技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維測量領(lǐng)域，具體是一種基于FPGA的三維測量方法。

背景技術(shù)：

三維測量方法可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式采用的是探測頭直接接觸物體表面，通過探測頭反饋回來的光電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字面形信息，從而實現(xiàn)對物體面形的掃描和測量，具體包括三坐標測量機法和電磁數(shù)字法。三坐標測量法是現(xiàn)在最通用的測量方式之一。

三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。它首先將被測物體置于三坐標測量機的工作臺上，當探測頭觸碰到工件并發(fā)出采點信號時，由控制系統(tǒng)去采集當前機床三軸坐標相對于機床原點的坐標值，再由計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理。這種三坐標測量機對控制復雜，運算及處理量大，用一個CPU控制，實時性很難保證，常常由多個CPU并行處理，并且價格較高，設(shè)備首次投資大，對操作、維修人員的技術(shù)要求較高，同時加工復雜形狀的零件時，手工編程的工作量大等工人的要求較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的三維測量方法，能夠快速地得到工件的尺寸信息，大大提高了工作效率，降低了成本。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于FPGA的三維測量方法，PC機中的路徑規(guī)劃信號經(jīng)過接收模塊緩存到FIFO中；然后發(fā)送給掃描控制系統(tǒng)，通過FPGA控制步進電機使探測頭移動到工件所處的預定位置，再由掃描命令信號控制探測頭向某方向移動，當探測頭碰觸到工件時返回此時三個方向的光柵尺讀數(shù)，此時光柵尺的讀數(shù)即為工件的三維位置信息；將三維位置信息經(jīng)FIFO緩存后再經(jīng)過發(fā)送模塊將得到的位置信息發(fā)送到PC機。

所述PC機中的路徑規(guī)劃信號包括工件的預定位置信息和控制探測頭向某一方向移動的掃描命令信號，具體格式為X軸掃描方向、X軸位置高字節(jié)、X軸位置低字節(jié)、Y 軸掃描方向、Y軸位置高字節(jié)、Y軸位置低字節(jié)、Z軸掃描方向、Z軸位置高字節(jié)、Z軸位置低字節(jié)。

所述掃描控制系統(tǒng)用于控制步進電機、光柵尺和探測頭，首先由步進電機帶動光柵尺和探測頭分別向X方向、Y方向和Z方向移動，當探測頭到達工件預定位置時，再由掃描命令信號控制步進電機移動方向，使探測頭向指定方向移動，當探測頭碰觸到工件時返回一個信號，同時讀出此時光柵尺的讀數(shù)。

所述接收和發(fā)送兩部分采用串行接口，可將PC機發(fā)送出來的路徑規(guī)劃信號進行串并轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：（1）操作簡單，成本低；（2）檢測效率高；（3）精確度較高，實用性好；（4）可廣泛應用于車間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明三維測量儀的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明基于FPGA三維測量方法的掃描控制系統(tǒng)實現(xiàn)的流程圖。

圖3為本發(fā)明基于FPGA三維測量方法的發(fā)送點數(shù)據(jù)的格式圖。

圖4、圖5、圖6、圖7為本發(fā)明測量同一點時仿真圖。

圖8為本發(fā)明基于FPGA三維測量方法的系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明基于FPGA的三維測量方法，通過PC機發(fā)送出數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過接收模塊緩存到FIFO中，這個數(shù)據(jù)信號包括工件的預定位置信息和控制探測頭向某一方向移動的掃描命令信號；數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO緩存后進入掃描控制系統(tǒng)中，通過FPGA控制步進電機使探測頭移動到工件所處的預定位置再由掃描命令信號控制探測頭向某方向移動，當探測頭碰觸到工件時返回此時三個方向的光柵尺讀數(shù)，此時光柵尺的讀數(shù)即為工件的三維位置信息；將三維位置信息經(jīng)FIFO緩存后再經(jīng)過發(fā)送模塊將得到的位置信息發(fā)送到PC機。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。

參見圖1、圖8，詳細介紹了三維測量儀的基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)示意圖。包括工作臺1、移動橋架2可以進行X方向移動、中央滑架3可以進行Y方向的移動、Z軸4可以進行Z方向的移動、測頭5。具體使用方法為：將工件置于工作臺上，由步進電機控制移動橋架、中央滑架和Z軸移動，帶動測頭和光柵尺移動，再由測頭碰觸到工件某一點時返回光柵尺數(shù)據(jù)。

對掃描控制模塊地實現(xiàn)作了詳細的說明。首先初始化，將Z方向歸零（即探測頭在Z坐標上為零）；然后將X方向、Y方向歸零；此時防止誤差，再將Z方向歸零；根據(jù)接收模塊接收到的位置信息，用步進電機控制探測頭分別向X方向，Y方向移動；在到達X，Y指定位置后，再將用步進電機控制探測頭移動的Z位置；根據(jù)接收模塊接收到的掃描命令信號，掃描某一方向，當探測頭碰觸到工件時，讀出光柵數(shù)值并保存；直到所有點探測結(jié)束。

參見圖2，詳細描述了發(fā)送數(shù)據(jù)的格式。其中，當X掃描方向為00時，表示不向X方向掃描；當X掃描方向為01時，表示向X正方向掃描；當X掃描方向為10時，表示向X負方向掃描。同理，Y掃描方向，Z掃描方向也是這樣。

參見圖3，圖4，圖5，圖6，為四次測量工件同一位置時所得到的X方向上的光柵尺數(shù)據(jù)。其中ua, ub為光柵尺兩路脈沖信號；rlength為光柵尺讀數(shù)值；direction為電機轉(zhuǎn)動方向信號；mypluse為電機脈沖信號，控制電機轉(zhuǎn)動頻率；cetou為探測頭的信號。對比四次仿真圖，rlength分別為807、814、814、802，可以看出四次數(shù)據(jù)的最大誤差為12，排除由于電機轉(zhuǎn)動帶動工件產(chǎn)生細微移動等原因，本次測量結(jié)果較為準確。

具體過程如下：

通過PC機發(fā)送出數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過接收模塊緩存到FIFO中，這個數(shù)據(jù)信號包括工件的預定位置信息和控制探測頭向某一方向移動的掃描命令信號；數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO緩存后進入掃描控制系統(tǒng)中，通過FPGA控制步進電機、探測頭和光柵尺，由步進電機帶動探測頭和光柵尺移動，使探測頭分別向X方向、Y方向和Z方向移動，到達工件所處的預定位置，再由掃描方向信號控制探測頭向某方向移動，如果探測頭沒有碰觸到所需測量的工件時，探測頭就向相反方向移動，如果探測頭碰觸到工件時，探測頭返回一個信號，同時讀取此時三個方向的光柵尺讀數(shù)，此時光柵尺的讀數(shù)即為工件的三維位置信息；將三維位置信息經(jīng)FIFO緩存后再經(jīng)過發(fā)送模塊將得到的位置信息發(fā)送到PC機。