本發(fā)明屬于超精密控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字同軸全息顯微三維工件臺控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

數(shù)字同軸全息顯微系統(tǒng)在充分繼承傳統(tǒng)傳統(tǒng)同軸全息成像無像差、非接觸、大視場、CCD空間帶寬利用率高、散斑噪聲低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活簡單等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過引入波帶片進(jìn)一步優(yōu)化光路，單次反演消除了傳統(tǒng)同軸全息的孿生像影響，提高再現(xiàn)光場信噪比，增大物波與參考波的夾角，使捕獲物光波高頻波段信息的能力得到進(jìn)一步提高。

為了提高數(shù)字同軸顯微系統(tǒng)精度，需要進(jìn)行圖片拼接，利用多幅圖片拼接成一張以此實(shí)現(xiàn)孔徑合成。需要精密工件臺承載CCD相機(jī)做XY方向步進(jìn)拼接，其步進(jìn)運(yùn)動精度會直接影響相襯同軸全息圖的拼接精度。此外，該工件臺還需要實(shí)現(xiàn)精確調(diào)平、調(diào)Z方向精度功能。為實(shí)現(xiàn)大行程、高精度定位精度，工件臺需要采用粗動和精動兩層結(jié)構(gòu)，由粗動臺快速完成大行程的移動后，由微動臺補(bǔ)償粗動臺的移動誤差。另外為了實(shí)現(xiàn)精確定位，還需要雙頻激光干涉儀來對整個工件臺的運(yùn)動實(shí)時進(jìn)行檢測并反饋給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出了一種數(shù)字同軸全息顯微三維工件臺控制系統(tǒng)，利用電機(jī)、光柵尺、限位開關(guān)構(gòu)建高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種數(shù)字同軸全息顯微三維工件臺控制系統(tǒng)，三維工件臺控制系統(tǒng)由X軸電機(jī)、X軸光柵尺、X軸限位開關(guān)、Y軸電機(jī)、Y軸光柵尺、Y軸限位開關(guān)、Z軸電機(jī)、Z軸光柵尺、Z軸限位開關(guān)構(gòu)成，每軸電機(jī)和光柵尺構(gòu)成閉環(huán)定位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件臺的快速、精準(zhǔn)定位，限位開關(guān)防止超出行程，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和光柵尺根據(jù)精度進(jìn)行設(shè)置，光柵位置實(shí)時通過USB通信傳輸?shù)诫娔X端，MCU根據(jù)移動距離和速度，計算并設(shè)置PWM周期參數(shù)，通過五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的高精度控制，且三軸獨(dú)立可控，其中：

X軸閉環(huán)定位控制由電機(jī)、光柵尺、限位開關(guān)構(gòu)成，電機(jī)帶動工件臺在X軸運(yùn)動，距離信息通過光柵尺反饋，限位開關(guān)處于導(dǎo)軌兩側(cè)用于超出行程時緊急制動，Y軸閉環(huán)定位控制由電機(jī)、光柵尺、限位開關(guān)構(gòu)成，功能與X軸閉環(huán)定位控制系統(tǒng)相同，Z軸閉環(huán)定位控制由電機(jī)、光柵尺、限位開關(guān)構(gòu)成，用于做縱向運(yùn)動。

更進(jìn)一步的，閉環(huán)控制系統(tǒng)由電機(jī)、光柵尺、限位開關(guān)構(gòu)成，總計三路獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括X軸、Y軸、Z軸。

更進(jìn)一步的，電機(jī)用絲杠導(dǎo)軌與工件臺相連，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器下做直線運(yùn)動。

更進(jìn)一步的，光柵尺反饋位置信息，并及時傳輸?shù)诫娔X端，傳輸端口為標(biāo)準(zhǔn)USB接口。

更進(jìn)一步的，限位開關(guān)每個軸兩個，前后限位，既防止電機(jī)超行程，也作為零位校準(zhǔn)。

更進(jìn)一步的，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為五相，并在此基礎(chǔ)之上可以進(jìn)一步細(xì)分，達(dá)到納米級別的控制精度。

更進(jìn)一步的，光柵尺為20μm，并在此基礎(chǔ)之上可以進(jìn)行插值，達(dá)到納米級別的位置反饋精度。

更進(jìn)一步的，限位開關(guān)為光電開關(guān)，正常時為高電平，擋光時為低電平。

更進(jìn)一步的，光柵尺的插值精度設(shè)置必須不低于五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制精度。

更進(jìn)一步的，PWM脈沖輸出的周期和占空比可調(diào)，根據(jù)移動距離和速度要求計算。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明高精度控制，最高精度可以達(dá)到50nm。

(2)本發(fā)明柔性算法控制，勻加速啟動，勻減速停止，減少慣性沖擊。

(3)本發(fā)明三軸聯(lián)動，快速定位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的三維工件臺；

圖2為本發(fā)明的設(shè)計圖；

圖3為本發(fā)明的柔性控制算法；

圖4為本發(fā)明的控制過程曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加明確，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作原理、結(jié)構(gòu)及具體實(shí)施方式進(jìn)一步介紹。

如圖1示出本發(fā)明提出的數(shù)字同軸全息三維工件臺的基本結(jié)構(gòu)，由X軸電機(jī)1、X軸光柵尺4、X軸限位開關(guān)7，Y軸電機(jī)2、Y軸光柵尺5、Y軸限位開關(guān)8，Z軸電機(jī)3、Z軸光柵尺6、Z軸限位開關(guān)9構(gòu)成。每軸電機(jī)和光柵尺構(gòu)成閉環(huán)定位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件臺的快速、精準(zhǔn)定位，限位開關(guān)防止超出行程。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和光柵尺根據(jù)精度進(jìn)行設(shè)置，光柵位置實(shí)時通過USB通信傳輸?shù)诫娔X端。MCU根據(jù)移動距離和速度，計算并設(shè)置PWM周期參數(shù)，通過五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的高精度控制，且三軸獨(dú)立可控。其中：

X軸閉環(huán)定位控制由X軸電機(jī)1、X軸光柵尺4、X軸限位開關(guān)7構(gòu)成，X軸電機(jī)帶動工件臺在X軸運(yùn)動，距離信息通過X軸光柵尺7反饋，X軸限位開關(guān)7處于導(dǎo)軌兩側(cè)用于超出行程時緊急制動。Y軸閉環(huán)定位控制由Y軸電機(jī)2、Y軸光柵尺5、Y軸限位開關(guān)8構(gòu)成，功能如X軸閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。Z軸閉環(huán)定位控制由Z軸電機(jī)3、Z軸光柵尺6、Z軸限位開關(guān)9構(gòu)成，主要做縱向運(yùn)動。

如圖2示出本發(fā)明的控制系統(tǒng)框架圖，集成電路板主要有MCU；三路32位可逆計數(shù)器HCTL2032；三路標(biāo)準(zhǔn)15針D-SUB接口，用于連接光柵尺；USB通信口；CH340G通信芯片，其供電由USB提供，與板載5V共地；三路PWM輸出；快門控制輸出，專有的24V供電。

如圖3示出本發(fā)明的閉環(huán)控制系統(tǒng)算法，電腦發(fā)送執(zhí)行指令，輸送移動距離和移動速度給MCU；MCU算出脈沖數(shù)N和勻加速頻率f，根據(jù)PWM頻率設(shè)置寄存器輸出脈沖控制五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動；另一方面光柵反饋的位置信息，計算出移動的距離，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的勻加速頻率對應(yīng)的距離時，頻率繼續(xù)調(diào)高一檔。

如圖4示出本發(fā)明的加減速曲線圖，設(shè)定不同的速度值，則加速度不同。整個過程主要分為勻加速期、勻速期、以及勻減速期。整個加減速曲線為階梯狀。

本發(fā)明的主要操作步驟主要有以下幾步：

一是復(fù)位：通過程序指令控制X、Y、Z軸使其往調(diào)零方向持續(xù)快速運(yùn)動，觸發(fā)限位開關(guān)時即到達(dá)零位點(diǎn)，由于三維工件臺定位控制精度太高，電機(jī)立即停止后會隨機(jī)反向運(yùn)動一小段距離，避免在零位點(diǎn)震蕩影響光柵零位點(diǎn)的計數(shù)。

二是光柵讀?。汗鈻艛?shù)據(jù)根據(jù)PC端設(shè)定刷新時間，讀取HCTL2032的計數(shù)器數(shù)據(jù)并發(fā)送到電腦端顯示。

三是定位控制：根據(jù)光柵尺反饋的位置信息，設(shè)定需要移動的距離和移動速度，發(fā)送給MCU，執(zhí)行定位指令。MCU設(shè)定初始頻率并根據(jù)光柵尺反饋的數(shù)據(jù)逐步增減頻率，最終實(shí)現(xiàn)勻加減速的快速定位。

四是執(zhí)行結(jié)束：到達(dá)指定位置后，MCU跳出控制循環(huán)，反饋執(zhí)行完成命令，并立即刷新當(dāng)前的光柵尺位置，等待下一個指令。

本發(fā)明中涉及到的本領(lǐng)域公知技術(shù)未詳細(xì)闡述。