CN103398673B - 一种基于fpga的能动磨盘动态面形采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统及方法，由传感器阵列、采集电路板、上位机电脑构成，其中采集电路版包括多片基于FPGA采集的子板、一片基于FPGA和USB通信的母板。各子板独立负责若干路传感器数据采集；母板负责模拟机床编码器给能动磨盘变形控制系统位置信息，发出同步信息保存各子板某时刻的所有数据，同时寻址各子板，轮番采集各子板采得且已保存的数据并连同位置信息经由USB芯片传送给上位机。本发明能够定量的给出磨盘在加工中某位置处的动态面形，以便计算磨盘面形在某位置处与理论面形之间的误差，可以分析以至改善磨盘面形精度。

Description

一种基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统及方法
技术领域
本发明属于先进光学制造领域，具体涉及的是一种基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统及方法。
背景技术
能动磨盘抛光技术（ComputerControlActiveLap，CCAL）作为一种行之有效的大口径非球面镜面加工方法，上世纪八十年代于Arizona大学研制成功后，在世界范围内已被实际用于口径Φ900mm～Φ8400m镜面的加工。相比于传统的非球面加工方法，CCAL可以显著提高镜面的加工效率和加工质量。在能动磨盘被用于加工镜面前，需要对其面形进行测量以得到各驱动器的影响函数，进而根据能动磨盘在镜面上某位置处研磨时所需要的面形计算所需施加到各驱动器上的电压值。能动磨盘面形测量作为能动磨盘加工系统的关键，直接决定了加工镜面的质量。
传统的能动磨盘检测方式为Arizona大学首先使用的在检测基座上放置微位移传感器阵列，通过机床控制将磨盘初始面形放置在传感器阵列上并记录数据，升起磨盘使之按所需变形，再次将磨盘接触传感器，得到变形后的测量数据，两次相减即为磨盘的面形变化数据。此方法可以采集磨盘的静态面形数据，过去二十余年国内外均采用此方法对能动磨盘的面形进行测量。但能动磨盘加工系统作为一个涉及众多外界因素的复杂系统，单纯的静态面形检测结果对进一步研究磨盘在加工中的实际面形对非球面主镜加工的各种影响显得无能为力。
发明内容
本发明的目的是：克服现有能动磨盘静态面形检测系统的不足，提供一种基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统及方法，能够动态测量能动磨盘连续变形中的面形变化，以便计算磨盘面形在某位置处与理论面形之间的误差，分析以至改善磨盘面形精度。
本发明的技术解决方案是：一种基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统，包括：传感器阵列、采集电路板、上位机；其中采集电路板包括多片基于FPGA的子板、一片基于FPGA和USB通信芯片的母板；各个子板独立负责传感器阵列中若干路传感器数据采集；母板负责模拟机床编码器给能动磨盘变形控制系统位置信息，发出同步信息保存各子板某时刻的所有数据，同时寻址各子板，轮番采集各子板采得且已保存的数据并连同位置信息，再经由USB通信芯片传送给上位机。
所述位置信息是模拟能动磨盘在机床上运动时，机床的径向和轴向编码器传送给磨盘的位置信息。
所述同步信息由母板上FPGA间隔某时间发出，子板接收到该信号后，将当前所采集的各路传感器数据寄存到内部寄存器中，该数据即为母板FPGA从子板读取到的数据，这样可以保证所有的传感器数据均来自同一时刻的面形。
所述子板数目由传感器的数量和选用FPGA的型号决定，传感器数量较少或选用FPGA具有较多的I/O口，均可减少子板的数目。
所述的子板、母板并非仅仅表示独立的电路板，也可以是一块大电路板上负责不同任务的模块;甚至当传感器数量较少或者所选FPGA的I/O口数目较多时，单块板也可完成能动磨盘的动态面形采集任务。
基于FPGA的能动磨盘动态面形采集方法，实现步骤如下：
(1)开启电源，子板、母板工作，建立传感器与上位机的通信，同时母板输出编码器信号；
(2)手动将传感器按下，使之行程超过零点位置，以保证测量精确，完毕后开启磨盘变形使能开关，磨盘在母板输出的编码器信息下变形；
(3)母板发出同步指令和按加工中磨盘速度规律变化的编码器信息，磨盘按加工中的要求变形，同时子板根据同步指令动态采集磨盘面形；
(4)母板轮番寻址各子板，将反映磨盘位置的编码器信息和子板采得的磨盘变形数据经USB接口传送到上位机中，每次同步指令发出，重复此采集过程，即是采集系统的动态工作过程。
本发明的原理：用安装有FPGA的采集母板模拟机床运动时位置编码器的输出，能动磨盘变形控制系统接收到此信号后会变成相应位置处的面形；将几十支安装在基座上的光栅微位移传感器信号分别用数片安装有FPGA芯片的子板采集，母板给出同步信号以冻结各子板同一时刻各传感器的数值；将模拟出的位置信息和各传感器测得的面形数据一并经由USB芯片传送至上位机，即完成了某位置处磨盘面形数据的采集。由母板经一定的时间间隔连续发出同步信号，同时根据能动磨盘实际加工中的运动规律连续发出模拟出的机床编码器信息，即可实现磨盘变形中的面形数据动态采集。
本发明与传统静态测量方法相比优势表现在：
(1)本发明在能动磨盘静态测量的基础之上，采用模拟机床位置编码器的方法，给各子板同步信号，冻结某时刻某已知位置能动磨盘的面形数据然后轮番读取，通过解决能动磨盘面形检测过程中各传感器数值与磨盘所处镜面位置之间同步性的问题，将磨盘的面形测量由原始的静态测量改进为变化中的动态测量，可以直接得到磨盘在动态变形中的面形数据，能够动态测量能动磨盘连续变形中的面形变化。
(2)本发明面形测量与能动磨盘所处位置一一对应，数据更完整、准确。
(3)本发明测量效率提高，连续测量可在短时间内获得多个面形值。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明中子板的典型结构示意图；
图4为本发明中母板的典型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明的主要组成如下：
①高精度微位移传感器阵列；
②负责采集各传感器信号的子板；
③负责产生磨盘编码器位置信息、寻址各子板采样各传感器数据并将编码器位置信息和传感器数据经USB接口传送给上位机的母板。
各个子板独立负责传感器阵列中若干路传感器数据采集，子板的数目应根据传感器数目选择，图1中以6个子板为例；母板负责模拟机床编码器给能动磨盘变形控制系统位置信息，发出同步信息保存各子板某时刻的所有数据，同时寻址各子板，轮番采集各子板采得且已保存的数据并连同位置信息，再经由USB通信芯片传送给上位机。
如图2所示，本发明的采集方法工作流程如下：
①接通所有连线，包括编码器输出连接线接至磨盘控制系统上；
②开启电路板上开关，接通采集板电源，此时母板可自动输出编码器信息；
③按下各个传感器，使之过零，在上位机上可以看出各传感器状态，直至过零结束；
④过零结束后，按下电路板上控制电机运动使能、磨盘变形使能的继电器，使能磨盘变形，继电器同时控制编码器输出位置信息使能，即产生的高电平输出至FPGA某管脚，通过内部软件使能编码器A、B、Z输出；
⑤编码器经使能后，先产生零位信息，即确定磨盘初始位置偏离绝对零位的角度；
⑥零位信息产生后，母板FPGA按固定的运动速度规律产生A、B、Z信号；
⑦母板FPGA产生同步信号，传送给各子板，保存位置信息，冻结各子板传感器数据；
⑧母板发出地址选通指令，依次选通各子板，读取子板中传感器数据，同时USB芯片将数据传送至上位机；
⑨读取结束，发送下一条同步指令，采集下一个面形处的传感器数据；
如图3所示，本发明中，子板的结构如下所示：
每个子板独立负责若干路传感器信号的采集，传感器输出的差分信号连接到子板上的差分接收芯片上输出数字信号，将数字信号连接到FPGA上，经辨向、细分、计数处理后可得传感器的位移数据。同步信号的作用是为了保证各传感器信号的同步性，在FPGA得到同步信号后，将各传感器数据寄存到内部寄存器中，在地址选通信号选中时，将寄存的数据传送给母板，可以保证一次传送的数据为同一时刻采集得到。
如图4所示，本发明中，母板的结构如下所示：
母板负责根据采样频率发送同步信号将各子板传感器数据寄存到FPGA内部寄存器中，同时发出地址选通信号轮番寻址各子板，将各子板的数据接收；母板还要发出能动磨盘的位置编码信息以控制其变形；以及将位置编码信息和各传感器数据同时经由USB芯片发送给上位机。在磨盘变形中对其面形进行采样，实现能动磨盘动态面形采集。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上为本发明常规的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的替换或变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统，其特征在于包括：传感器阵列、采集电路板、上位机；其中采集电路板包括多片基于FPGA的子板、一片基于FPGA和USB通信芯片的母板；各个子板独立负责传感器阵列中若干路传感器数据采集；母板负责模拟机床编码器给能动磨盘变形控制系统位置信息，发出同步信息保存各子板某时刻的所有数据，同时寻址各子板，轮番采集各子板采得且已保存的数据并连同位置信息，再经由USB通信芯片传送给上位机。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统，其特征在于：所述位置信息是模拟能动磨盘在机床上运动时，机床的径向和轴向编码器传送给磨盘的位置信息。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统，其特征在于：所述同步信息由母板上FPGA间隔某时间发出，子板接收到该信号后，将当前所采集的各路传感器数据寄存到内部寄存器中，该数据即为母板FPGA从子板读取到的数据。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统，其特征在于：所述子板数目由传感器的数量和选用FPGA的型号决定，传感器数量较少或选用FPGA具有较多的I/O口，均可减少子板的数目。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统，其特征在于：所述的子板、母板是独立的电路板，或是一块大电路板上负责不同任务的模块；当传感器数量较少或者所选FPGA的I/O口数目较多时，单块子板也可完成能动磨盘的动态面形采集任务。
6.采用权利要求1所述的基于FPGA的能动磨盘动态面形采集系统的采集方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)开启电源，子板、母板工作，建立传感器与上位机的通信，同时母板输出编码器信号；
(2)手动将传感器按下，使之行程超过零点位置，以保证测量精确，完毕后开启磨盘变形使能开关，磨盘在母板输出的编码器信息下变形；
(3)母板发出同步指令和按加工中磨盘速度规律变化的编码器信息，磨盘按加工中的要求变形，同时子板根据同步指令动态采集磨盘面形；
(4)母板轮番寻址各子板，将反映磨盘位置的编码器信息和子板采得的磨盘变形数据经USB接口传送到上位机中，每次同步指令发出，重复此过程，即是采集系统的动态工作过程。
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