幾何精密測量控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量控制器，具體地說是一種幾何精密測量控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]過去幾十年，人類取得重大科技成果，幾乎都與精密加工技術(shù)密切相關(guān)。從某種意義上說，精密加工技術(shù)對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用。由于精密加工要求的加工準(zhǔn)確度和表面質(zhì)量都很高，一定要有相應(yīng)的檢測手段，才能驗(yàn)證是否達(dá)到技術(shù)要求。而對此的測量精度要求非常嚴(yán)格，要求測量精度比加工精度至少高一個(gè)量級，這就要求精密測量技術(shù)的發(fā)展必須優(yōu)先于精密加工技術(shù)。因此精密測量技術(shù)是精密制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一，主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視并積極發(fā)展精密測量技術(shù)。
[0003]在精密測量領(lǐng)域，三坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measuring Machine，CMM)是近50年發(fā)展起來一種高效率的三維測量儀器。三坐標(biāo)測量機(jī)集成了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、軟件、控制、光學(xué)等技術(shù)，是反映當(dāng)今世界精密測量領(lǐng)域最高水平的儀器。其基本測量原理是將各種幾何模型的測量轉(zhuǎn)化為對模型上點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測量，通過軟件將得到的坐標(biāo)位置按一定算法計(jì)算出幾何模型的尺寸、形狀、相對位置等。三坐標(biāo)測量機(jī)可實(shí)現(xiàn)在線檢測、自動測量，以及與加工中心聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)逆向工程，加精密轉(zhuǎn)臺之后可以實(shí)現(xiàn)四軸測量。由于它的測量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接，故有“測量中心”之稱。三坐標(biāo)測量機(jī)作為現(xiàn)代大型精密儀器，已經(jīng)越來越顯示出它的重要性和廣闊的發(fā)展前景。它可方便的進(jìn)行空間三維尺寸的測量。
[0004]三坐標(biāo)測量機(jī)的核心部件是三坐標(biāo)測量機(jī)控制器件，它是實(shí)現(xiàn)高速、高精度準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵之一，對整機(jī)測量精度、運(yùn)動穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)起到?jīng)Q定性作用。其基本原理是:測量機(jī)控制器件根據(jù)預(yù)定的方案，按照上位控制系統(tǒng)做出的決策命令驅(qū)動伺服電機(jī)以確定的位移、速度、加速度及特定的運(yùn)動形式控制測量裝置到達(dá)某個(gè)期望的空間位置進(jìn)行測量。
[0005]目前有以下兩種控制器件:
[0006]1、以單片機(jī)作為核心的測量機(jī)控制器。這類控制器的主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)周期短。其缺點(diǎn)是單片機(jī)運(yùn)動控制器速度慢，精度低。機(jī)柜占體積大，每軸需一塊控制板，無法實(shí)現(xiàn)多軸同步控制，幾乎無控制算法及反饋機(jī)制，因此其只適用于一些低速點(diǎn)位運(yùn)動控制和對軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動控制場合。
[0007]2、以專用運(yùn)動控制芯片PLC作為核心的運(yùn)動控制器。這類運(yùn)動控制器由專用控制運(yùn)動芯片完成速度曲線規(guī)劃、伺服控制算法、編碼器信號的處理等相應(yīng)功能。具有響應(yīng)速度快、系統(tǒng)集成度高、使用元器件少、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是專用運(yùn)動控制器由于受制于芯片的功能，開發(fā)者無法引入復(fù)雜的控制算法，系統(tǒng)開發(fā)的靈活性較小，而且此類運(yùn)動控制芯片的價(jià)格很尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一個(gè)主要方面提供一種幾何精密測量控制器，包括坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)，在坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)上通信連接有探測系統(tǒng)模塊以及機(jī)械系統(tǒng)；所述坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)包括DSP數(shù)控系統(tǒng)以及雙FPGA并行邏輯系統(tǒng)；所述探測系統(tǒng)模塊包括測頭以及控制測頭的測頭控制器；坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)讀取空間坐標(biāo)值，控制探測系統(tǒng)模塊對測頭信號進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測量所必須的運(yùn)動，實(shí)時(shí)監(jiān)控坐標(biāo)測量機(jī)的狀態(tài)以保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性，對坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行幾何誤差與溫度誤差補(bǔ)償以提高坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度。
[0009]所述坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)包括DSP、與DSP通信連接的第一 FPGA和第二 FPGA以及分別于DSP及第二 FPGA通信連接的SRAM，所述第一 FPGA將測頭觸發(fā)信號傳給第二 FPGA ;所述第一 FPGA包括雙口 RAM、測頭信號處理模塊、DA轉(zhuǎn)換接口、I/O接口以及通訊接口 ；所述第二 FPGA包括譯碼模塊、精插補(bǔ)器、測速機(jī)信號處理模塊以及光柵尺信號處理模塊。
[0010]所述測頭信號處理模塊上通訊連接有差分接收模塊，所述I/O接口上通信連接有光耦隔離模塊，所述通訊接口上接有操作手柄。
[0011 ] 所述雙口 RAM通過總線接口與PC機(jī)連接。
[0012]所述精插補(bǔ)器上通信接有DA轉(zhuǎn)換及功率放大模塊，所述測速機(jī)信號處理模塊以及光柵尺信號處理模塊上均接有差分電路。
[0013]所述機(jī)械系統(tǒng)包括X、Y、Z三個(gè)軸，每個(gè)軸上均設(shè)有光柵、溫度傳感器、限位開關(guān)、電機(jī)以及碼盤。
[0014]所述機(jī)械系統(tǒng)還包括第四軸一回轉(zhuǎn)軸C軸，實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)通控制。
[0015]所述DSP數(shù)字信號處理完成以下數(shù)據(jù)運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制功能:
[0016]運(yùn)動控制功能:復(fù)雜運(yùn)動軌跡規(guī)劃與多軸協(xié)調(diào)控制、位置控制、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制濾波完成測量誤差補(bǔ)償；
[0017]觸發(fā)測量信號處理功能:測頭被觸發(fā)時(shí)，接收FPGA鎖存此刻的三軸光柵讀數(shù)，并進(jìn)行誤差補(bǔ)償計(jì)算；
[0018]掃描測量控制功能:處理掃描測頭采集的數(shù)據(jù)，并控制測量機(jī)按照零件表面形狀，保持掃描接觸的方式運(yùn)動；
[0019]通信功能:通過FPGA內(nèi)部的雙端RAM實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換與通訊、控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋；
[0020]速度控制功能:利用加減速算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)動；
[0021]參數(shù)設(shè)置功能:允許用戶對控制系統(tǒng)的各運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與修改；
[0022]輔助功能:接收FPGA的通用I/O離散量信號；
[0023]所述FPGA實(shí)現(xiàn)多路信號并行處理:
[0024]DSP發(fā)送的插補(bǔ)信號經(jīng)處理后輸出電機(jī)驅(qū)動器產(chǎn)生脈沖驅(qū)動信號各軸電機(jī)；接收電機(jī)產(chǎn)生的差分反饋的測速機(jī)信號進(jìn)行處理，發(fā)送給DSP形成閉環(huán)控制；接收光柵位移傳感器信號并記錄實(shí)時(shí)位置，有觸發(fā)信號時(shí)進(jìn)行光柵數(shù)據(jù)鎖存；接收測頭信號并實(shí)時(shí)處理，達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，發(fā)送給DSP進(jìn)行相關(guān)測量操作；接收操作手柄信號進(jìn)行處理并發(fā)送給DSP進(jìn)行手動控制測量；通過雙端口 RAM實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)字信號處理模塊與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊；接收經(jīng)光耦隔離的離散I/O信號輸出到DSP進(jìn)行處理。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)方案克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，同時(shí)還具有三軸同步平穩(wěn)運(yùn)動、抗外部電磁干擾、信噪比高、測量精度高等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示框圖；
[0027]圖2為坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。需要指出的是，這些說明只是示例性的，并不對本發(fā)明構(gòu)成限制。
[0029]如圖1和2所示，一種幾何精密測量控制器，包括坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)，在坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)上通信連接有探測系統(tǒng)模塊以及機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括X、Y、Z三個(gè)軸，每個(gè)軸上均設(shè)有光柵、溫度傳感器、限位開關(guān)、電機(jī)以及碼盤，還可配上第四軸，即回轉(zhuǎn)軸C軸，實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)通控制；坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)包括DSP數(shù)控系統(tǒng)以及雙FPGA并行邏輯系統(tǒng)；探測系統(tǒng)模塊包括測頭以及控制測頭的測頭控制器。
[0030]坐標(biāo)測量機(jī)控制系統(tǒng)包括DSP、與DSP通信連接的第一 FPGA和第二 FPGA以及分別于DSP及第二 FPGA通信連接的SRAM，第一 FPGA將測頭觸發(fā)信號傳給第二 FPGA。FPGA可編程邏輯門陣列實(shí)現(xiàn)同步的三軸電機(jī)控制、編碼器反饋、測量信號處理，使三軸同步平穩(wěn)的按指定軌跡運(yùn)動。
[0031]第一FPGA包括雙口 RAM、測頭信號處理模塊、DA轉(zhuǎn)換接口、I/O接口以及通訊接口 ；測頭信號處理模塊上通訊連接有差分接收模塊，I/O接口上通信連接有光耦隔離模塊，通訊接口上接有操作手柄，雙口 RAM通過總線接口與PC機(jī)連接。雙端口 RAM實(shí)現(xiàn)了 DSP數(shù)字信號處理模塊與上位PC機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，提高了 DSP資源利用率。光耦隔離模塊有效地抑制尖脈沖和各種噪音干擾，從而使過程通道上的信噪比大為提高。
[0032]第二 FPGA包括譯碼模塊、精插補(bǔ)器、測速機(jī)信號處理模塊以及光