三坐标测量机通讯控制系统研究

论文摘要

在大型工件外形尺寸的精密测量中,需要多个运动轴带着传感器进行精密的移动,以实现多个尺寸的测量。对于多轴的运动控制系统,需要一个运动控制器,控制多个驱动器来实现多个轴的运动控制。本文分析了烟台中环机电技术开发公司制造的多轴三坐标测量机的机械结构,设计了基于该三坐标测量机的整体运动控制系统;完成了基于FPGA和单片机芯片控制的通讯系统硬件电路设计,进行了通讯系统和数字式控制的软件设计;通过实验验证了系统方案设计的正确性和运动控制的准确性。论文的主要工作如下:1、根据实现的功能,设计了系统的运动控制方案和整体结构。2、完成了基于FPGA和单片机控制的通讯系统硬件电路设计。3、使用Verilog HDL语言,完成了与上位机通讯的数据收发模块编写,实现了和上位机通讯功能;完成了与控制卡通讯的数据收发模块编写,实现了桥接卡与控制卡的通讯功能;根据驱动器的数字式控制方式,完成了速度、位置和匀变减速运动控制模块编写。4、使用C8051F系列单片机,在桥接卡中实现了对FPGA的配置;完成了通讯过程中数据的读取、判断、编码和解码;实现了操作杆输出的模拟信号到数字信号的转换,实现了基于操作杆的速度控制的实现;控制卡中实现了对加速度模块RAM数据的初始化和速度到地址的映射。5、通过数据发送实验验证了通讯系统的稳定性和可靠性;通过单轴电机控制实验,验证了控制方法的可行性;最后通过多轴复合控制实验,验证了整体设计的正确性。经实验,转台速度小于45度/秒时,单轴的角度控制精度0.0012度;直线轴速度小于30毫米/秒时,单轴的直线运动控制精度0.8um,均在两个编码器输出脉冲内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 三坐标测量机简介
• 1.1.1 三坐标测量机的意义
• 1.1.2 三坐标测量机的研究现状
• 1.1.3 三维测量技术演变
• 1.1.4 三坐标测量机的组成及发展趋势
• 1.2 三坐标测量机通讯控制系统简介
• 1.2.1 通讯控制技术概述
• 1.2.2 三坐标测量机控制系统特点
• 1.3 本课题要求
• 第二章 系统运动控制方案设计
• 2.1 计算机
• 2.2 桥接卡
• 2.2.1 板间通讯
• 2.2.2 传感器
• 2.2.3 操作杆
• 2.2.4 气压传感器和防碰撞开关
• 2.3 控制卡
• 2.4 驱动器和电机
• 2.5 三坐标测量机机体要求
• 第三章 桥接卡硬件电路设计
• 3.1 计算机通讯电平转换电路
• 3.2 电源模块
• 3.3 传感器接口电路
• 3.4 操作杆信号和气压、防碰撞控制信号处理电路
• 3.5 备用信号接口电路
• 3.6 单片机控制
• 3.6.1 单片机的选型
• 3.6.2 单片机的晶振电路和配置电路
• 3.6.3 单片机内A/D 转换电路及FPGA 配置电路
• 3.7 FPGA
• 3.7.1 FPGA 的简介与选型
• 3.7.2 FPGA 的配置
• 3.7.3 单片机和FPGA 的访问实现
• 3.8 桥接卡与控制卡的通讯电路设计
• 2C 总线简介'>3.8.1 I²C 总线简介
• 3.8.2 桥接卡与控制卡的通讯电路设计
• 第四章 通讯控制系统软件设计
• 4.1 UART 模块的FPGA 实现
• 4.1.1 UART 发送模块的FPGA 实现
• 4.1.2 UART 接收模块的FPGA 实现
• 2C 总线的FPGA 实现'>4.2 I²C 总线的FPGA 实现
• 4.2.1 总线监视模块的FPGA 实现
• 2C 总线发送模块的FPGA 实现'>4.2.2 I²C 总线发送模块的FPGA 实现
• 2C 总线接收模块的FPGA 实现'>4.2.3 I²C 总线接收模块的FPGA 实现
• 4.3 单片机与FPGA 接口模块的实现
• 4.4 数据传输的通讯协议
• 4.5 桥接卡单片机对上位机信息的读取及处理
• 4.5.1 桥接卡单片机对上位机信息的读取
• 4.5.2 桥接卡单片机对上位机信息的处理
• 4.6 控制卡单片机对上位机信息的读取
• 4.7 控制卡单片机对读取上位机信息的处理
• 4.8 桥接板单片机对控制卡信息的读取和处理
• 4.9 控制卡之间的通讯
• 第五章 电机数字控制及其实现
• 5.1 电机速度控制的数字式实现
• 5.2 FPGA 实现的速度调节
• 5.2.1 速度调节的原理
• 5.2.2 速度模块的实现
• 5.3 FPGA 实现的变速控制
• 5.3.1 变速控制理论
• 5.3.2 查询方式的变速实现
• 5.3.3 加速度模块的实现
• 5.4 FPGA 实现的位置控制
• 5.4.1 位置控制的实现方式
• 5.4.2 位置控制的FPGA 实现
• 5.5 操作杆控制的实现
• 5.5.1 操作杆实现的速度控制
• 5.5.2 操作杆其他控制信号的实现
• 第六章 实验
• 6.1 通讯系统测试实验
• 6.2 单轴位置控制实验
• 6.3 复合运动实验
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 技术展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢