自动三维坐标测量仪实时控制技术研究
毕业论文关键词 三维测量 Verilog 实时控制 光栅尺
Title Technical study on automatic 3D-coordinate measuring instrument real-time control
Abstract 3D-coordinate measurement technology is being used in many fields, such as gamma knife medical technology, car measurement, the measurement platform for precision machining, on-line and on-the-spot measurement, CAD, CAM and virtual location technology, etc. There have been higher standard and more demand for 3D-coordinate measurement with the rapid development of measurement technology, which results in high-standard of accuracy, real-time, on-line and dynamic way of measurement. This paper elaborates on the coordinate measurement method and design of automatic 3D-coordinate measuring instrument. The project aims to study the data acquisition part of the system. Using Xilinx ISE and Verilog HDL to build modules and run simulations based on test fixture. And Using ChipScope Pro Analyzer to acquire the internal data of FPGA over a JTAG interface. After getting the internal signals of FPGA, the real-time signals sent by the grating scale is acquired. The validity of the design is proved by observing the counting results of the grating scale. Keywords 3D-measurement Verilog real-time control grating scale
目次
1 绪论 .. 1
1.1 概述 1
1.2 自动三维坐标测量仪的发展动态与研究现状 .. 2
1.3 三维坐标测量仪工作原理 3
1.4 本文研究的主要内容 . 4
2 自动三维坐标测量仪坐标测量方案 5
2.1 总体设计方案 . 5
2.2 处理器选型 5
2.3 硬件描述语言与设计过程 7
2.4 Verilog 硬件描述语言 .. 8
3 坐标测量系统的软件开发与仿真 . 10
3.1 Xilinx ISE Design Suite 硬件设计工具 10
3.2 数据读取的软件设计 11
4 实验结果 16
结 论 .. 17
致 谢 .. 18
参考文献 19
1 绪论 1.1 概述 随着测量技术的发展，对于三维坐标测量技术的需求和要求都在提高，这也就使得这项技术越来越往智能化、高精度、高自由度和动态测量的方向上发展。三维坐标测量系统凭借功能强大和使用方便等特点，已经成为了许多测量系统的基础，例如伽马刀医疗技术、精密结构加工的测量平台、现场实时测量、计算机辅助设计、计算机辅助制造、车身检测以及虚拟定位技术等[1]。 三维坐标测量技术属于三维测量技术，又与其他的三维测量技术有着很大不同。根据三维技术原理研发的仪器有激光三维扫描仪、结构光三维扫描仪、三坐标测量机等。光学三维测距法，包括立体视觉，激光三角法，结构光技术，因其非接触、非破坏性的特性而被广泛使用。在所有现有的测距技术中，立体视觉法可能是研究比较多的方法了。然而，以立体为基础的方法的缺点是立体图像的匹配通常是耗时的。因此通过立体图像来实现实时三维形状的重建是很困难的。不像立体的方法，基于结构光技术的方法通常使用简单得多的处理算法。所以，这个方法更有可能实现实时测量。三维形状的实时测量主要有两种途径。一种是使用单一图样，典型的是一个彩色图样。因为使用色彩来给图样编码，所以外形获取的结果在不同程度上受物体表面颜色变化的影响[2]。众所周知，对于任何三维形状测量系统，获得实时又分辨率高的绝对坐标是很困难的。不过，如果只是想检测坐标而不是整体形状，就不会那么复杂。 三坐标测量仪或三坐标测量机就是这样一种可以测量物体坐标和位移的仪器，它的主要组成部分有机台、传动系统、测头系统、长度测量系统等，其中，长度测量系统主要就是各种型号的光栅尺，是整套坐标测量系统中比较核心的部分。光栅尺（linear optical encoder） ，即线性光学编码器，目前使用已非常广泛，尤其在数控机床中，它应用于数控机床的闭环伺服系统，用来检测机床直线轴的实际位移或坐标并与系统发出的指令进行比较，判断是都一致或在允许的误差范围内。所以光栅尺的精度很大程度上决定了机床的加工精度，而它的精度又取决于分辨率。数控产业为了满足不断提高的市场需求和科技发展的需要，很多国家都在不断研发高速数控机床，这也就对自动化加工提出了更高的检测要求。尤其是国产高端数控设备的整体水平取得了非常大的提高，与之相伴的是相应的测量技术的快速发展。纵观数控系统的发展过程，精密测量技术和传感器系统组成的闭环反馈系统与数控设备的加工水平有密切关联。现在国际上数控系统加工精度已经可以稳定在微米级水平，并且正向着纳米级发展。精密测量理论的不断完善，测量设备的不断创新推动着数控加工技术的稳健发展，这也为科学发展，经济繁荣和现代化建设提供了有力的技术储备[3]。 本文研究重点在于坐标测量系统（光栅尺），再加上 FPGA对光栅尺输出的信号进行处理，即可完成坐标数据读取的工作。本文将涉及FPGA选型、软件设计、硬件设计等具体问题。