一種精密控制臺(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)，特別是涉及一種精密控制臺(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，成本低廉的精密控制臺(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：一種精密控制臺(tái)，由電源供電，包括 前級(jí)采樣電路、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，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 輸出端與所述前級(jí)采樣電路的輸入端連接，所述前級(jí)采樣電路的輸出端與平臺(tái)控制器電連 接，所述前級(jí)采樣電路包括與門U6、與門U5、第一 D觸發(fā)器、第二D觸發(fā)器和74LS161芯片， 所述第一 D觸發(fā)器的D端連接電源，所述第一 D觸發(fā)器的CLK端與與門U5的輸出端連接，所 述第一 D觸發(fā)器的Q端與與門U6的第一輸入端連接，與門U6的第一輸入端還與平臺(tái)控制 芯片的INTO端連接，與門U6的第二輸入端與平臺(tái)位移檢測(cè)裝置的輸出端連接，與門U6的 輸出端與74LS161的CLK端連接，與門U5的第二輸入端也與平臺(tái)位移檢測(cè)裝置的輸出端連 接，與門U5的第一輸入端與第二D觸發(fā)器的Q端連接，第二D觸發(fā)器的D端與電源連接，第 二D觸發(fā)器的CLK端與平臺(tái)控制芯片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出端連接，第二D觸發(fā)器的R端和 第一 D觸發(fā)器的R端均與74LS161芯片的MR端連接，74LS161芯片的CET端和CEP端均與 所述平臺(tái)位移檢測(cè)裝置的輸出端連接。本發(fā)明上位機(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)。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。雖然輸出的光柵信號(hào)屬于是數(shù)字 信號(hào)但是要被單片機(jī)采集的話還是需要其他了解單片機(jī)對(duì)信號(hào)采集的方法然后再制作合 適的分頻電路來(lái)進(jìn)行高頻率的數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)工片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)方式工作時(shí)， 采用外輸入脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)輸入脈沖從高到低跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。最高計(jì)數(shù)頻率為 晶振的1/24。故當(dāng)時(shí)鐘為12MHZ時(shí)，最高計(jì)數(shù)頻率為500KHZ。這樣的計(jì)數(shù)頻率并不能讓我 們滿意，因?yàn)樵诟咚俚那闆r下，過(guò)低的計(jì)數(shù)頻率會(huì)引起誤差。這個(gè)就是計(jì)數(shù)電路中的一個(gè)比 較棘手的問(wèn)題。解決的辦法是通過(guò)擴(kuò)展集成計(jì)數(shù)器，作為前級(jí)計(jì)數(shù)器，而把片內(nèi)的計(jì)數(shù)器作 為后續(xù)計(jì)數(shù)器。如果把集成計(jì)數(shù)器僅僅作為分頻器來(lái)使用的話雖然測(cè)量范圍擴(kuò)大了，但是 相應(yīng)的測(cè)量的精度會(huì)降低。為了不降低測(cè)量精度，要把擴(kuò)展的集成計(jì)數(shù)器作為低位計(jì)數(shù)器 通過(guò)并行接口相連讀入，參加數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。擴(kuò)展的位數(shù)可以根據(jù)需要確定。如果擴(kuò)展一 片74LS161四位計(jì)數(shù)器芯片，就可把原來(lái)的測(cè)量上限擴(kuò)展16倍。如果需要把頻率上限進(jìn)一 步提高，就要擴(kuò)展高位計(jì)數(shù)器，并且要選用工作速度更高的集成計(jì)數(shù)器如：74LS161、74F161 等。
[0009] 作為優(yōu)選，所述平臺(tái)控制器為51單片機(jī)，所述通訊電路包括MX232芯片和九針接 口，所述51單片機(jī)的通訊串口依次通過(guò)MX232芯片和九針接口與控制電腦電連接。
[0010] 作為優(yōu)選，所述平臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括PWM波形產(chǎn)生電路和信號(hào)處理電路構(gòu)成，所 述PWM波形產(chǎn)生電路由74LS373芯片和8253芯片組成的，所述平臺(tái)控制器通過(guò)74LS373芯 片與8253芯片的輸入端連接，8253芯片的輸出端通過(guò)信號(hào)處理電路與所述平臺(tái)電機(jī)電連 接。8253內(nèi)部具有三個(gè)功能完全相同相互獨(dú)立的計(jì)數(shù)器（0, 1，2)，每一個(gè)計(jì)數(shù)器都可工作 于6種方式中的任一種，整個(gè)8253只有一個(gè)控制寄存器，它的內(nèi)容決定了計(jì)數(shù)器的操作 方式，8253內(nèi)部具有三個(gè)功能完全相同相互獨(dú)立的計(jì)數(shù)器（0, 1，2)，每一個(gè)計(jì)數(shù)器都可工 作于6種方式中的任一種，整個(gè)8253只有一個(gè)控制寄存器，它的內(nèi)容決定了計(jì)數(shù)器的操 作方式。
[0011] 作為優(yōu)選，所述信號(hào)處理電路包括L298N芯片、74ALS04芯片、電阻R1、光耦U2、電 阻R2、電阻R3、電阻R8、三極管Q1、與門U3和與門U4, 74ALS04芯片的輸入端與平臺(tái)控制器 連接，74ALS04芯片的輸出端通過(guò)電阻Rl與光耦U2的輸入端連接，光耦U2的輸出端通過(guò) 電阻R2接地，光耦U2的輸出端通過(guò)電阻R3與三極管Ql的基極連接，三極管Ql的集電極 通過(guò)電阻R8與電源連接，三極管Ql的發(fā)射極接地，三極管Ql的集電極還與與門U3的第二 輸入端連接，三極管Ql的集電極還與與門U4的第一輸入