)器人在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的自身參數(shù)變化導(dǎo)致其重復(fù)精度下降的問(wèn)題，提出了一種主要基于視覺(jué)傳感器的在線(xiàn)測(cè)量和補(bǔ)償手段。

利用視覺(jué)的方式對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，是一種比較直觀(guān)的方式，通過(guò)加以圖像處理的算法，可以得到理想精度的位置測(cè)量結(jié)果，但是測(cè)量結(jié)果需要經(jīng)過(guò)繁瑣的算法解析，同時(shí)沒(méi)有強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信的問(wèn)題。因此本文提出一種更加直接的位置在線(xiàn)測(cè)量方法，并首次將EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)的概念引入激光跟蹤儀的使用過(guò)程中，通過(guò)嵌入式模塊將激光跟蹤儀開(kāi)發(fā)成為EtherCAT從站，利用激光跟蹤儀這種直接反映被測(cè)對(duì)象坐標(biāo)的高精度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的位置，省去了解算坐標(biāo)的過(guò)程，同時(shí)可以達(dá)到微米級(jí)的測(cè)量精度和優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本文主要介紹了一種支持工業(yè)以太網(wǎng)接口的激光跟蹤儀在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方法，實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀較高頻率的在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)返回給主站供后續(xù)制造過(guò)程利用。傳統(tǒng)的激光跟蹤儀通過(guò)以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)相連，并在計(jì)算機(jī)上利用第三方提供的商業(yè)軟件來(lái)控制激光跟蹤儀完成測(cè)量任務(wù)。采用得到測(cè)量數(shù)據(jù)后，離線(xiàn)分析處理的方式，不能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)出。激光跟蹤儀提供了底層接口函數(shù)，為激光跟蹤儀的二次開(kāi)發(fā)提供了可能性。為了將激光跟蹤儀接入現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)總線(xiàn)當(dāng)中，就需要這樣一種介質(zhì)，它既可以通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)與激光跟蹤儀進(jìn)行通信，又可以通過(guò)一種方式與EtherCAT總線(xiàn)進(jìn)行通信。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，本文在從站的設(shè)計(jì)過(guò)程中引入了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。

首先，激光跟蹤儀采用TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此需要在嵌入式模塊中設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模塊來(lái)與激光跟蹤儀進(jìn)行通信。本文中選擇DMA9000以太網(wǎng)接口芯片，該芯片采用LQFP-48P封裝，集成10/100 M物理層接口，遵循IEEE802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，IO讀寫(xiě)時(shí)間10 ns，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。其次，為了解決嵌入式模塊與EtherCAT總線(xiàn)的通信問(wèn)題，引入了EtherCAT串行通信終端模塊EL6021與EtherCAT從站控制器EK1100。EL6021端子模塊是德國(guó)倍孚自動(dòng)化公司生產(chǎn)的一種串行總線(xiàn)接口端子模塊，通過(guò)EL6021端子模塊，可以連接帶RS422或RS485接口的設(shè)備，這些設(shè)備通過(guò)耦合器與自動(dòng)化設(shè)備通信，其通信通道獨(dú)立于上一層總線(xiàn)系統(tǒng)，并且可以在全雙工或半雙工模式下工作，其通信速率可以達(dá)到115.2 Kbaud。配置EL6021端子模塊對(duì)象數(shù)據(jù)字典如表1所示。

表1 EL6021的CoE設(shè)置Table 1 CoE configuration of EL6021

本文為了增強(qiáng)接口的抗干擾能力，使信號(hào)經(jīng)過(guò)電氣隔離處理，采用符合RS422協(xié)議規(guī)范的差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣就可以實(shí)現(xiàn)利用全雙工串行通信的方式來(lái)讀取嵌入式主控芯片中的數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)上述的需求來(lái)選擇嵌入式微處理器芯片，最終選擇了Cortex-M3架構(gòu)的32位嵌入式微處理器STM32F103ZE。該處理器具備優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，集成整合性高，并且 可以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信的需求。最終系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。其中微處理器與EL6021間的通信通過(guò)RS422芯片處理，采用全雙工RS422模式，微處理器與激光跟蹤儀的通信通過(guò)DMA9000芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig. 1 General system structure

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要解決EtherCAT激光跟蹤儀從站模塊三端的通信問(wèn)題：1)從站與激光跟蹤儀之間的通信；2)嵌入式微處理器與EtherCAT從站控制模塊的通信；3)EtherCAT從站與EtherCAT主站之間的通信。

首先，從站與激光跟蹤儀之間的通信通過(guò)發(fā)送和解析激光跟蹤儀數(shù)據(jù)報(bào)文的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)從站對(duì)激光跟蹤儀的完全控制以及從站讀取激光跟蹤儀返回的數(shù)據(jù)報(bào)文。激光跟蹤儀數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)從站模塊與激光跟蹤儀的TCP/IP連接，按照激光跟蹤儀接口函數(shù)中的數(shù)據(jù)格式對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理以及對(duì)激光跟蹤儀返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解包處理。在微處理器程序中，將激光跟蹤儀的所有指令根據(jù)其數(shù)據(jù)格式寫(xiě)成不同的接口函數(shù)，處理器通過(guò)解析EL6021端子發(fā)送的Modbus數(shù)據(jù)報(bào)文來(lái)調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)，再通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議將指令發(fā)送給激光跟蹤儀。在本軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)將激光跟蹤儀所有的指令進(jìn)行編號(hào)的方式，簡(jiǎn)化程序的處理過(guò)程。程序流程如圖3所示。當(dāng)嵌入式微處理器解析激光跟蹤儀返回?cái)?shù)據(jù)以后，會(huì)立即實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)按照Modbus報(bào)文格式經(jīng)過(guò)EL6021端子模塊發(fā)送給從站，以供主站實(shí)時(shí)掃描從站獲取激光跟蹤儀返回的數(shù)據(jù)。

圖2 激光跟蹤儀數(shù)據(jù)報(bào)文Fig. 2 Laser tracker data frame

圖3 嵌入式程序工作流程Fig. 3 Embedded system program flow chart

其次，微處理器與EtherCAT串行通信終端EL6021之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議進(jìn)行全雙工串行通信。格式如圖4所示，包含激光跟蹤儀站號(hào)，指令的功能碼，報(bào)文字節(jié)數(shù)，指令參數(shù)以及16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)。在這個(gè)過(guò)程中，主站向從站控制器EK1100發(fā)出相應(yīng)的指令，接著從站根據(jù)主站發(fā)出的指令，生成相應(yīng)的Modbus報(bào)文并通過(guò)EL6021端子模塊將報(bào)文傳送到嵌入式微處理器，微處理器對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析之后做出對(duì)應(yīng)指令的響應(yīng)，生成相應(yīng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送給激光跟蹤儀。

圖4 Modbus數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig. 4 Modbus data frame

最后，EtherCAT從站與EtherCAT主站之間的通信通過(guò)EK1100完成。根據(jù)通信的實(shí)時(shí)性要求，采用過(guò)程數(shù)據(jù)處理的方式(process data object,PDO)來(lái)處理激光跟蹤儀從站所發(fā)回的數(shù)據(jù)報(bào)文。在PLC程序中建立變量與過(guò)程數(shù)據(jù)字典對(duì)象的一一映射關(guān)系，如表2所示。通過(guò)在主站中進(jìn)行PLC編程，在主站中生成Modbus報(bào)文發(fā)送到從站當(dāng)中，并通過(guò)EL6021端子模塊將報(bào)文最終發(fā)送到嵌入式微處理器內(nèi)存當(dāng)中。此外，主站還需要不斷地掃描從站中的過(guò)程數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)時(shí)刷新激光跟蹤儀的狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在主站中建立了兩個(gè)任務(wù)，其中一個(gè)用于前臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，即從站與從站設(shè)備激光跟蹤儀，另外一個(gè)用于后臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，即主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換。后臺(tái)的通信程序主要通過(guò)調(diào)用COMportControl_MASTER函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。前臺(tái)的程序需要實(shí)現(xiàn)串行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)功能[10]。要在不斷循環(huán)的PLC程序中實(shí)現(xiàn)這一功能并考慮到之后使用的便利性，本文采用狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，如圖5所示。在程序中給串行通信定義了3種狀態(tài)，即發(fā)送、延時(shí)和接收。每一種狀態(tài)的結(jié)束會(huì)通過(guò)給變量nState賦值的方式來(lái)迫使程序進(jìn)入下一種狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)了3種狀態(tài)之間的循環(huán)執(zhí)行。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)每一次主站操作只發(fā)送對(duì)應(yīng)指令一次的模式，程序設(shè)計(jì)了指令發(fā)送確認(rèn)變量Com_Confirm以及指令計(jì)數(shù)器變量Com_Counter，通過(guò)設(shè)計(jì)條件語(yǔ)句保證每個(gè)指令在主站一次操作中只被執(zhí)行一次，其對(duì)應(yīng)的條件如表3所示。

圖5 主站程序狀態(tài)機(jī)Fig. 5 Master program state machine

表2 數(shù)據(jù)字典映射關(guān)系Table 2 Object data dictionary mapping

表3 發(fā)送指令判斷條件Table 3 Judgment for sending command

解決了各個(gè)模塊之間的通信問(wèn)題之后，需要對(duì)激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)傳輸最小周期進(jìn)行測(cè)定，以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求。激光跟蹤儀數(shù)據(jù)傳輸周期的測(cè)定實(shí)驗(yàn)通過(guò)示波器進(jìn)行測(cè)定，如圖6所示。每當(dāng)激光跟蹤儀回傳一次測(cè)量結(jié)果，就將微處理器的一個(gè)IO進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，通過(guò)逐漸縮短激光跟蹤儀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸周期的方式來(lái)尋找編程可以實(shí)現(xiàn)的最小數(shù)據(jù)傳輸周期，最終測(cè)定結(jié)果為100 ms，可以滿(mǎn)足較高頻率測(cè)量的要求。

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚≈芷?，就可以進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。如圖7所示，應(yīng)用程序需要在100 ms的數(shù)據(jù)周期內(nèi)，完成對(duì)激光跟蹤儀數(shù)據(jù)報(bào)文的解析，對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給從站控制器并留有一定的時(shí)間余量。這就要求在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該提高應(yīng)用程序的執(zhí)行速度。

圖6 激光跟蹤儀周期測(cè)量Fig. 6 Laser Tracker cycle measurement

經(jīng)過(guò)對(duì)兩端通信的邏輯關(guān)系確定之后，從站應(yīng)用程序工作流程如圖8所示。系統(tǒng)將所有的接收發(fā)送任務(wù)均做了最簡(jiǎn)化處理，來(lái)縮短程序處理數(shù)據(jù)的時(shí)間以盡可能地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性能要求。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，這又從另一方面提高了程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)部創(chuàng)建了激光跟蹤儀數(shù)據(jù)接收和處理線(xiàn)程，主站數(shù)據(jù)接收和處理線(xiàn)程，以及用于狀態(tài)指示的LED線(xiàn)程，可以使嵌入式程序穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

圖7 應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)性要求Fig. 7 Program real-time requirement

圖8 應(yīng)用程序流程Fig. 8 Application flow chart

3個(gè)線(xiàn)程的關(guān)系如表4所示，其中激光跟蹤儀數(shù)據(jù)接收和處理線(xiàn)程和主站數(shù)據(jù)接收和處理線(xiàn)程具備相同的優(yōu)先級(jí)，兩者采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行交替運(yùn)行，確保兩端通信的可靠性，LED燈線(xiàn)程具備低于前兩者的優(yōu)先級(jí)，主要用于指示程序是否正常運(yùn)行。采用這種工作模式，有利于提高軟件運(yùn)行效率和響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)使應(yīng)用程序?qū)哟吻逦鱾€(gè)模塊之間不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的耦合，從而降低了程序卡死的情況，提高了執(zhí)行的效率[11]。

表4 線(xiàn)程主要配置參數(shù)Table 4 Thread configurations

通過(guò)執(zhí)行該應(yīng)用程序，可以建立從站與激光跟蹤儀之間的連接，配置激光跟蹤儀測(cè)量所需要的各種參數(shù)，包括選定測(cè)量模式，補(bǔ)償模式等。完成所有必須的配置之后，再通過(guò)應(yīng)用程序向激光跟蹤儀發(fā)送開(kāi)始測(cè)量指令，之后應(yīng)用程序進(jìn)入接收工作模塊，并且實(shí)時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)在要求時(shí)間內(nèi)通過(guò)串行通信的方式發(fā)送到從站控制器供主站實(shí)時(shí)掃描利用。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

應(yīng)用程序的實(shí)驗(yàn)被測(cè)量對(duì)象為KUKA機(jī)器人，該機(jī)器人用于復(fù)雜零件的增減材制造，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器人運(yùn)行速度為30%，通過(guò)自帶示波器功能將激光跟蹤儀返回坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)連接到示波器當(dāng)中，可以執(zhí)行監(jiān)視數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示。

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境Fig. 9 Experimental environment

測(cè)量結(jié)果如圖10所示，分別監(jiān)視了被測(cè)量機(jī)器人末端的3個(gè)坐標(biāo)數(shù)值(X, Y, Z)，通過(guò)觀(guān)察數(shù)據(jù)的周期性變化，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。局部放大后，根據(jù)階梯形周期性變化規(guī)律，可以得到數(shù)據(jù)刷新的周期為100 ms，與激光跟蹤儀返回?cái)?shù)據(jù)的周期完全匹配，同時(shí)，通過(guò)將示波器數(shù)據(jù)導(dǎo)出對(duì)具體的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析。部分ΔT導(dǎo)出數(shù)據(jù)整理后如表5和圖11所示，表5和圖11示意了圖10所示示波器中經(jīng)過(guò)整理后的原始數(shù)據(jù)。其中，表5中主站數(shù)據(jù)時(shí)間戳由主站自動(dòng)標(biāo)記，從站數(shù)據(jù)時(shí)間戳由解析激光跟蹤儀返回?cái)?shù)據(jù)報(bào)文獲得，從圖表中也可以看出，兩者匹配良好，達(dá)到了預(yù)期的100 ms的反饋周期，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)時(shí)性能。

圖10 示波器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 10 Experimental result of scope view

表5 示波器導(dǎo)出數(shù)據(jù)整理Table 5 Scope exported data collation

圖11 示波器導(dǎo)出數(shù)據(jù)繪圖Fig. 11 Drawing of the exported data from scope

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一種激光跟蹤儀在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)利用嵌入式模塊和EtherCAT從站控制器模塊，將激光跟蹤儀開(kāi)發(fā)成為了一種工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)的從站，使其支持了工業(yè)以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了將激光跟蹤儀接入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，并且實(shí)時(shí)的把測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到總線(xiàn)當(dāng)中的功能。從系統(tǒng)硬件的選擇到軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)都做了詳盡的闡述，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的100 ms的反饋周期，并且具備理想的數(shù)據(jù)精度，可以將系統(tǒng)應(yīng)用于一些需要在線(xiàn)測(cè)量的制造過(guò)程當(dāng)中，從而拓展了激光跟蹤儀的使用范圍。

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