基于FPGA的三维测量方法与流程

技术领域

本发明属于三维测量领域，具体是一种基于FPGA的三维测量方法。

背景技术：

三维测量方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式采用的是探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息，从而实现对物体面形的扫描和测量，具体包括三坐标测量机法和电磁数字法。三坐标测量法是现在最通用的测量方式之一。

三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将被测物体置于三坐标测量机的工作台上，当探测头触碰到工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。这种三坐标测量机对控制复杂，运算及处理量大，用一个CPU控制，实时性很难保证，常常由多个CPU并行处理，并且价格较高，设备首次投资大，对操作、维修人员的技术要求较高，同时加工复杂形状的零件时，手工编程的工作量大等工人的要求较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的三维测量方法，能够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。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于FPGA的三维测量方法，PC机中的路径规划信号经过接收模块缓存到FIFO中；然后发送给扫描控制系统，通过FPGA控制步进电机使探测头移动到工件所处的预定位置，再由扫描命令信号控制探测头向某方向移动，当探测头碰触到工件时返回此时三个方向的光栅尺读数，此时光栅尺的读数即为工件的三维位置信息；将三维位置信息经FIFO缓存后再经过发送模块将得到的位置信息发送到PC机。

所述PC机中的路径规划信号包括工件的预定位置信息和控制探测头向某一方向移动的扫描命令信号，具体格式为X轴扫描方向、X轴位置高字节、X轴位置低字节、Y 轴扫描方向、Y轴位置高字节、Y轴位置低字节、Z轴扫描方向、Z轴位置高字节、Z轴位置低字节。

所述扫描控制系统用于控制步进电机、光栅尺和探测头，首先由步进电机带动光栅尺和探测头分别向X方向、Y方向和Z方向移动，当探测头到达工件预定位置时，再由扫描命令信号控制步进电机移动方向，使探测头向指定方向移动，当探测头碰触到工件时返回一个信号，同时读出此时光栅尺的读数。

所述接收和发送两部分采用串行接口，可将PC机发送出来的路径规划信号进行串并转换。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）操作简单，成本低；（2）检测效率高；（3）精确度较高，实用性好；（4）可广泛应用于车间。

附图说明

图1为本发明三维测量仪的基本结构图。

图2为本发明基于FPGA三维测量方法的扫描控制系统实现的流程图。

图3为本发明基于FPGA三维测量方法的发送点数据的格式图。

图4、图5、图6、图7为本发明测量同一点时仿真图。

图8为本发明基于FPGA三维测量方法的系统示意图。

具体实施方式

本发明基于FPGA的三维测量方法，通过PC机发送出数据信号，经过接收模块缓存到FIFO中，这个数据信号包括工件的预定位置信息和控制探测头向某一方向移动的扫描命令信号；数据经过FIFO缓存后进入扫描控制系统中，通过FPGA控制步进电机使探测头移动到工件所处的预定位置再由扫描命令信号控制探测头向某方向移动，当探测头碰触到工件时返回此时三个方向的光栅尺读数，此时光栅尺的读数即为工件的三维位置信息；将三维位置信息经FIFO缓存后再经过发送模块将得到的位置信息发送到PC机。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1、图8，详细介绍了三维测量仪的基本结构和系统示意图。包括工作台1、移动桥架2可以进行X方向移动、中央滑架3可以进行Y方向的移动、Z轴4可以进行Z方向的移动、测头5。具体使用方法为：将工件置于工作台上，由步进电机控制移动桥架、中央滑架和Z轴移动，带动测头和光栅尺移动，再由测头碰触到工件某一点时返回光栅尺数据。

对扫描控制模块地实现作了详细的说明。首先初始化，将Z方向归零（即探测头在Z坐标上为零）；然后将X方向、Y方向归零；此时防止误差，再将Z方向归零；根据接收模块接收到的位置信息，用步进电机控制探测头分别向X方向，Y方向移动；在到达X，Y指定位置后，再将用步进电机控制探测头移动的Z位置；根据接收模块接收到的扫描命令信号，扫描某一方向，当探测头碰触到工件时，读出光栅数值并保存；直到所有点探测结束。

参见图2，详细描述了发送数据的格式。其中，当X扫描方向为00时，表示不向X方向扫描；当X扫描方向为01时，表示向X正方向扫描；当X扫描方向为10时，表示向X负方向扫描。同理，Y扫描方向，Z扫描方向也是这样。

参见图3，图4，图5，图6，为四次测量工件同一位置时所得到的X方向上的光栅尺数据。其中ua, ub为光栅尺两路脉冲信号；rlength为光栅尺读数值；direction为电机转动方向信号；mypluse为电机脉冲信号，控制电机转动频率；cetou为探测头的信号。对比四次仿真图，rlength分别为807、814、814、802，可以看出四次数据的最大误差为12，排除由于电机转动带动工件产生细微移动等原因，本次测量结果较为准确。

具体过程如下：

通过PC机发送出数据信号，经过接收模块缓存到FIFO中，这个数据信号包括工件的预定位置信息和控制探测头向某一方向移动的扫描命令信号；数据经过FIFO缓存后进入扫描控制系统中，通过FPGA控制步进电机、探测头和光栅尺，由步进电机带动探测头和光栅尺移动，使探测头分别向X方向、Y方向和Z方向移动，到达工件所处的预定位置，再由扫描方向信号控制探测头向某方向移动，如果探测头没有碰触到所需测量的工件时，探测头就向相反方向移动，如果探测头碰触到工件时，探测头返回一个信号，同时读取此时三个方向的光栅尺读数，此时光栅尺的读数即为工件的三维位置信息；将三维位置信息经FIFO缓存后再经过发送模块将得到的位置信息发送到PC机。