CN202599339U

CN202599339U - 一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统

Info

Publication number: CN202599339U
Application number: CN 201120495740
Authority: CN
Inventors: 赖智华; 诸寒梅; 苏长青; 潘勇
Original assignee: Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Current assignee: Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2021-12-02

Abstract

本实用新型涉及一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，它包括底座板、1中继板、2中继板、测头板四大电路板部分，整个系统由外部5V直流电源供电；四块电路板分别采集坐标测量机上的光栅数据，并转换成相对应的角度数据；四块电路板根据测头开关B1和B2的状态来锁存采集的光栅数据；当上位机发送读角度数据的指令时，四块电路板将采集的光栅数据逐级上传，最终由底座板将所有的光栅数据通过USB口发送给上位机。该系统功耗低于4W；电路板体积小，主控板采用模块化设计，维护及维修方便；可同时处理多路角度传感器的输出信息；采用FPGA可编程逻辑控制，引脚可自定义，系统扩展性强。

Description

一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统

技术领域

本实用新型属于数据采集与传输领域，涉及一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统。

背景技术

关节臂式坐标测量机是一种新型的非正交式坐标测量机，关节臂式坐标测量机由多个关节构成，安装有测量探头的测量臂为测量端，可由人牵引在物体表面滑动扫描。机械臂的关节上装有角度传感器，可以实时测量关节的转动角度，根据臂长和各关节的转动角度计算出测量点的三维坐标。与正交式坐标测量机相比，关节臂式坐标测量机具有结构简单、体积小、重量轻、测量范围大、灵活轻便等特点，并可用于现场测量，且可以方便地解决传统正交坐标测量机难于解决的问题，例如对模具、大型机器、飞机等大或重的产品的测量。关节臂式坐标测量机已广泛应用于航天、航空、汽车制造等诸多领域。

目前，国外在关节臂式坐标测量机这一领域已经取得了非常瞩目的成就，美国、法国、加拿大等国家先后研制出了较高精度的关节臂式坐标测量机产品。国内有少数高校和研究机构对关节臂式坐标测量机进行了研究，仅有少数几项研究成果形成了产品，且相关产品的技术指标同国外相比还存在较大差距。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，以FPGA为核心处理器的、能对多路光栅传感器信号进行解码的、实现多个关节无限旋转的、实现数据实时传输功能的系统。

本实用新型为了实现上述目的而采取的技术方案，包括底座板、1中继板、2中继板、测头板四大电路板部分，整个系统由外部直流电源供电；四块电路板分别采集坐标测量机上的光栅数据，并转换成相对应的角度数据；四块电路板根据测头开关B1和B2的状态来锁存采集的光栅数据；当上位机发送读角度数据的指令时，四块电路板将采集的光栅数据逐级上传，最终由底座板将所有的光栅数据通过USB口发送给上位机，当上位机发送温度数据指令时，底座板将采集的温度数据上传给上位机。

底座板由FPGA模块、串口转USB模块、RS232电平转换模块、光栅信号转换模块、温度检测模块和电源模块六部分组成；底座板通过USB口与上位机实现数据通讯，接收上位机所下达的指令，同时将采集数据传输到上位机；底座板通过光栅接口同外部的两个光栅读数头相连，实时采集角度数据；底座板通过I2C接口采集温度传感器的数据；主控板通过导电滑环同1中继板相连，为1中继板提供电源，接收1中继板发送的开关信号，通过RS232接口同1中继板通信，将上位机的指令转发给1中继板，同时接收1中继板返回的测量数据。

1中继板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块和电源模块四部分组成；1中继板通过光栅接口同外部的两个光栅读数头相连，实时采集角度数据；1中继板通过导电滑环同2中继板相连，为2中继板提供电源，接收2中继板发送的开关信号，通过RS232接口同2中继板通信，将底座板发来的指令转发给2中继板，同时接收2中继板返回的测量数据。

2中继板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块和电源模块四部分组成；2中继板通过光栅接口同外部的两个光栅读数头相连，实时采集角度数据；2中继板通过导电滑环同测头板相连，为测头板提供电源，接收测头板发送的开关信号，通过RS232接口同测头板通信，将1中继板发来的指令转发给测头板，同时接收测头板返回的测量数据。

测头板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块、电源模块和测头接口五部分组成；测头板通过光栅接口同外部的一个光栅读数头相连，实时采集角度数据；测头板通过RS232接口同2中继板通信，接收2中继板发来的指令，同时发送测量数据给2中继板。测头板接收测头的开关信号B1和B2，同时将开关信号转发给2中继板。

本实用新型还可以包括这样一些特征：

1、系统的FPGA模块采用ALTERA公司CYCLONE II系列的FPGA芯片EP2C8F256I8N。

2、系统通过USB口同上位机通信，采用CP2102芯片实现串口转USB口。

3、光栅信号转换模块采用AM26C32芯片实现将光栅读数头输出的差分信号转换成单端信号。

4、RS232电平转换模块采用MAX3232芯片实现RS232电平转换成TTL电平。

5、电源转换模块采用两片TPS73701，分别将5V直流电源转换成3.3V和1.2V直流电源。

6、温度检测模块采用AD7416检测电路板的环境温度。

本实用新型一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，具有以下特点：

1、系统功耗低于4W；

2、电路板体积小：底座板外形最大尺寸为100mm*52mm*15mm；中继板1和中继板2外形最大尺寸为50mm*30mm*18mm；测头板外形最大尺寸为45mm*30mm*12mm；

5、主控板采用模块化设计，维护及维修方便；

6、可同时处理多路角度传感器的输出信息；

5、采用FPGA可编程逻辑控制，引脚可自定义，系统扩展性强。

附图说明

图1是本实用新型与上位机、电源、测头以及光栅读数头相连的结构框图。

图2是本实用新型底座板电路的一种结构框图。

图3是本实用新型中继板电路的一种结构框图。

图4是本实用新型测头板电路的一种结构框图。

具体实施方式

下面通过实例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。

结合图1，本实用新型一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，包括底座板、1中继板、2中继板、测头板四大部分。整个系统由外部直流电源供电，外部输入的5V直流电源直接与底座板的电源插座相连，经过底座板上的另一个接插件输出给1中继板，同理1中继板将电源输出给2中继板，2中继板再将电源输出给测头板供电；底座板、1中继板、2中继板、测头板之间的相互连接线的均经过了导电滑环，使得板与板之间的关节可以无限旋转而不会绞线，解决了部分关节无限旋转的需求；板与板之间的连线包括电源线、地线、串口收/发信号线、开关B1信号线、开关B2信号线共6路线；底座板与1光栅读数头和2光栅读数头相连，1中继板与3光栅读数头和4光栅读数头相连，2中继板与5光栅读数头和6光栅读数头相连，测头板与7光栅读数头相连，分别采集各个关节上安装的光栅读数头输出的信号；测头板将数据上传给2中继板，2中继板将数据上传给1中继板，1中继板将数据上传给底座板，最终由底座板将各个关节的角度数据通过USB口上传给上位机。

结合图2，底座板由FPGA模块、串口转USB模块、RS232电平转换模块、光栅信号转换模块、温度检测模块和电源模块五部分组成；整个底座板由底座板上的电源模块供电；

结合图3，1中继板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块和电源模块四部分组成；整个1中继板由1中继板上的电源模块供电；FPGA模块负责对光栅信号进行解码得到角度数据、接收来自底座板的指令、接收来自2中继板的数据和发送将1中继板解码的光栅数据和接收到的2中继板的数据；2中继板硬件结构与1中继板相同；

结合图4，测头板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块、电源模块和测头接口五部分组成；整个测头板由测头板上的电源模块供电；

现在说明本实用新型一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统的实施过程：

首先连接外部5V直流电源，则底座板同时将5V电源通过导电滑环传输给1中继板，同样，1中继板通过导电滑环将电源传输给2中继板，最终将电源传输给测头板供电；5V电源到达四块电路板，根据需要将5V经过各电路板上电源模块转换成各自需要的3.3V和1.2V电压。四块电路板同时启动，开始实时采集各个光栅读数头的输出信号，并转换成角度数据。上位机与底座板通过USB线相连，底座板通过串口转USB模块接收上位机指令，并将上位机指令通过串口转发给1中继板，1中继板接收来自底座板的上位机指令，并将该指令转发给2中继板，同理，2中继板将该指令转发给测头板，这样，上位机指令发出后几乎可以同时到达四块电路板。测头开关B1和B2的信号线与测头板相连，测头开关B1和B2的开关状态由测头板实时检测，并将信号转发给2中继板，2中继板再将信号转发给中继板1，最后由1中继板转发给底座板，四块电路板可以同时检测到测头开关的状态。

当测头开关B1和B2均未按下时，如果上位机发送了读角度数据的指令，则四块电路板收到指令后立即将各自当前采集的光栅数据锁存，测头板将该板采集到的光栅数据发送给2中继板；2中继板该板采集的光栅数据和接收到的测头板发来的数据一起发送给1中继板；同理，1中继板将该板采集的光栅数据和2中继板发送过来的一起发送给底座板，最终底座板将所有光栅数据按照制定的通信协议发送给上位机。

当测头开关B1按下时，四块电路板同时检测到B1按下的状态，则立即锁存当前的光栅数据，在下一次上位机读角度数据的指令到达后将光栅数据逐级上传，最终由底座板将采集到的所有光栅数据上传给上位机。

当测头信号B2按下时，四块电路板同时检测到B2按下的状态，在下一次上位机读角度数据的指令到达后将当前的光栅数据锁存并上传给上位机。

当上位机发送温度数据指令时，底座板将采集到的温度数据上传给上位机。

Claims

1. 一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，其特征在于，包括底座板、1中继板、2中继板、测头板四大部分，整个系统由外部直流电源供电；底座板由FPGA模块、串口转USB模块、RS232电平转换模块、光栅信号转换模块、温度检测模块和电源模块六部分组成；1中继板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块和电源模块四部分组成；2中继板与1中继板结构相同；测头板由FPGA模块、光栅信号转换模块、RS232电平转换模块、电源模块和测头接口五部分组成；四块电路板分别采集坐标测量机上的光栅数据，并转换成相对应的角度数据；四块电路板根据测头开关B1和B2的状态来锁存采集的光栅数据；当上位机发送读角度数据的指令时，四块电路板将采集的光栅数据逐级上传，最终由底座板将所有的光栅数据通过USB口发送给上位机，当上位机发送温度数据指令时，底座板将采集的温度数据上传给上位机。

2.根据权利要求1所述的一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，其特征在于，所述的光栅信号转换模块采用AM26C32芯片实现将光栅读数头输出的差分信号转换成单端信号。

3.根据权利要求1所述的一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，其特征在于，所述的RS232电平转换模块采用MAX3232芯片实现将RS232电平转换成TTL电平。

4.根据权利要求1所述的一种关节臂式坐标测量机用数据采集与传输系统，其特征在于，所述的温度检测模块采用AD7416检测电路板的环境温度。