專利名稱：主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天文光學(xué)加工的控制技術(shù)，具體涉及一種主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法。采用該方法可以使主動(dòng)拋光盤的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，本發(fā)明還涉及使用該方法的設(shè)備主動(dòng)拋光盤。
背景技術(shù)：
在高精度的大型光學(xué)系統(tǒng)中，往往需要大口徑的非球面或離軸非球面的光學(xué)鏡面，由于非球面各點(diǎn)的曲率半徑不同，即使在同一點(diǎn)上，不同方向的曲率亦不相同，所以加工非球面不能象球面加工那樣，采用較大的研磨工具。采用傳統(tǒng)的方法，用手工或計(jì)算機(jī)控制小工具磨盤修磨非球面鏡面，面臨著高頻切帶、精度不高、加工周期長(zhǎng)等問(wèn)題。
采用主動(dòng)拋光盤(active stressed lap)來(lái)磨制非球面光學(xué)鏡面是天文大鏡面技術(shù)中的一種新技術(shù)。這一技術(shù)的原理是在大口徑非球面鏡面磨制過(guò)程中，根據(jù)拋光盤相對(duì)被磨制鏡面的坐標(biāo)，主動(dòng)實(shí)時(shí)的將拋光盤變形為鏡面上相應(yīng)部分的非球面，使拋光盤的面形總是與所要求的鏡面面形一致，于是就可以像加工球面和平面一樣加工出深度的光學(xué)非球面鏡面。與傳統(tǒng)的小工具磨盤磨制非球面相比，它具有較高的玻璃磨削速率和較大頻率范圍內(nèi)的自然平滑(無(wú)切帶)等優(yōu)點(diǎn)。
主動(dòng)拋光盤技術(shù)的研究首先在美國(guó)亞歷桑那大學(xué)Sterward天文臺(tái)鏡面實(shí)驗(yàn)室獲得了成功。1998年由S·C·West、H·M·Martin等發(fā)表的“Practicaldesign and derformance of the stressed lap polishing tool”一文中，敘述了主動(dòng)壓力拋光盤原理和特點(diǎn)，但對(duì)如何控制的硬件和軟件幾乎沒(méi)有涉及，僅僅給出了概念性的控制框圖(見(jiàn)附件的掃描件)。目前在國(guó)際上除了美國(guó)，還有英國(guó)和北歐等少數(shù)國(guó)家的大學(xué)或天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了這一技術(shù)。
1997年，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所所長(zhǎng)崔向群研究員為組長(zhǎng)的“九·五”國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高精度大口徑天文鏡面磨制技術(shù)”課題中，研制具有主動(dòng)壓力拋光功能的一米光學(xué)磨鏡機(jī)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)7年時(shí)間的研究和運(yùn)行，這項(xiàng)技術(shù)獲得了成功。
2003年，利用該拋光盤磨制出一塊口徑Φ910mm，焦比F/2的拋物面鏡，鏡面面形精度RMS≤λ/30，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
2005年，承擔(dān)國(guó)家大科學(xué)工程LAMOST望遠(yuǎn)鏡的檢驗(yàn)鏡的磨制任務(wù)，鏡面面形精度RMS≤λ/40。
使用主動(dòng)拋光盤磨制非球面從很大程度上提高了鏡面磨制的效率，并且提高了鏡面的精度。但是在對(duì)拋光盤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及實(shí)際鏡面磨制的過(guò)程中，該系統(tǒng)的面形控制力促動(dòng)器暴露出一些不足1、主動(dòng)拋光盤的轉(zhuǎn)速還不能太快，一般運(yùn)行在2轉(zhuǎn)/分，過(guò)高的旋轉(zhuǎn)速度將引起拋光盤盤面面形精度的降低，這是因?yàn)橹鲃?dòng)拋光盤面形控制的力促動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，影響了鏡面磨制的效率和精度，2、促動(dòng)器控制系統(tǒng)復(fù)雜，使得拋光盤體積大、重量重，使光學(xué)加工過(guò)程中需要的壓模、修模等工作比較麻煩。
3、用現(xiàn)有的控制配置，設(shè)備成本較高，每套促動(dòng)器拉力單元器件成本約6000元，現(xiàn)需采用12套，則需72000元之多，加上其他控制配置和較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)加工，制作主動(dòng)拋光盤的成本是較高的，不利于廣泛推廣應(yīng)用。
主動(dòng)拋光盤的控制特別要強(qiáng)調(diào)控制的實(shí)時(shí)性，主動(dòng)拋光盤的面形誤差實(shí)際上包括靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差二個(gè)部分，正確的數(shù)學(xué)建?？梢蕴岣邟伖獗P面形靜態(tài)精度，而優(yōu)良的機(jī)械、控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與提高拋光盤面形動(dòng)態(tài)精度密切相關(guān)。例如，根據(jù)美國(guó)亞歷桑那大學(xué)Steward天文臺(tái)鏡面實(shí)驗(yàn)室(SOML)S·C·West、H·M·Martin等發(fā)表的“Practical design and derformance of thestressed lap polishing tool”一文中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主動(dòng)拋光盤面形控制的力促動(dòng)器，在實(shí)際使用的過(guò)程中暴露出一些問(wèn)題，其中最大的問(wèn)題是動(dòng)態(tài)響應(yīng)太慢，圖1是對(duì)一組力促動(dòng)器進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試的響應(yīng)曲線圖，給促動(dòng)器加力，從100N增加到400N，記錄下實(shí)際加力的動(dòng)態(tài)曲線。因此在磨制鏡面時(shí)，使用時(shí)需要采取動(dòng)態(tài)響應(yīng)補(bǔ)償并且同時(shí)降低轉(zhuǎn)速?gòu)亩ＷC鏡面磨制的精度。一般鏡面磨制時(shí)，拋光盤的轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/分，如果進(jìn)一步加快速度，將會(huì)影響面形的精度。圖2和圖3分別是轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/分和7轉(zhuǎn)/分時(shí)給定理想力與實(shí)際輸出力的比較圖。
在磨制更大非球面度離軸拋物面時(shí)，為了獲得精確的面形變形精度，主動(dòng)拋光盤的加力范圍更大，拋光盤動(dòng)態(tài)變形的數(shù)值也變大，磨制的工藝也更加復(fù)雜，利用目前的系統(tǒng)，采去動(dòng)態(tài)響應(yīng)校正的方法已無(wú)法達(dá)到鏡面的精度要求。
此外，主動(dòng)拋光盤是數(shù)控光學(xué)磨鏡機(jī)的一個(gè)重要工具，它是機(jī)電一體化很緊密的一個(gè)機(jī)電部件，它的控制器必須裝載在已經(jīng)十分擁擠的拋光盤的盤面背部，拋光盤在進(jìn)行工作時(shí)，整過(guò)拋光盤是壓在光學(xué)鏡面上，而拋光盤對(duì)鏡面的壓力不能太大，否則將增加主動(dòng)拋光盤壓力控制系統(tǒng)的難度，有時(shí)水、研磨劑還會(huì)濺到力控制器，過(guò)大的體積將影響力促動(dòng)器的維護(hù)難度，從控制和使用角度也需要主動(dòng)拋光盤的體積減小、重量減輕。圖4是正在加工中的主動(dòng)拋光盤，由于盤面控制機(jī)構(gòu)和控制硬件過(guò)于復(fù)雜，裝載在拋光盤背面的“盤載系統(tǒng)”也比較復(fù)雜，其總重量達(dá)到了60kg，這對(duì)于主動(dòng)拋光盤的大非球面度的變形控制和壓力控制都帶來(lái)了困難，使用也不很方便。

發(fā)明內(nèi)容
為了將主動(dòng)拋光盤技術(shù)更加成熟化，我們不再采用美國(guó)文獻(xiàn)中有關(guān)力控制器的設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用新的控制結(jié)構(gòu)，采用新型的單片微機(jī)的智能功能，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，加快拋光盤面形控制速度，并將拋光盤力促動(dòng)器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，從而縮小拋光盤的體積，減輕了拋光盤的重量，并且從經(jīng)濟(jì)角度上減少主動(dòng)拋光盤的設(shè)計(jì)成本。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明的目的是提供一種主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法，該方法采用自動(dòng)控制技術(shù)，按照大口徑、非球面鏡面磨制的設(shè)計(jì)要求，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)主動(dòng)拋光盤在橫梁軸的位置和主動(dòng)拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際角度，主動(dòng)實(shí)時(shí)地對(duì)拋光盤上的力促動(dòng)器組施加不同的拉力，使拋光盤變形為鏡面上相應(yīng)的非球面面形，使拋光盤的面形總是與所要求的鏡面面形相一致。以便克服傳統(tǒng)技術(shù)主動(dòng)拋光盤的轉(zhuǎn)速過(guò)低、主動(dòng)拋光盤面形控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、促動(dòng)器控制系統(tǒng)復(fù)雜，體積大、重量重，以及設(shè)備成本較高等不足。
為了完成上述發(fā)明任務(wù)，本申請(qǐng)改變傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采取的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)(即電流環(huán)，速度環(huán)和拉力環(huán))，避免采用多環(huán)結(jié)構(gòu)；采取兩環(huán)控制系統(tǒng)拉力環(huán)和電流環(huán)。
具體地說(shuō)，本發(fā)明的方案是主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法，包括以下步驟計(jì)算機(jī)根據(jù)主動(dòng)拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際位置，連續(xù)不斷地將數(shù)據(jù)和控制指令傳送給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)拉力數(shù)據(jù)及控制指令，控制拉力電機(jī)開(kāi)始工作；控制電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，套在滾珠絲桿上的螺母直線移動(dòng)推動(dòng)杠桿從而收緊鋼絲繩；拉力傳感器測(cè)量鋼絲繩的張緊力；力傳感器的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換傳輸給單片機(jī)；同時(shí)，控制電機(jī)的電流信號(hào)反饋給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)反饋的拉力和電流值進(jìn)行PID計(jì)算，將信號(hào)傳輸給功率放大電路；功率放大電路將放大后的信號(hào)傳輸給控制電機(jī)；控制電機(jī)根據(jù)該信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)速，以調(diào)整對(duì)鋼絲繩的拉力。
主動(dòng)拋光盤在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于鋼絲繩的不斷改變，使拋光盤的面形變化，保持主動(dòng)拋光盤的面形與所拋光的光學(xué)鏡面的貼和部份完全一致；拋光盤的轉(zhuǎn)速越快，拋光盤的面形變化也越快；以上方法中，對(duì)于涉及到單片機(jī)的各步驟，本發(fā)明推薦以下具體操作，作為本發(fā)明力控制方法的優(yōu)化方案新型單片機(jī)LPC938初始化，配置為內(nèi)部晶振和內(nèi)部復(fù)位；配置LPC938 P0口以及P1.1、P1.2為輸入口，讀取數(shù)字接口卡的10位給定拉力信號(hào)；
對(duì)LPC938的AD00進(jìn)行配置，將AD00對(duì)應(yīng)的管腳配置為僅為輸入狀態(tài)，禁止數(shù)字信號(hào)，通過(guò)ADMODA設(shè)置AD轉(zhuǎn)換模式為立即啟動(dòng)，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在AD0DAT0R和AD0DAT0L，AD0DAT0R存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的7:0位，AD0DAT0L存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的9:2位；連續(xù)AD采樣5次，并采用防脈沖干擾平均值法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；同樣對(duì)AD01進(jìn)行AD配置，對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200的電流檢測(cè)輸出信號(hào)進(jìn)行AD采樣，采樣結(jié)果保存在AD0DAT1R和AD0DAT1L。
對(duì)LPC938的CCU單元進(jìn)行設(shè)置，配置成非對(duì)稱的PWM輸出，將PWM對(duì)應(yīng)的管腳設(shè)置為推挽輸出模式，設(shè)置CCU定時(shí)器重裝值，即PWM頻率。
根據(jù)給定的拉力信號(hào)以及反饋的拉力和電流信號(hào)，根據(jù)增量式PID算法計(jì)算并轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)；PWM信號(hào)輸出給LMD18200，通過(guò)該芯片控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制鋼絲繩的拉力。
本發(fā)明提供的主動(dòng)拋光盤，其特征在于，一面為拋光面，另一面設(shè)有主動(dòng)壓力動(dòng)態(tài)變形機(jī)構(gòu)12個(gè)力促動(dòng)器，每個(gè)力促動(dòng)器包括控制器和控制電機(jī)，每三個(gè)控制電機(jī)組成一組加力組，一共有四個(gè)加力組，均勻地分布在金屬盤的四周，每個(gè)控制電機(jī)的主軸分別與一螺桿聯(lián)結(jié)，螺桿上的螺母通過(guò)杠桿與鋼絲繩聯(lián)結(jié)，鋼絲繩與主動(dòng)拋光盤背面的固定點(diǎn)固定聯(lián)結(jié)；所述的力促動(dòng)器控制器結(jié)構(gòu)是每根鋼絲繩的一端分別設(shè)有拉力傳感器，所有拉力傳感器的輸出經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)的輸出經(jīng)功率放大電路分別接各個(gè)電機(jī)；各控制電機(jī)的電流強(qiáng)度信號(hào)接單片機(jī)。
本發(fā)明的主動(dòng)拋光盤與傳統(tǒng)技術(shù)的主要區(qū)別特征是1、去除了測(cè)速機(jī)，所以大幅度減輕了其重量，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)；2、將力控制器由三環(huán)控制系統(tǒng)改為兩環(huán)控制系統(tǒng)，提高了響應(yīng)速度，也簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的主動(dòng)拋光盤結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步細(xì)化，其特征在于，對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)的處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及對(duì)拉力傳感器信號(hào)的處理三部分功能集中在一塊電路組件上，成為拋光盤專用的力促動(dòng)控制器。
更具體和更優(yōu)化地說(shuō)，所述的力促動(dòng)器控制器的CPU采用LPC938芯片；單片機(jī)采用P89LPC938芯片，該單片機(jī)的PWM口外接含有死區(qū)功能和驅(qū)動(dòng)功能的專用集成電路。
本發(fā)明的有益效果傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采取的是典型的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即電流環(huán)，速度環(huán)和拉力環(huán)。這種三環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是對(duì)控制作用的響應(yīng)較慢，這是因?yàn)槊看斡蓛?nèi)環(huán)設(shè)計(jì)到外環(huán)，都要采用內(nèi)環(huán)的等效環(huán)節(jié)，而這種等效傳遞函數(shù)之所以能夠成立，是以外環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)為先決條件的，拉力環(huán)的截止頻率往往被限制的太低，從而影響了系統(tǒng)的快速性。因此三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只適用于對(duì)快速響應(yīng)要求不高的地方；本發(fā)明考慮到拋光盤設(shè)計(jì)的要求，按照體積小，載荷輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的目的效果，對(duì)力促器控制器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，把對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)的處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及對(duì)拉力傳感器信號(hào)的處理三部分功能集中在一塊電路組件上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，把它做成拋光盤專用的力促動(dòng)控制器。在該控制系統(tǒng)中，采取了兩環(huán)控制系統(tǒng)拉力環(huán)和電流環(huán)。在鏡面拋光過(guò)程中，當(dāng)拋光盤的轉(zhuǎn)速不高時(shí)，拉力電機(jī)的轉(zhuǎn)速不是很快，速度環(huán)的作用不是很大，但是去除了測(cè)速機(jī)后，當(dāng)給定力矩變化很大時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生力矩過(guò)沖，影響面形控制的精度，既要取消速度環(huán)又要獲得快速的力矩特性，這是本發(fā)明對(duì)力控制器研究的設(shè)計(jì)思想。去掉速度環(huán)主要還因?yàn)橐韵聨c(diǎn)因素一是可以不使用用測(cè)速機(jī)，減輕了拋光盤的重量，減小拋光盤的體積；二是去掉速度環(huán)可在一定程度上加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度；三是節(jié)省了科研經(jīng)費(fèi)。
對(duì)改進(jìn)后的力促動(dòng)器控制器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)附圖圖11是階躍響應(yīng)測(cè)試圖。圖12是轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分時(shí)給定理想力與實(shí)際輸出力的比較圖。與圖1和圖3相比可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快了很多。
本發(fā)明力促動(dòng)器控制器的體積只是傳統(tǒng)技術(shù)的五分之一，現(xiàn)在控制系統(tǒng)由一塊電路板組成，長(zhǎng)寬分別為100mm、70mm，可以很方便的裝在拋光盤的背面。并且控制器的造價(jià)也只為傳統(tǒng)技術(shù)的八分之一左右。
對(duì)主動(dòng)拋光盤的變形力促動(dòng)器控制器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，這種拋光盤可以加工出更大非球面度的高精度的天文鏡面。


圖1電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線；圖2當(dāng)主動(dòng)拋光盤以2轉(zhuǎn)/分速度時(shí)給定力a與輸出力b的關(guān)系曲線；圖3當(dāng)拋光盤轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分速度時(shí)給定力a與輸出力b的關(guān)系曲線；圖4主動(dòng)拋光盤12組力促動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖5一組力促動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖6力促動(dòng)器控制系統(tǒng)方案示意圖；
圖7力促動(dòng)器的硬件原理圖；圖8單片機(jī)主程序流程圖；圖9PID計(jì)算程序流程圖；圖10是階躍響應(yīng)測(cè)試圖；圖11轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分時(shí)給定理想力與實(shí)際輸出力的比較圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，力促動(dòng)器控制器的硬件結(jié)構(gòu)，參照?qǐng)D7控制電機(jī)1的主軸分別與一螺桿聯(lián)結(jié)，螺桿上的螺母通過(guò)杠桿3與鋼絲繩4聯(lián)結(jié)，鋼絲繩4與主動(dòng)拋光盤背面的固定點(diǎn)固定聯(lián)結(jié)；所述的力促動(dòng)器控制器結(jié)構(gòu)是每根鋼絲繩的一端分別設(shè)有拉力傳感器5。圖中，2為電機(jī)座，6為調(diào)節(jié)器。
力促動(dòng)器硬件的具體細(xì)節(jié)是單片機(jī)選用了PHILPS公司的P89LPC938，它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件；并且集成了8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，并且提供PWM口，這樣就不需要另外附加的A/D芯片，減小了電路板的體積。
參照?qǐng)D1～圖10計(jì)算機(jī)信號(hào)處理部分主要通過(guò)xilinx XC9572完成對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)的鎖存和緩沖。拉力傳感器輸出的是弱信號(hào)，必須對(duì)其進(jìn)行放大處理，此處的放大器選用AD524芯片，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，如共模抑制比高；非線性誤差小；輸入阻抗高，低噪聲，低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移，并帶差動(dòng)輸入，可變?cè)鲆孑敵?，非常適合對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。拉力傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，反饋到單片機(jī)。拉力反饋以及電機(jī)的電流反饋采用了單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換。對(duì)反饋信號(hào)的PID調(diào)節(jié)由單片機(jī)完成。
使用單片機(jī)的PWM口，外接含有死區(qū)功能和驅(qū)動(dòng)功能的專用集成電路，這對(duì)于小型直流電動(dòng)機(jī)的控制，其電路非常簡(jiǎn)單。在該系統(tǒng)中采用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LMD18200。該芯片內(nèi)部集成了四個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)設(shè)過(guò)熱報(bào)警輸出和自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)電路，同時(shí)該芯片還具有電流檢測(cè)輸出功能。
單片機(jī)主程序控制的流程圖介紹，參照?qǐng)D8力促動(dòng)器控制器的CPU采取的是PHILIPS公司的LPC938芯片，該芯片內(nèi)部集成了A/D、PWM等功能，并且運(yùn)行速度較快，非常適合力促動(dòng)器的需要。單片機(jī)程序中，對(duì)電流和拉力反饋信號(hào)進(jìn)行PID計(jì)算從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制是程序控制的一個(gè)主要部分。
圖9是PID計(jì)算部分的程序流程圖。
Steward天文臺(tái)鏡面實(shí)驗(yàn)室(SOML)S·C·West、H·M·Martin等發(fā)表的“Practical design and derformance of the stressed lap polishing tool”一文中的控制系統(tǒng)的點(diǎn)滴介紹。
對(duì)這組力促動(dòng)器進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10、11。圖10力促動(dòng)器階躍響應(yīng)測(cè)試圖。圖11為轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分時(shí)，給定理想力a與實(shí)際輸出力b的比較圖。
權(quán)利要求
1一種主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法，包括以下步驟計(jì)算機(jī)根據(jù)主動(dòng)拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際位置，連續(xù)不斷地將數(shù)據(jù)和控制指令傳送給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)拉力數(shù)據(jù)及控制指令，控制拉力電機(jī)開(kāi)始工作；控制電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，套在滾珠絲桿上的螺母直線移動(dòng)推動(dòng)杠桿從而收緊鋼絲繩；拉力傳感器測(cè)量鋼絲繩的張緊力；力傳感器的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換傳輸給單片機(jī)；同時(shí)，控制電機(jī)的電流信號(hào)反饋給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)反饋的拉力和電流值進(jìn)行PID計(jì)算，將信號(hào)傳輸給功率放大電路；功率放大電路將放大后的信號(hào)傳輸給控制電機(jī)；控制電機(jī)根據(jù)該信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)速，以調(diào)整對(duì)鋼絲繩的拉力；主動(dòng)拋光盤在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于鋼絲繩的不斷改變，使拋光盤的面形變化，保持主動(dòng)拋光盤的面形與所拋光的光學(xué)鏡面的貼和部份完全一致；拋光盤的轉(zhuǎn)速越快，拋光盤的面形變化也越快。
2.按照權(quán)利要求1所述的主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法，其特征在于，其中涉及到單片機(jī)的各步驟，具體操作如下新型單片機(jī)LPC938初始化，配置為內(nèi)部晶振和內(nèi)部復(fù)位；配置LPC938P0口以及P1.1、P1.2為輸入口，讀取數(shù)字接口卡的10位給定拉力信號(hào)；對(duì)LPC938的AD00進(jìn)行配置，將AD00對(duì)應(yīng)的管腳配置為僅為輸入狀態(tài)，禁止數(shù)字信號(hào)，通過(guò)ADMODA設(shè)置AD轉(zhuǎn)換模式為立即啟動(dòng)，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在AD0DAT0R和AD0DAT0L，AD0DAT0R存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的7:0位，AD0DAT0L存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的9:2位；連續(xù)AD采樣5次，并采用防脈沖干擾平均值法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；同樣對(duì)AD01進(jìn)行AD配置，對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200的電流檢測(cè)輸出信號(hào)進(jìn)行AD采樣，采樣結(jié)果保存在AD0DAT1R和AD0DAT1L；對(duì)LPC938的CCU單元進(jìn)行設(shè)置，配置成非對(duì)稱的PWM輸出，將PWM對(duì)應(yīng)的管腳設(shè)置為推挽輸出模式，設(shè)置CCU定時(shí)器重裝值，即PWM頻率；根據(jù)給定的拉力信號(hào)以及反饋的拉力和電流信號(hào)，根據(jù)增量式PID算法計(jì)算并轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)；PWM信號(hào)輸出給LMD18200，通過(guò)該芯片控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制鋼絲繩的拉力。
3.一種權(quán)利要求1所述的主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法所使用的設(shè)備主動(dòng)拋光盤，其特征在于，一面為拋光面，另一面設(shè)有主動(dòng)壓力動(dòng)態(tài)變形機(jī)構(gòu)12個(gè)力促動(dòng)器，每個(gè)力促動(dòng)器包括控制器和控制電機(jī)，每三個(gè)控制電機(jī)組成一組加力組，一共有四個(gè)加力組，均勻地分布在金屬盤的四周，每個(gè)控制電機(jī)的主軸分別與一螺桿聯(lián)結(jié)，螺桿上的螺母通過(guò)杠桿與鋼絲繩聯(lián)結(jié)，鋼絲繩與主動(dòng)拋光盤背面的固定點(diǎn)固定聯(lián)結(jié)；所述的力促動(dòng)器控制器結(jié)構(gòu)是每根鋼絲繩的一端分別設(shè)有拉力傳感器，所有拉力傳感器的輸出經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)的輸出經(jīng)功率放大電路分別接各個(gè)電機(jī)；各控制電機(jī)的電流強(qiáng)度信號(hào)接單片機(jī)。
4.按照權(quán)利要求3所述的主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制設(shè)備，其特征在于，對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)的處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及對(duì)拉力傳感器信號(hào)的處理三部分功能集中在一塊電路組件上，成為拋光盤專用的力促動(dòng)控制器。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制設(shè)備，其特征在于，所述的力促動(dòng)器控制器的CPU采用LPC938芯片；單片機(jī)采用P89LPC938芯片，該單片機(jī)的PWM口外接含有死區(qū)功能和驅(qū)動(dòng)功能的專用集成電路。
全文摘要
主動(dòng)拋光盤面形控制的力控制方法計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)和控制指令傳送給單片機(jī)；單片機(jī)控制拉力電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母推動(dòng)杠桿收緊鋼絲繩；拉力傳感器測(cè)量鋼絲繩的張緊力；結(jié)果傳輸給單片機(jī)；同時(shí)控制電機(jī)的電流信號(hào)反饋給單片機(jī)；單片機(jī)進(jìn)行PID計(jì)算后經(jīng)功率放大傳輸給控制電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速，以調(diào)整鋼絲繩的拉力。由于鋼絲繩的不斷改變使主動(dòng)拋光盤面形變化，保持與所拋光的光學(xué)鏡面的貼和部分完全一致。本發(fā)明還提供了該方法的設(shè)備系統(tǒng)。由于采取了拉力環(huán)和電流環(huán)兩環(huán)控制系統(tǒng)，并把對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，及拉力傳感器信號(hào)的處理三部分功能集中在一塊電路組件上，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，達(dá)到了體積小，載荷輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的技術(shù)效果。
文檔編號(hào)B24B13/06GK1799769SQ20061003780
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月16日
發(fā)明者李穎, 汪達(dá)興 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所