本實(shí)用新型屬于步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種基于虛擬儀器控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)三軸滑臺(tái)。

背景技術(shù)：

三軸滑臺(tái)是常用到的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但現(xiàn)有的三軸滑臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度差。步進(jìn)電機(jī)是三軸滑臺(tái)常用到的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，能夠精確的定位；同時(shí)可以通過控制脈沖的頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)可作為控制用的特種電機(jī)，由于其具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)，從而成為了控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件之一。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要通過采用硬件設(shè)備，如單片機(jī)、DSP器件或者PLC等，但是這些傳統(tǒng)控制方法，不僅電路復(fù)雜，控制精度不高，硬件連接后不易調(diào)整、靈活性差，而且編程也有一定難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決三軸滑臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度差，步進(jìn)電機(jī)控制電路復(fù)雜，靈活性差的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種基于虛擬儀器控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)三軸滑臺(tái)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：

一種基于虛擬儀器控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)三軸滑臺(tái)，包括X軸滑動(dòng)架、Y軸滑動(dòng)架、Z軸滑動(dòng)架及控制裝置，X軸滑動(dòng)架的下方設(shè)有與X軸滑動(dòng)架垂直的X軸滑軌，X軸滑動(dòng)架的上端面設(shè)有Y軸滑軌，Y軸滑動(dòng)架的前端面設(shè)有豎向的Z軸滑軌；X軸滑軌的后端設(shè)有X軸步進(jìn)電機(jī)，X軸滑軌的內(nèi)部設(shè)有沿X軸滑軌長度方向設(shè)置的X軸絲杠，X軸絲杠的后端與X軸步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸同軸裝配，X軸絲杠套裝有X軸螺母，X軸螺母與X軸滑動(dòng)架的下端面固定連接；X軸滑動(dòng)架的左端設(shè)有Y軸步進(jìn)電機(jī)，X軸滑動(dòng)架的內(nèi)部設(shè)有沿Y軸滑軌長度方向設(shè)置的Y軸絲杠，Y軸絲杠的左端與Y軸步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸同軸裝配，Y軸絲杠套裝有Y軸螺母，Y軸螺母與Y軸滑動(dòng)架的前后端面固定連接；Y軸滑動(dòng)架的上端設(shè)有Z軸步進(jìn)電機(jī)，Y軸滑動(dòng)架的內(nèi)部設(shè)有沿Z軸滑軌長度方向設(shè)置的Z軸絲杠，Z軸絲杠的上端與Z軸步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸同軸裝配，Z軸絲杠套裝有Z軸螺母，Z軸螺母與Z軸滑動(dòng)架的左右端面固定連接；X軸步進(jìn)電機(jī)、Y軸步進(jìn)電機(jī)、Z軸步進(jìn)電機(jī)均與控制裝置電性連接。

優(yōu)選的，所述的X軸滑動(dòng)架靠近右端的下端面固設(shè)有X軸輔助架，X軸輔助架中滑動(dòng)穿裝有X軸輔助滑軌。

優(yōu)選的，所述的X軸滑軌的一側(cè)沿X軸滑軌的長度方向固設(shè)有X軸位移傳感器，Y軸滑軌的一側(cè)沿Y軸滑軌的長度方向固設(shè)有Y軸位移傳感器，Z軸滑軌的一側(cè)沿Z軸滑軌的長度方向固設(shè)有Z軸位移傳感器；X軸位移傳感器、Y軸位移傳感器、Z軸位移傳感器均與控制裝置電性連接。

優(yōu)選的，所述的X軸滑軌靠近前端的上端面設(shè)有X軸前限位開關(guān)，X軸滑軌靠近后端的上端面設(shè)有X軸后限位開關(guān)；Y軸滑軌靠近左端的上端面設(shè)有Y軸左限位開關(guān)，Y軸滑軌靠近右端的上端面設(shè)有Y軸右限位開關(guān)；Z軸滑軌靠近上端的前端面設(shè)有Z軸上限位開關(guān)，Z軸滑軌靠近下端的右端面設(shè)有Z軸下限位開關(guān)；X軸前限位開關(guān)、X軸后限位開關(guān)、Y軸左限位開關(guān)、Y軸右限位開關(guān)、Z軸上限位開關(guān)、Z軸下限位開關(guān)均與控制裝置電性連接。

優(yōu)選的，所述的控制裝置包括PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡、X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均為SD528步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡與上位機(jī)建立通訊連接；X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的U3_CW+管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P38管腳連接，U3_CCW+管腳與U1_P40管腳連接，U3_A、U3_B、U3_C、U3_D、U3_E均與X軸步進(jìn)電機(jī)連接；Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的U4_CW+管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P47管腳連接，U4_CCW+管腳與U1_P49管腳連接，U4_A、U4_B、U4_C、U4_D、U4_E均與Y軸步進(jìn)電機(jī)連接；Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的U5_CW+管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P88管腳連接，U5_CCW+管腳與U1_P90管腳連接，U5_A、U5_B、U5_C、U5_D、U5_E均與Z軸步進(jìn)電機(jī)連接；X軸位移傳感器、Y軸位移傳感器、Z軸位移傳感器均為KA300光柵尺位移傳感器；X軸位移傳感器的U6_6管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P15管腳連接，U6_8管腳與U1_P17管腳連接；Y軸位移傳感器的U7_6管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P23管腳連接，U7_8管腳與U1_P25管腳連接；Z軸位移傳感器的U8_6管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P65管腳連接，U8_8管腳與U1_P67管腳連接；X軸前限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P03管腳連接，X軸后限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P04管腳連接；Y軸左限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P08管腳連接，Y軸右限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P09管腳連接；Z軸上限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P53管腳連接，Z軸下限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P54管腳連接。

本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型的三軸滑臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)穩(wěn)定，定位精度高；通過PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)、位置傳感器和上位機(jī)使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)人機(jī)交互的閉環(huán)系統(tǒng)，可以很好的實(shí)現(xiàn)三軸滑臺(tái)的定位控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的電路圖

圖3是本實(shí)用新型對應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖；

圖4是本實(shí)用新型對應(yīng)的人機(jī)交互面板。

圖中：1為X軸滑動(dòng)架，2為X軸滑軌，3為X軸輔助架，4為X軸輔助滑軌，5為Y軸滑動(dòng)架，6為Y軸滑軌，7為Z軸滑動(dòng)架，8為Z軸滑軌，9為X軸步進(jìn)電機(jī)，10為Y軸步進(jìn)電機(jī)，11為Z軸步進(jìn)電機(jī)，12為X軸位移傳感器，13為Y軸位移傳感器，14為Z軸位移傳感器，15為X軸前限位開關(guān)，16為Y軸左限位開關(guān)，17為Y軸右限位開關(guān)，18為Z軸上限位開關(guān)，19為Z軸下限位開關(guān)，20為X軸后限位開關(guān)。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式參見圖1-4，一種基于虛擬儀器控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)三軸滑臺(tái)，包括X軸滑動(dòng)架、Y軸滑動(dòng)架、Z軸滑動(dòng)架及控制裝置，X軸滑動(dòng)架的下方設(shè)有與X軸滑動(dòng)架垂直的X軸滑軌，X軸滑動(dòng)架的上端面設(shè)有Y軸滑軌，Y軸滑動(dòng)架的前端面設(shè)有豎向的Z軸滑軌；X軸滑軌的后端設(shè)有X軸步進(jìn)電機(jī)，X軸滑軌的內(nèi)部設(shè)有沿X軸滑軌長度方向設(shè)置的X軸絲杠，X軸絲杠的后端與X軸步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸同軸裝配，X軸絲杠套裝有X軸螺母，X軸螺母與X軸滑動(dòng)架的下端面固定連接；X軸滑動(dòng)架的左端設(shè)有Y軸步進(jìn)電機(jī)，X軸滑動(dòng)架的內(nèi)部設(shè)有沿Y軸滑軌長度方向設(shè)置的Y軸絲杠，Y軸絲杠的左端與Y軸步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸同軸裝配，Y軸絲杠套裝有Y軸螺母，Y軸螺母與Y軸滑動(dòng)架的前后端面固定連接；Y軸滑動(dòng)架的上端設(shè)有Z軸步進(jìn)電機(jī)，Y軸滑動(dòng)架的內(nèi)部設(shè)有沿Z軸滑軌長度方向設(shè)置的Z軸絲杠，Z軸絲杠的上端與Z軸步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸同軸裝配，Z軸絲杠套裝有Z軸螺母，Z軸螺母與Z軸滑動(dòng)架的左右端面固定連接；X軸步進(jìn)電機(jī)、Y軸步進(jìn)電機(jī)、Z軸步進(jìn)電機(jī)均與控制裝置電性連接。

X軸滑動(dòng)架靠近右端的下端面固設(shè)有X軸輔助架，X軸輔助架中滑動(dòng)穿裝有X軸輔助滑軌。

X軸滑軌的一側(cè)沿X軸滑軌的長度方向固設(shè)有X軸位移傳感器，Y軸滑軌的一側(cè)沿Y軸滑軌的長度方向固設(shè)有Y軸位移傳感器，Z軸滑軌的一側(cè)沿Z軸滑軌的長度方向固設(shè)有Z軸位移傳感器；X軸位移傳感器、Y軸位移傳感器、Z軸位移傳感器均與控制裝置電性連接。

X軸滑軌靠近前端的上端面設(shè)有X軸前限位開關(guān)，X軸滑軌靠近后端的上端面設(shè)有X軸后限位開關(guān)；Y軸滑軌靠近左端的上端面設(shè)有Y軸左限位開關(guān)，Y軸滑軌靠近右端的上端面設(shè)有Y軸右限位開關(guān)；Z軸滑軌靠近上端的前端面設(shè)有Z軸上限位開關(guān)，Z軸滑軌靠近下端的右端面設(shè)有Z軸下限位開關(guān)；X軸前限位開關(guān)、X軸后限位開關(guān)、Y軸左限位開關(guān)、Y軸右限位開關(guān)、Z軸上限位開關(guān)、Z軸下限位開關(guān)均與控制裝置電性連接。

控制裝置包括PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡、X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均為SD528步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡與上位機(jī)建立通訊連接；X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的U3_CW+管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P38管腳連接，U3_CCW+管腳與U1_P40管腳連接，U3_A、U3_B、U3_C、U3_D、U3_E均與X軸步進(jìn)電機(jī)連接；Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的U4_CW+管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P47管腳連接，U4_CCW+管腳與U1_P49管腳連接，U4_A、U4_B、U4_C、U4_D、U4_E均與Y軸步進(jìn)電機(jī)連接；Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的U5_CW+管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P88管腳連接，U5_CCW+管腳與U1_P90管腳連接，U5_A、U5_B、U5_C、U5_D、U5_E均與Z軸步進(jìn)電機(jī)連接；X軸位移傳感器、Y軸位移傳感器、Z軸位移傳感器均為KA300光柵尺位移傳感器；X軸位移傳感器的U6_6管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P15管腳連接，U6_8管腳與U1_P17管腳連接；Y軸位移傳感器的U7_6管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P23管腳連接，U7_8管腳與U1_P25管腳連接；Z軸位移傳感器的U8_6管腳與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P65管腳連接，U8_8管腳與U1_P67管腳連接；X軸前限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P03管腳連接，X軸后限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P04管腳連接；Y軸左限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P08管腳連接，Y軸右限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P09管腳連接；Z軸上限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P53管腳連接，Z軸下限位開關(guān)與PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的U1_P54管腳連接。

XYZ三軸滑臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)絲桿機(jī)械傳動(dòng)，轉(zhuǎn)換為X/Y/Z上的直線位移，如圖1所示。X軸步進(jìn)電機(jī)為PK-569-A型高轉(zhuǎn)矩低震動(dòng)五相步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.36°，行程量程為280mm，絲桿導(dǎo)程為20mm；Y軸步進(jìn)電機(jī)為PK-569-A型高轉(zhuǎn)矩低震動(dòng)五相步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.36°，行程量程是400mm，絲桿導(dǎo)程為20mm；Z軸步進(jìn)電機(jī)PK-544-A高轉(zhuǎn)矩低震動(dòng)五相步進(jìn)電機(jī)，行程量程為68mm，絲桿導(dǎo)程為2mm。步距角和絲桿導(dǎo)程可為實(shí)現(xiàn)定位提供計(jì)算依據(jù)。

控制系統(tǒng)選用KA300光柵尺位移傳感器對三軸的直線位移進(jìn)行檢測，其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，脈沖信號傳輸給PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡，板卡的編碼器輸入引腳進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而測得光柵尺實(shí)際直線位移。該光柵尺具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，XYZ三軸光柵尺的分辨率分別為5um、5um、1um。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為SD528，有16種驅(qū)動(dòng)電流，每相最高達(dá)1.4A?？山邮諉蚊}沖（1P）和雙脈沖（2P）輸入方式，及全步進(jìn)（每步0.72°）或半步進(jìn)（每步0.36°）驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)器接線如圖3所示。驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入方式由下降沿觸發(fā)，即無脈沖信號輸入時(shí)，維持高電平。雙脈沖輸入控制時(shí)，CW端的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，CCW端的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。單脈沖輸入控制時(shí)，CW端脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度，CCW端的高/低電平則控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。本系統(tǒng)采用雙脈沖輸入方式。

PCI1245是一款支持通用運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的4軸通用PCI 步進(jìn)/脈沖型伺服電機(jī)控制卡。由于PCI1245融合DSP和FPGA 控制器設(shè)計(jì)，可彈性添加各種先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制功能。PCI1245在執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)控制功能，不因計(jì)算機(jī)處理器負(fù)載而受引響。研華提供的完整窗口動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)程序Common Motion API共享驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和豐富的應(yīng)用歷程，可支持32/64位窗口操作系統(tǒng)，將大幅減少編程開發(fā)負(fù)擔(dān)。

本系統(tǒng)利用PCI1245的CW± / PULS±、CCW±/ DIR±引腳輸出的脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)速度；LMT+/LMT-為正負(fù)限位信號輸入引腳，行程限位開關(guān)用于保護(hù)系統(tǒng)；編碼器輸入 [ECA+/-、ECB+/-、ECZ+/-]引腳，接收外部位移傳感器反饋信號。

在本系統(tǒng)中，使用虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)開發(fā)三軸滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，管理PCI1245運(yùn)動(dòng)控制卡的操作，提供用戶和控制系統(tǒng)的接口。利用虛擬儀器的事件結(jié)構(gòu)來對三軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制：當(dāng)電腦里面含有多個(gè)PCI板卡是，可以對板卡型號進(jìn)行選擇；按下打開板卡按鈕之后，可以操控整個(gè)面板；操作軸選擇可以根據(jù)目標(biāo)位移或者坐標(biāo)有針對有選擇的控制某一個(gè)軸，如運(yùn)動(dòng)的位移或者運(yùn)行的速度；在停止某一運(yùn)動(dòng)時(shí)有兩種停止模式可供選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇減速停止或者立即停止；在控制運(yùn)動(dòng)位移方面，用戶也可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇運(yùn)動(dòng)的距離是相對距離還是絕對的距離；軸狀態(tài)可以顯示當(dāng)前軸所處在什么狀態(tài)；位移傳感器反饋的信號可以通過實(shí)際軸位置和波形圖顯示。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)人機(jī)交互面板如圖4所示。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。