專利名稱：一種光柵刻劃機的控制裝置的制作方法
一種光柵刻劃機的控制裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于衍射光柵制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光柵刻劃機的控制裝置。
技術(shù)背景
作為一種獨特的分光元件，刻劃光柵以其光譜范圍寬，色散率大，分辨率好，衍射 效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于光譜分析儀器、波分復(fù)用器等光學(xué)儀器中，涉及物理學(xué)、生物化 學(xué)、生命科學(xué)、冶金學(xué)、天文學(xué)、光通信領(lǐng)域等諸多科學(xué)領(lǐng)域?？虅澒鈻艑滩坌螤畹幕疽?求，決定了在現(xiàn)有技術(shù)條件下只能利用刻劃機制備。傳統(tǒng)的光柵刻劃機主要有依靠馬達帶 動絲杠分度的純機械式、莫爾條紋控制式和干涉伺服控制式。純機械刻劃機是用絲桿進行 分度的，它的刻劃誤差較大，已經(jīng)遠遠不能滿足中階梯光柵刻劃的需要；莫爾條紋控制的刻 劃機是結(jié)合特定分光系統(tǒng)，用光電倍增管接收刻劃機滑座移動所引起的莫爾條紋，產(chǎn)生信 號經(jīng)電子控制器控制電磁離合器、蝸桿和蝸輪的運動。這種控制方法較純機械式的刻劃機 有了很大改進，但受電子控制器、電磁離合器控制精度的影響，刻劃機的精度仍不能達到理 想情況；用干涉儀控制刻劃過程，實際上是將產(chǎn)生在光柵第η條刻槽的誤差通過第(η+1)條 刻槽的位移來校正，這樣主要是將累積和局部誤差減小到較低的程度，對光柵整個的刻劃 過程仍有較大影響。目前，也有應(yīng)用8031單片機對光柵刻劃機進行控制的系統(tǒng)，但單片機 在編程控制方面對設(shè)計人員要求較高，不易掌握，故參數(shù)調(diào)整繁瑣，系統(tǒng)不靈活，且外圍電 路復(fù)雜，易產(chǎn)生干擾信號。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種光柵刻劃機的控制裝置，該裝 置通過可編程控制器(Programmable logic Controller, PLC)來控制光柵刻劃機，精確控 制光柵的刻槽形狀和光柵常數(shù)，光柵參數(shù)調(diào)整方便，可以有效地減小刻劃誤差，使光柵刻劃 機控制精度達到一個新的高度，且操作方便。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種光柵刻劃機的控制裝置，其構(gòu)成包括上位機22、可編程控制器1、伺服控制系 統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)
所述的可編程控制器1由中央處理器5、電源2、存儲器3、I/O擴展口 4和輸入/ 輸出接口電路組成，
所述的伺服控制系統(tǒng)包括工作臺伺服控制和刻刀伺服控制兩部分
所述的可編程控制器1的第一驅(qū)動信號輸出端經(jīng)由第一伺服驅(qū)動器8、第一伺服 電機10與帶動刀橋14的凸輪相連，第一伺服電機10通過刀橋14的運動實現(xiàn)刻刀23對光 柵基坯M的刻劃動作，與第一伺服電機同軸的第一編碼器11又將第一伺服電機的運動反 饋給所述的第一伺服驅(qū)動器8，構(gòu)成刻刀伺服控制；
所述的可編程控制器1的第二驅(qū)動信號輸出端經(jīng)由第二伺服驅(qū)動器9、第二伺服 電機12與工作臺16相連，與第二伺服電機同軸的第二編碼器13又將第二伺服電機12的運動反饋給所述的第二伺服驅(qū)動器9，構(gòu)成工作臺伺服控制；
與工作臺16同步移動的光柵尺18和讀數(shù)頭15將代表工作臺位移量的信號經(jīng)模 擬量輸入模塊7輸入所述的可編程控制器1的I/O擴展口 4，所述的可編程控制器1經(jīng)數(shù)據(jù) 處理后適時適量地驅(qū)動所述的工作臺16和刻刀23的運動，形成位置閉環(huán)控制；
所述的溫度控制系統(tǒng)由所述的可編程控制器1的模擬量輸出模塊6及其依次相連 的可控硅觸發(fā)器21、可控硅20、電加熱板17、測量工作臺的溫度的鉬熱電阻傳感器19和所 述的可編程控制器1的模擬量輸入模塊7組成，適時控制和調(diào)整電加熱板17的工作，使工 作臺處于合適的溫度環(huán)境下工作；
在所述的可編程控制器1的控制過程中，上位機22發(fā)送指令或目標位移量給所述 的可編程控制器1，所述的可編程控制器1按照設(shè)定的參數(shù)或預(yù)先編寫的運動程序向伺服 驅(qū)動器發(fā)出信號進行控制。
所述的可編程控制器1為三菱hlN-60-MT的可編程控制器。
所述的伺服驅(qū)動器為三菱MR-J2S-40A的伺服驅(qū)動器。
所述的伺服電機為三菱HC-KFS-43的伺服電機。
所述的模擬量輸入模塊7為三菱Fx2N-4AD-PT溫度傳感器用模擬量輸入模塊。
所述的模擬量輸出模塊6為三菱Fx2N-2DA模擬量輸出模塊。
所述的可控硅觸發(fā)器21為三菱NZK-IF型可控硅觸發(fā)器。
所述的鉬熱電阻傳感器19為三菱PtlOO鉬熱電阻傳感器。
所述的可編程控制器1輸出的公共端子(COMtl)分別和所述的第一伺服驅(qū)動器8、 第二伺服驅(qū)動器9的CNlA接口的公共端(SG)相連接，該可編程控制器1的輸出端子Yl和 Y5分別接CNlA的脈沖控制端子PP和NP。
所述的可控硅觸發(fā)器21的兩組控制端子K1、G1和K2、G2分別輸出信號控制所述 的可控硅20的導(dǎo)通或截止。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)由于采用了可編程控制器PLC作為光柵刻劃機的控制裝置的核心，提高了光 柵的刻槽形狀和光柵常數(shù)的控制精度，能更大程度的減小刻劃誤差，且操作方便。
(2)由于運用了雙反饋、全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，提高了光柵刻劃機的定位精度。
(3)由于采用加熱板來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，減小了環(huán)境溫度變化造成的刻劃誤差，提高 光柵的質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明一種光柵刻劃機的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中PLC和伺服控制系統(tǒng)的連接關(guān)系。
圖3為圖1中PLC和溫度控制系統(tǒng)的連接關(guān)系。
圖中l(wèi).PLC，2.電源，3.存儲器，4. I/O擴展口，5. CPU，6.模擬量輸出模塊，7.模擬 量輸入模塊，8.第一伺服驅(qū)動器，9.第二伺服驅(qū)動器，10.第一伺服電機，11.第一編碼器， 12.第二伺服電機，13.第二編碼器，14.刀橋，15.讀數(shù)頭，16.工作臺，17.電加熱板，18.光 柵尺，19.鉬熱電阻傳感器，20.可控硅，21.可控硅觸發(fā)器，22.上位機，23.刻刀，24.光柵基坯具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
，對本發(fā)明作進一步描述，但不限制本發(fā)明的保護 范圍。
請先參閱圖1，圖1為本發(fā)明一種光柵刻劃機的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，也是本發(fā) 明的一種具體實施方式
。如圖所示，一種光柵刻劃機的控制裝置，其構(gòu)成包括上位機22、可 編程控制器1、伺服控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)
所述的可編程控制器1由中央處理器5、電源2、存儲器3、I/O擴展口 4和輸入/ 輸出接口電路組成，
所述的伺服控制系統(tǒng)包括工作臺伺服控制和刻刀伺服控制兩部分
所述的可編程控制器1的第一驅(qū)動信號輸出端經(jīng)由第一伺服驅(qū)動器8、第一伺服 電機10與帶動刀橋14的凸輪相連，第一伺服電機10通過刀橋14的運動實現(xiàn)刻刀23對光 柵基坯M的刻劃動作，與第一伺服電機同軸的第一編碼器11又將第一伺服電機的運動反 饋給所述的第一伺服驅(qū)動器8，構(gòu)成刻刀伺服控制；
所述的可編程控制器1的第二驅(qū)動信號輸出端經(jīng)由第二伺服驅(qū)動器9、第二伺服 電機12通過絲杠螺母副與工作臺16相連，實現(xiàn)工作臺16的直線移動定位，與第二伺服電 機同軸的第二編碼器13又將第二伺服電機12的運動反饋給所述的第二伺服驅(qū)動器9，構(gòu)成 工作臺伺服控制；
與工作臺16同步移動的光柵尺18和讀數(shù)頭15將代表工作臺位移量的信號經(jīng)模 擬量輸入模塊7輸入所述的可編程控制器1的I/O擴展口 4，所述的可編程控制器1經(jīng)數(shù)據(jù) 處理后適時適量地驅(qū)動所述的工作臺16和刻刀23的運動，形成位置閉環(huán)控制；
所述的溫度控制系統(tǒng)由所述的可編程控制器1的模擬量輸出模塊6及其依次相連 的可控硅觸發(fā)器21、可控硅20、電加熱板17、測量工作臺的溫度的鉬熱電阻傳感器19和所 述的可編程控制器1的模擬量輸入模塊7組成，適時控制和調(diào)整電加熱板17的工作，使工 作臺處于合適的溫度環(huán)境下工作；
在所述的可編程控制器1的控制過程中，上位機22發(fā)送指令或目標位移量給所述 的可編程控制器1，所述的可編程控制器1按照設(shè)定的參數(shù)或預(yù)先編寫的運動程序向伺服 驅(qū)動器發(fā)出信號進行控制。
本發(fā)明選用三菱hlN-60-MT的PLC1、三菱MR-J2S-40A的伺服驅(qū)動器8、9和三菱 HC-KFS-43的伺服電機(第一伺服電機10和第二伺服電機1 。上位機22通過RS-232通 信端口，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后直接與PLCl的編程口連接將程序?qū)懭胗脩舫绦騾^(qū)并進行調(diào)試，調(diào)試 好的程序可存儲于PLC存儲器3。PLC1按預(yù)先編寫的程序來控制伺服系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。
圖2為圖1中PLC和伺服控制系統(tǒng)的連接關(guān)系。圖中，用單相220V交流電源分別 給伺服驅(qū)動器(第一伺服驅(qū)動器8和第二伺服驅(qū)動器9)的主電路和控制電路供電，PLCl輸 出的公共端子(COMtl)和伺服驅(qū)動器(第一伺服驅(qū)動器8和第二伺服驅(qū)動器9)CN1A接口的 公共端(SG)相連接，PLCl的輸出端子Yl和TO分別接CNlA的脈沖控制端子PP和NP，用于 控制伺服電機(第一伺服電機10和第二伺服電機12)的正反轉(zhuǎn)脈沖，PLCl的輸出端子TO 接CNlA的速度選擇端子SP1，用于控制伺服電機(第一伺服電機10和第二伺服電機12)是 否處于速度控制模式，CNlA接口的OPC端子和COM端子短接，提供低壓電源供驅(qū)動器內(nèi)部使用，伺服驅(qū)動器(第一伺服驅(qū)動器8和第二伺服驅(qū)動器9)輸出三相電源驅(qū)動伺服電機(第 一伺服電機10和第二伺服電機12)，與伺服電機同軸的編碼器(和第一伺服電機同軸的編 碼器11和第二伺服電機同軸的編碼器13)通過雙絞屏蔽電纜把反饋信號傳遞到伺服驅(qū)動 器(第一伺服驅(qū)動器8和第二伺服驅(qū)動器9)的CN2接口，形成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
圖3為圖1中PLC和溫度控制系統(tǒng)的連接關(guān)系。圖中，選用三菱&2^4々0寸11溫 度傳感器用模擬量輸入模塊7、h2N-2DA模擬量輸出模塊6、NZK-1F型可控硅觸發(fā)器21、可 控硅20、電加熱板17和PtlOO鉬熱電阻傳感器19。模擬量輸入模塊7和模擬量輸出模塊 6由PLCl輸出的直流24V供電。鉬熱電阻傳感器19把測得的實驗溫度信號輸入到模擬量 輸入模塊7，模擬量輸入模塊6將來自鉬熱電阻傳感器19的信號放大，并將信號轉(zhuǎn)換為12 位的可讀數(shù)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)絇LCl的處理單元CPTO，由PLCl按照溫度控制要求進行PID調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)后的結(jié)果輸入到模擬輸出模塊6，模擬輸出模塊6將12位的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成2點模擬輸 出(電壓輸出和電流輸出)，得到的模擬量輸出到可控硅觸發(fā)器21，可控硅觸發(fā)器21的兩 組控制端子K1、G1和K2、G2輸出信號控制可控硅20導(dǎo)通或截止，進而控制電加熱板17電 阻絲的通電時間和加熱功率?？刂瓶煽毓?0導(dǎo)通或截止的觸發(fā)信號的大小反映出可控硅 20的導(dǎo)通程度，可控硅20與電加熱板17串聯(lián)，當可控硅20導(dǎo)通時，電加熱板17開啟，對環(huán) 境加熱，環(huán)境溫度升高；當可控硅20截止時，電加熱板17停止工作。鉬熱電阻傳感器19不 斷檢測實驗溫度，把新的數(shù)據(jù)送入PLCl溫度控制模塊，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，環(huán)境溫度升高到溫 度設(shè)定值時，鉬熱電阻傳感器19沒有輸出，可控硅20截止，電加熱板17處于關(guān)斷的狀態(tài)。 當環(huán)境溫度低于設(shè)定值時，電加熱板17又重新工作，使溫度穩(wěn)定在一定溫度。
經(jīng)實驗表明，本發(fā)明的光柵刻劃機的控制裝置，提高了對光柵刻槽形狀和光柵常 數(shù)的控制精確，減小刻劃誤差，便于調(diào)整，操作方便，提高了光柵刻劃機的效率。
權(quán)利要求
1.一種光柵刻劃機的控制裝置，特征在于其構(gòu)成包括上位機(22)、可編程控制器(1)、 伺服控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)所述的可編程控制器(1)由中央處理器(5)、電源O)、存儲器(3)、I/O擴展口(4)和 輸入/輸出接口電路組成，所述的伺服控制系統(tǒng)包括工作臺伺服控制和刻刀伺服控制兩部分所述的可編程控制器(1)的第一驅(qū)動信號輸出端經(jīng)由第一伺服驅(qū)動器(8)、第一伺服 電機(10)與帶動刀橋(14)的凸輪相連，第一伺服電機(10)通過刀橋(14)的運動實現(xiàn)刻 刀03)對光柵基坯04)的刻劃動作，與第一伺服電機同軸的第一編碼器(11)又將第一伺 服電機的運動反饋給所述的第一伺服驅(qū)動器(8)，構(gòu)成刻刀伺服控制；所述的可編程控制器(1)的第二驅(qū)動信號輸出端經(jīng)由第二伺服驅(qū)動器(9)、第二伺服 電機(1 通過絲杠螺母副與工作臺(16)相連，與第二伺服電機同軸的第二編碼器(13)又 將第二伺服電機(12)的運動反饋給所述的第二伺服驅(qū)動器(9)，構(gòu)成工作臺伺服控制；與工作臺(16)同步移動的光柵尺(18)和讀數(shù)頭(1 將代表工作臺位移量的信號經(jīng) 模擬量輸入模塊(7)輸入所述的可編程控制器(1)的I/O擴展口 G)，所述的可編程控制 器(1)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后適時適量地驅(qū)動所述的工作臺(16)和刻刀的運動，形成位置閉 環(huán)控制；所述的溫度控制系統(tǒng)由所述的可編程控制器(1)的模擬量輸出模塊(6)及其依次相 連的可控硅觸發(fā)器(21)、可控硅00)、電加熱板(17)、測量工作臺的溫度的鉬熱電阻傳感 器(19)和所述的可編程控制器(1)的模擬量輸入模塊(7)組成，適時控制和調(diào)整電加熱板 (17)的工作，使工作臺處于合適的溫度環(huán)境下工作；在所述的可編程控制器(1)的控制過程中，上位機0 發(fā)送指令或目標位移量給所述 的可編程控制器(1)，所述的可編程控制器(1)按照設(shè)定的參數(shù)或預(yù)先編寫的運動程序向 伺服驅(qū)動器發(fā)出信號進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的可編程控 制器(1)為三菱hlN-60-MT的可編程控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的伺服驅(qū)動 器為三菱MR-J2S-40A的伺服驅(qū)動器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的伺服電機 為三菱HC-KFS-43的伺服電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的模擬量輸 入模塊(7)為三菱h2N-4AD-PT溫度傳感器用模擬量輸入模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的模擬量輸 出模塊(6)為三菱h2N-2DA模擬量輸出模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的可控硅觸 發(fā)器為三菱NZK-IF型可控硅觸發(fā)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的鉬熱電阻 傳感器(1 為三菱PtlOO鉬熱電阻傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的可編程控 制器(1)輸出的公共端子(COMtl)分別和所述的第一伺服驅(qū)動器(8)、第二伺服驅(qū)動器(9)的CNlA接口的公共端(SG)相連接，該可編程控制器(1)的輸出端子Yl和TO分別接CNlA 的脈沖控制端子PP和NP。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵刻劃機的控制裝置，其特征在于，所述的可控硅觸 發(fā)器的兩組控制端子K1、G1和K2、G2分別輸出信號控制所述的可控硅00)的導(dǎo)通或截止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光柵刻劃機的控制裝置，包括上位機、可編程控制器、伺服控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，以可編程控制器為核心構(gòu)成的雙反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，及電加熱板的使用，使工作臺處于合適的溫度環(huán)境下工作，提高了光柵刻劃機的控制精度，減少刻劃誤差，便于調(diào)整，操作方便，能很好的滿足常用刻劃光柵的制備。
文檔編號G05B19/18GK102033507SQ20101059453
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者倪爭技, 張大偉, 朱冬月, 趙翠翠, 黃元申 申請人:上海理工大學(xué)