嵌入式镜片磨边机扫描与中心定位系统

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 946.32KB 86 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 论文的研究背景
一副合格的眼镜要依赖于合格的镜片质量、镜架质量、验光水平和镜片磨边
加工 4 部分相结合才能实现。而在眼镜镜片磨边加工的过程中要考虑到：顶焦度、
瞳距、光学中心位置、镜框材料等各方面的因素，因此镜片的磨边工作是一项负
责而又相当重要的一个工作，其质量也日益引起广大消费者的重视。
改革开放后，眼镜行业已逐步引进国外性能好、效率高的机床，节省人力、
时间、提高工效，磨边质量也大为提高。在新一代的镜片磨边机中引进的主要国
外产品有：日本 GRAND 的 GS-75、GS-80 等；德国的 WECD-1066 等；法国的 ESSILOR
的 MBS 等，国内自主研发的有北京玻璃机械厂生产的 YMB 仿形磨边机、南京仪表
机械厂生产的 MBF510、MBF57 仿形磨边机等[1]。
在仿形磨边机之后，近几年产生了使用更方便、自动化程度更高的全自动磨
边机。其中主要是国外的设备，主要有日本 Dia 的 Dia600－SX3 多功能自动磨边
机、西班牙 INDO 公司生产的全自动磨边机、法国依视路的 KAPPA 三维数字式全自
动磨边机[2]。而这种国外引进的全自动磨边机的价格相当昂贵，大都在 20 万左右。
在这种高端眼镜磨边机市场被国外设备占领的情况下，我们有必要尽快自主研究
开发出高效、精确的镜片加工机器。
§1.2 国内外研究动态
随着人们生活水平的不断提高、科学技术的不断发展，人们对眼镜的舒适度、
美观、精度等要求也在不断提高。因此眼镜加工设备也在不断的研究改进中，目
前市场上主要有眼镜片手修磨边机、眼镜片仿形磨边机、全自动磨边机三种类型
的眼镜镜片磨边机。下面我们来具体介绍一下这三种磨边机：
a. 手修磨边机
主要结构特点：此机床为小型台式，金刚石砂轮直接装在电机上，可用自来
水直接冷却。可根据情况随意搬动，砂轮的旋转由按钮开关控制。
b. 眼镜片仿形磨边机，
这类磨边机一般是在模板的基础上加工镜片，控制电路采用模拟电路。该类磨
边机由日本生产设计名为 GS-75 眼镜片仿形磨边机。在此基础上我国北京玻璃机
械厂开发出 YMB 仿形磨边机。
其主要结构特点：根据样板可以自动仿形和倒角，手工装拆镜片；由工件电机
通过两根同步齿形带分别驱动左右工件轴；砂轮轴由砂轮电机通过型三角带带动，
采用金刚石砂轮磨削，分别为平面粗磨砂轮、大倒角砂轮、小倒角砂轮；工件架
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的上下、左移运动由抬移电机通过同轴凸轮控制；磨削时的压力由工件架重力而
产生，压力开关上的弹簧可调节其大小；压力开关分别控制镜片的正反转和间歇
二种磨削方式。光整磨削时间由时间继电器设定；镜片仿形和倒角位置可调，倒
角弯度也可人为调节。
在此基础上北京玻璃机械厂还开发研究了 MBF57 眼镜片仿形磨边机。与原有
磨边机相比较增加了镜片加工过程中的回溃。镜片加工过程中的测量装置是将加
工后的镜片周长记下来，被π除后得到当量直径来计量的。此装置主要通过一个
滚筒和一个圆光栅编码器实现的。测量精度为±0.1mm(指当量直径)。
c. 全自动磨边机
这类磨边机主要由磨边机主机、扫描仪、中心定位仪三部分构成。
其中，扫描仪的作用是利用编码器将各方向运动的位移记录成数据，将数据
组成虚拟的镜框图像。其中包括镜框的形状、大小、弧度等加工参数；主机则将
扫描仪记录的数据经过整合后直观的显示出镜框各个参数，操作者可以根据配镜
处方和镜架类型，调整相应的加工程序和加工方式。再根据调整后的数据对各个
动作电机进行驱动，包括镜片扫描，主砂轮驱动，镜片磨边位置调整，压力控制，
进水控制等动作；中心定位仪的作用是使吸盘定位在镜片的光学中心上[3]。
市场上典型产品分析：
图 1.1 依视路全自动磨边机
图 1.1 所示的产品即为目前市场上的典型产品，它是由法国依视路公司设计制
造的全自动磨边机。图中左侧为该机的中心定位系统，右侧为扫描和磨边系统。
目前这类磨边机的技术主要掌握在日本、法国、西班牙等国家，我国的一些
生产厂家也正在研究开发中。下面我们主要以法国依视路公司设计制造的依视路
全自动磨边机为例来说明这类磨边机的特点。
主要结构特点：
彩色显示屏；
第一章 绪论
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中文显示；
独创数值键直接输入；
图形化标识，见图知义；
自动装夹扫描镜架；
自动压力调节；
自动定位扫描针；
左/右框或双框扫描；
实际大小、方便直观；
直接输入瞳距、瞳高；
电动控制打吸盘。
§1.3 与本系统相关标准
根据 GB 13511-1999《配装眼镜》标准，有如下几个定义我们需要了解：
光学中心水平距离：两镜片光学中心在与镜圈几何中心连线平行方向上的
距离。
光学中心水平偏差：光学中心水平距离与瞳距的差值。
光学中心高度：光学中心与镜圈几何中心在垂直方向上的距离。
光学中心垂直互差：两镜片光学中心高度的差值。
光学中心水平平差：镜片光学中心在水平方向与眼瞳的单侧偏差。
标准中关于光学中心水平偏差有如下规定：
验光处方定配眼镜的光学中心水平偏差必须符合表1.1的规定：
表1.1
水平方向顶焦度绝对值D
0.25～1.00
1.25～2.00
2.25～4.00
4.25～6.00
≧6.25
光学中心水平允差mm
9.0
6.0
4.0
3.0
2.0
其中：验光处方定配眼镜的光学中心水平互差均不得大于表1.1中光学中心水
平允差的二分之一；批量生产老视眼镜需标明光学中心水平距离，光学中心水平
距离的标称值与实测数值偏差应小于±1.0mm；验光处方定配双光眼镜主镜片的光
学中心水平偏差亦必须符合上表的规定，子镜片几何中心水平距离与近瞳距的差
值不得大于2.5mm若配镜者对子镜片顶点高度有特殊要求的，不受上述要求限制[4]。
表1.2
垂直方向顶焦度绝对值D
0.25～1.00
1.25～2.00
2.25～8.00
>8.25
光学中心垂直互差mm
≦3.0
≦2.0
≦1.0
≦0.5
注：镜片的光学中心应位于镜圈几何中心垂直方向上下3mm的范围内。
标准中有关光学中心高度有如下规定：配装眼镜的光学中心垂直互差必须符合
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表1.2中的规定；双光眼镜的子镜片顶点在垂直方向上应位于主镜片几何中心下方
2.5mm至5mm处；两子镜片顶点在垂直方向上的互差不得大于1mm。
第二章 系统总体说明
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第二章 系统总体说明
嵌入式系统是硬件和软件的有机结合，并以硬件的形态表现出来。本章将从软
硬件两个方面入手，介绍该系统的开发环境。
§2.1 系统硬件环境
在毕业设计所研究的系统中硬件由 4 部分组成：核心板、底板、镜框采集系统
和镜片中心定位系统构成。系统整体结构如图 2.1 所示：
图2.1 系统整体结构框图
§2.1.1 核心板
在核心板板上集成有：Samsung S3C2410处理器，两片16M×16位的SDRAM（共
64Mbytes，因为32位寻址，故两片SDRAM的数据总线分别接S3C2410高16位和低16
位数据总线，这样拼成32位SDRAM使用）、一片8M×16位数据宽度的Intel E28F128。
（固定为16位数据读写访问模式，该芯片直接S3C2410低16位数据总线，同时按照
S3C2410处理器芯片资料，NOR FLASH安装在BANK0，也就是0x1000000）。
S3C2410 是三星公司生产的 32 位 RISC 嵌入式处理器，它专为手持设备和一
般应用而设计，能满足嵌入式系统中的低成本低功耗高性能小体积的要求。S3C2
410 使用 ARM920T 核，内部带有全性能的 MMU( 内存处理单元 ) ，它适用于设计
移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。
S3C2410 的工作频率是 203MHz 或 266MHz。S3C2410 片上集成了 16KB 的指令和数据
CACHE、处理虚拟存储器管理的 MMU、外部存储器控制器、触摸屏接口等等。S3C2410
内部集成了 STN 和 TFT 的 LCD 控制器，支持 3 种形式的 LCD 驱动：4 位双扫描、4
位单扫描、8 位单扫描模式。S3C2410 内置有 USB 控制器，其中 1 个 USB Host 和 2
个 USB Slave 控制器，同时与 USB 1.1 规范相兼容[5]。
嵌入式镜片磨边机扫描与中心定位系统
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同步动态存储器(SDRAM)是在现有的标准动态存储器中加入同步控制逻辑(一
个状态机)，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用 SDRAM
不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，它类似
常规的 DRAM，且也需时钟进行刷新。可以说，SDRAM 是一种改善了结构的增强型
DRAM。目前的 SDRAM 有 10ns 和 8ns。在本系统中它的起始地址是 0X30000000。
引导程序、操作系统经过裁减以及开发好的应用程序最后都要烧写到 FLASH
中，在本系统中 FLASH 的起始地址是：0X1000000。
§2.1.2 底板
在底板上主要集成了 DM9000、MAX3232、SP3485 以及 SN74LVC4245 和
MAX629 用来负责电源管理和转换。
网络控制器选用 DAVICOM 公司的 DM9000 快速以太网控制处理器，该处理
器配备有标准 10M 以太网接口，包括 MAC 和PHY。物理层支持以太网接口协议。
由于数据有时是以触发形式收到的，因此，DM9000 还集成有接收缓冲区，以便
在接收到数据时能把数据放到这个缓冲区中，然后由数据链路层直接从该缓冲区
里取走数据。链路层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络
接口卡，它们一起处理与电缆的物理接口细节数据，它的缓冲区可用来暂时存储
要发送或接收的帧。
底板上的MAX3232完成TTL电平与RS-232电平的转换。
MAX3232芯片功耗低，
集成度高，+3.3v供电，具有两个接收和发送通道。使用该模块可以实现嵌入式处
理系统与镜片中心定位仪部分的电路之间的通信。
SP3485是RS-485和RS-422收发器，工作电压为+3.3v，可与+0.5v的逻辑电路共
同工作；允许在同一串行总线上连接32个收发器。
电平转换芯片SN74LVC4245，用来实现5V与3.3V 之间的电平转换，从而为
LCD显示屏等器件提供电源。
MAX629是一种低压转换高压的DC-DC转换芯片，它的输入电压可低至0.8v，
最高不超过|Vout|；输出电压可根据外围电路参数变化在-28v至+28v之间转换，是
一种成本低廉，使用灵活，设计简单的芯片。
镜框采集系统、镜片中心定位系统在以后的章节再进行介绍。
§2.1.3 系统工作过程
系统的工作过程如图 2.2 所示：
第二章 系统总体说明
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图2.2 系统工作示意图
由图中可以看出，首先要进入以 S3C2410 为处理器的嵌入式处理系统，之后
再选择进入镜框数据采集系统、中心定位系统和磨边系统。加工镜片的一般程序
是：
首先进入镜框数据采集系统查询待加工眼镜的镜框数据是否已经存贮在系统
内部，如果数据已经存在则将存在的镜框数据导出，然后直接进入其它处理环节，
若数据不存在则进行镜框扫描和数据处理；
其次进入中心定位系统通过触摸屏输入待加工镜框和人眼瞳距等参数，使吸
盘打在镜片的光学中心上；
最后进入磨边系统设置补偿参数（如：根据镜框材料进行的参数补偿等）、
输入待加工镜框的编号、根据镜框数据进行镜片的磨边工作。
§2.2 系统软件环境
该系统在开发的过程中以 Linux 为开发平台，首先要在 ARM 微处理器中移植
Linux 为操作系统、使用 MiniGUI 来实现界面的设计。在这一章节中将主要介绍
Linux、MiniGUI 和嵌入式 Linux。
§2.2.1 Linux 操作系统
Linux 是一种在网络上产生的操作系统，它与传统的操作系统不同，其内核的
所有源代码都采取了开放源代码的方式，因此全世界几千名的开发者可以通过网
络进行协同开发。Linux 在短期内就成为了一个稳定、成熟、实用的操作系统。
和其他操作系统相比，Linux 操作系统具有以下几个优点：
1．内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、兼容性好。
由于 Linux 操作系统开放源代码的缘故，使得 Linux 的源代码得到众多网络黑
S3C2410处理器镜框采集
查询镜框标号
导入镜框数
据
扫描镜框
镜框数据
中心定位系统
输入参数
给镜片打
吸盘
磨边系统
输入加工参数
加工镜片
N
Y
直接扫描镜框
镜框数据处理 设置补偿参数
嵌入式镜片磨边机扫描与中心定位系统
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客的审查和修改，有着非常好的稳定性，可以胜任 7（天）×24（小时）和 365（天）
×24（小时）等高稳定性应用程序的要求；最新的 Linux 内核支持多种体系结构的
处理器，包括目前流行的 Intel x86、
IBM PowerPC、
ARM、
Compaq Alpha、
SunSPACE
等微处理器体系结构；Linux 平台上的应用软件也在不断地得到扩充，许多著名的
商业软件都有 Linux 下的版本，像办公自动化的 Star Office、文字处理、电子表格
等应用程序都已经纷纷推出。
2．内核可以根据需要任意裁剪。
由于 Linux 操作系统的源代码可以免费获得，并可以进行修改。这就使得修改
Linux 内核满足自己的需要成为可能。
3．使用成本低。
使用商业操作系统都需要为每一个复制支付相当数量的费用，同时在其下的
应用软件也都需要购买才能使用。为了在商业操作系统下建立一个开发环境，除
了要为操作系统本身付费之外，还要为组成开发环境的应用软件支付大量费用。
相比之下，Linux 是免费软件，只需要遵守 GPL（GNU Public License）的规定，
就可以免费获得复制。Linux 下有同样遵循 GPL 规定的汇编（C、C＋＋、Java 等）
软件工具开发包，如 GNU。这样使用 Linux 构建服务器系统或者软件开发环境等，
其软件购买费用几乎可以忽略不计。
4．多专业的商业公司参与，发展潜力大。
Linux 开发源代码的优点使得一大批专业商业公司都参与到对 Linux 的开发
中，如 RedHat、VALinux 等。这些公司一方面参与 Linux 的开发，一方面将 Linux
内核和应用软件整合起来，加入自己的安装和配置管理工具打包发行，这就是常
说的 Linux 发行版本。Linux 的发行版本数量众多，最著名的 Linux 发行版本有
RedHat、Slackware、Mandalaka 等。这些 Linux 发行版本整合了大量的 Linux 应用
软件，并且提供了相对容易的使用和管理界面，极大降低了 Linux 的使用难度。
嵌入式 Linux 就是在嵌入式系统中使用的 Linux，通常是将标准 Linux 进行相
应改造后，再用作嵌入式计算机的操作系统，为嵌入式应用程序提供操作系统服
务[6]。
§2.2.2 Linux 系统在 ARM 处理器 S3C2410 上的移植
在开发的过程中需要根据情况对 Linux 内核代码进行修改移植，下面我们来介
绍Linux 的内核结构，然后介绍 Linux 操作系统在 ARM 平台上移植的过程。
(1)Linux 内核结构
Linux 内核主要由 5个子系统组成：进程、调度、内存管理、虚拟文件系统、
网络接口、进程间的通讯。一般在 Linux 系统中的/usr/src/Linux-2.4.18（-后面是版
第二章 系统总体说明
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本号）目录下就是内核源代码，代码的分布如图 2.3 所示：
图2.3 Linux 内核代码分布图
其中，/arch 子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码。Linux 系统能支持如
此多平台的部分原因是因为内核把源程序代码清晰的划分为体系结构无关部分和
体系结构相关部分。arch 目录包含了体系结构相关部分的内核代码。其中的每一
个目录都代表一种硬件平台，如我们使用的 ARM 平台和 PC 使用的 i386。对于任
何平台都必须包括以下几个目录：
boot：包括启动内核所使用的部分和全部平台特有代码；
kernel：存放支持体系结构特有的（如信号处理和 SMP）特征的实现；
Lib：存放高速的体系结构特有的通用函数的实现；
mm：存放体系结构特有的内存管理程序的实现。
drivers 目录保存了所有设备驱动程序。它占整个内核发行版本代码的一半以
上，有些驱动程序是与硬件平台无关的而有些是相关的。
fs 目录列出了 Linux 支持的所有文件系统。目前 Linux 已经支持包括 ntfs 在内
的多种文件系统。一般来说，文件系统与硬件平台无关。
include 目录中包含了编译核心所需要的大部分头文件，例如与平台无关的头
文件在 include/linux 子目录下。不同的平台需要的头文件也会有所不同，因此该目
录和 arch 目录一样，按平台划分了多个子目录等。
ipc 目录包含了核心进程间的通讯代码。
kernel 目录中存放了内核管理的核心代码，与处理器结构相关的代码都放在
arch/*/kernel 目录下。
lib 目录下包含了与平台无关的如：strlen 和memcpy 之类的通用函数。
mm 目录中包含了所有的内存管理代码，与具体硬件体系结构相关的内存管理
char ext2
video vfat
drivers fs
i386
arm
ipv4
802
arch net
include
init kernel mm ipc
…… …… …… ……
摘要：

第一章绪论-1-第一章绪论§1.1论文的研究背景一副合格的眼镜要依赖于合格的镜片质量、镜架质量、验光水平和镜片磨边加工4部分相结合才能实现。而在眼镜镜片磨边加工的过程中要考虑到：顶焦度、瞳距、光学中心位置、镜框材料等各方面的因素，因此镜片的磨边工作是一项负责而又相当重要的一个工作，其质量也日益引起广大消费者的重视。改革开放后，眼镜行业已逐步引进国外性能好、效率高的机床，节省人力、时间、提高工效，磨边质量也大为提高。在新一代的镜片磨边机中引进的主要国外产品有：日本GRAND的GS-75、GS-80等；德国的WECD-1066等；法国的ESSILOR的MBS等，国内自主研发的有北京玻璃机械厂生产的...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：86 页 大小：946.32KB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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