一種實(shí)驗(yàn)室控制平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種實(shí)驗(yàn)用控制臺(tái)，特別是涉及一種實(shí)驗(yàn)室控制平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 國(guó)外在超精密平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究起步的比較早。這促進(jìn)了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)精密平 臺(tái)及其相關(guān)科學(xué)的研究美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)將納米技術(shù)列為政府重點(diǎn)支持的22項(xiàng)關(guān) 鍵技術(shù)之一，美國(guó)國(guó)家基金會(huì)亦將納米技術(shù)列為優(yōu)先支持的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國(guó)許多著名 大學(xué)都設(shè)有納米技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，如北卡羅萊納大學(xué)的精密工程中心，康乃爾大學(xué)的國(guó)家納 米加工實(shí)驗(yàn)室，路易斯安那大學(xué)的微米制造中心等等。日本把納米技術(shù)作為ERATO計(jì)劃中 6項(xiàng)優(yōu)先高技術(shù)探索項(xiàng)目之一，投資2億美元發(fā)展納米技術(shù)；筑波科學(xué)城的交叉學(xué)科研究中 心把納米技術(shù)列入2個(gè)主要發(fā)展方向之一。英國(guó)國(guó)家納米技術(shù)（NION)計(jì)劃已開(kāi)始實(shí)行，在 英國(guó)的Cranfield大學(xué)成立了以納米技術(shù)為研究目標(biāo)的精密工程中心。歐洲的其它國(guó)家也 不示弱，把納米技術(shù)列入了"尤里卡計(jì)劃"。
[0003] 在上世紀(jì)80年代中后期，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼提出了宏微雙重驅(qū)動(dòng)技術(shù)，紛紛發(fā)表學(xué)術(shù) 論文展開(kāi)研究討論，目前它是實(shí)現(xiàn)大行程、高精度定位的一種有效手段。例如清華大學(xué)教授 吳鷹飛、周兆英（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系）的《壓電驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)超精 密定位》一文中就詳細(xì)介紹了壓電元件和柔性鉸鏈的概念與特點(diǎn)，列舉壓電元件與柔性鉸 鏈機(jī)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)超精密定位的典型例子，包括超精密測(cè)量、超精密加工、光學(xué)自動(dòng)聚焦和大 行程超精密定位。為使超精密定位工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)緊湊，還提出了單驅(qū)動(dòng)多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 應(yīng)用蠕動(dòng)式的運(yùn)動(dòng)原理可合成機(jī)構(gòu)上的多自由度運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了對(duì)稱結(jié) 構(gòu)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能。
[0004] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)超精密光電儀器工程研究所的葉樹(shù)亮，譚久彬博士的《具有納米 分辨力二維超精密定位系統(tǒng)的研制》一文針對(duì)傳統(tǒng)超精密定位系統(tǒng)存在位移靈敏度、系統(tǒng) 頻響及重復(fù)定位精度難以兼顧的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研制了一種具有納米分辨力的二維超精密定 位系統(tǒng)。系統(tǒng)集成平行四連桿結(jié)構(gòu)雙柔性二維工作臺(tái)無(wú)間隙傳動(dòng)、雙極性可伸縮壓電陶瓷 微位移驅(qū)動(dòng)和納米精度電容位移監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，在微處理器控制下可實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的定 位。為改善傳統(tǒng)PID控制方法存在的精度低、實(shí)時(shí)性差等缺陷，提出了一種結(jié)合定位過(guò)程中 各階段系統(tǒng)不同響應(yīng)特性的比例、積分和微分（PID)參數(shù)自適應(yīng)控制算法。
[0005] 哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院的孟兆新，胡乃文兩位在《三維精密定位工作 臺(tái)的控制系統(tǒng)的研究》一文中對(duì)三維精密工作臺(tái)快速定位系統(tǒng)的控制原理及結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行 了研究，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)分析。為了實(shí)現(xiàn)高精度的快速定位，系統(tǒng)采用了獨(dú)立伺 服控制技術(shù)以及變結(jié)構(gòu)的PID自適應(yīng)控制算法，達(dá)到了滿意的定位精度。
[0006] 綜上所述，從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看使用宏微結(jié)合的模式再配合陶瓷壓電執(zhí)行 器。采用兩級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的超精密平臺(tái)是比較容易實(shí)現(xiàn)和切合實(shí)際的一種超精密平臺(tái)設(shè)計(jì)方 法。這種方案在學(xué)校中為學(xué)生精密試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)都能提供足夠的幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為解決目前的技術(shù)方案供學(xué)生使用的精密實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不足，精密實(shí) 驗(yàn)臺(tái)價(jià)格太高的問(wèn)題，提供一種簡(jiǎn)單方便，成本低廉的實(shí)驗(yàn)室控制平臺(tái)。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種實(shí)驗(yàn)室控制平臺(tái)，由電源供電， 其特征在于：包括平臺(tái)、平臺(tái)傳動(dòng)器、平臺(tái)電機(jī)、平臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、平臺(tái)位移檢測(cè)裝置、平臺(tái) 控制器、通訊電路、控制電腦、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路、壓電陶瓷執(zhí)行器、執(zhí)行器位移檢測(cè)裝置 和A/D轉(zhuǎn)換器，所述平臺(tái)控制器通過(guò)通訊電路與控制電腦電連接，所述平臺(tái)控制器通過(guò)平 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與平臺(tái)電機(jī)連接，所述平臺(tái)電機(jī)的輸出軸通過(guò)平臺(tái)傳動(dòng)器與平臺(tái)機(jī)械連接， 所述平臺(tái)位移檢測(cè)裝置配設(shè)在所述平臺(tái)電機(jī)的輸出軸上，平臺(tái)位移檢測(cè)裝置的輸出端與平 臺(tái)控制器電連接，所述控制電腦通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸 出端與壓電陶瓷執(zhí)行器連接，對(duì)應(yīng)壓電陶瓷執(zhí)行器配設(shè)有執(zhí)行器位移檢測(cè)裝置，執(zhí)行器位 移檢測(cè)裝置通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與控制電腦電連接，所述平臺(tái)位移檢測(cè)裝置包括配設(shè)在平臺(tái)上 的光柵尺和光柵尺電路，所述光柵尺電路包括發(fā)光二極管D2、光敏二極管D1、電阻R10、電 阻R11、電阻R4、電阻R5、電阻R3、電阻R6、電阻R14、電阻R17、運(yùn)放TAA861、電容CU電容 C2、電容C3和電容C4,電源通過(guò)電容C4接地，發(fā)光二極管D2的陽(yáng)極通過(guò)電阻RlO與電源連 接，發(fā)光二極管D2的陰極接地，光敏二極管Dl的陰極與電源連接，光敏二極管Dl的陽(yáng)極通 過(guò)電阻Rll接地，光敏二極管Dl的陽(yáng)極通過(guò)電容C3與運(yùn)放TAA861的正輸入端連接，運(yùn)放 TAA861的正輸入端還依次通過(guò)電阻R13和電阻R4與電源連接，運(yùn)放TAA861的正輸入端還 依次通過(guò)電阻R13和電阻R5與接地，運(yùn)放TAA861的負(fù)輸入端依次通過(guò)電阻R6和電容C2 接地，運(yùn)放TAA861的負(fù)輸入端依次通過(guò)電阻R14和電阻R17與電源連接，運(yùn)放TAA861的輸 出端通過(guò)電容Cl與運(yùn)放TAA861的反饋端連接，運(yùn)放TAA861的輸出端與平臺(tái)控制器的計(jì)數(shù) 器端連接。上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)，測(cè)量系統(tǒng)采用的是 光柵尺電路，宏平臺(tái)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)原理設(shè)計(jì)。
[0009] 硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精密定位的基礎(chǔ)。本精密定位系統(tǒng)采用宏-微相結(jié)合的兩級(jí)模式 來(lái)實(shí)現(xiàn)大行程、高精度、高速的定位，其硬件系統(tǒng)由宏平臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)、位移測(cè)量系統(tǒng)、微位移 定位系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。首先介紹了精密定位系統(tǒng)硬件的總體構(gòu)成，然后分別對(duì)宏平 臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)、光柵位移測(cè)量計(jì)數(shù)系統(tǒng)、微位移精密定位系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 進(jìn)行了詳細(xì)的分析。精密定位系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)X-Y精密定位平臺(tái)采用了宏平臺(tái)和微平臺(tái) 相結(jié)合的模式，微位移平臺(tái)固定安裝在宏平臺(tái)的上底板上，兩平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心重合。宏平 臺(tái)完成高速、大行程、微米級(jí)定位，微位移定位平臺(tái)用以完成對(duì)宏平臺(tái)定位誤差的補(bǔ)償。通 過(guò)兩級(jí)機(jī)構(gòu)的組合，共同實(shí)現(xiàn)了大行程高精度的定位動(dòng)作。計(jì)數(shù)電路原理，首先記數(shù)電路的 核心問(wèn)題是確定一個(gè)計(jì)數(shù)器件，在這里有光柵尺、增量式光電編碼器和絕對(duì)式光電編碼器 幾種元件可以選擇，這些期間各自都有優(yōu)劣點(diǎn)：1.絕對(duì)式光電編碼器，使用方便，沒(méi)有累計(jì) 誤差，不需要每次都執(zhí)行復(fù)位操作，是最為理想的選擇，但是它的成本實(shí)過(guò)于昂貴。2.增量 式光電編碼器，它可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)電路的測(cè)量，并且可以通過(guò)計(jì)算單圈的轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量電機(jī) 的速度，但是它也有自己的缺點(diǎn)，就是它實(shí)現(xiàn)的電路相對(duì)較為復(fù)雜，測(cè)量精度容易受到累計(jì) 誤差的干擾。3.光柵尺它的電路原理相對(duì)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的測(cè)試，需要通過(guò)軟件計(jì)算電 機(jī)速度，比較簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)和精確的數(shù)據(jù)反饋。綜合以上總總，我們選擇了使用光柵尺作 為我們的記數(shù)器件。
[0010] 光柵尺主要應(yīng)用于直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)量的精確顯示（0.0002mm)和 自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和CNC加工中心位置環(huán)的控制。 [0011] 光柵尺通過(guò)摩爾條紋原理，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度 位移傳感器。
[0012] 線位移光柵傳感器的數(shù)顯系統(tǒng)主要應(yīng)用于直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)量的精 確顯示和自動(dòng)控制，已廣泛應(yīng)用于機(jī)床加工和儀器的精密測(cè)量。
[0013] 光柵傳感器分為敞開(kāi)式和封閉式兩類。其中敞開(kāi)式為高精度型。輸出波形為正弦 波，主要用于精密儀器的數(shù)字化改造。最高分辨率可達(dá)0. 1 μ m。封閉式傳感器由光柵尺、光 柵讀數(shù)頭及殼體三部分整裝部件。最先進(jìn)可靠的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，采用可靠耐用的高精度五 軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)異的重復(fù)定位性和高等級(jí)測(cè)量精度。傳感器 采用密封式結(jié)構(gòu)，性能可靠，安裝方便。采用特殊的耐油、耐蝕、高彈性及抗老化塑膠防水， 防塵優(yōu)異，使用壽命長(zhǎng)。具體高水平的抗干擾能力，穩(wěn)定可靠。光源采用紅外發(fā)光二極管， 體積小