一種精密控制臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型是一種實驗用控制臺，特別是設(shè)及一種精密控制臺。
【背景技術(shù)】
[0002] 國外在超精密平臺的設(shè)計研究起步的比較早。運促進了國外發(fā)達國家對精密平 臺及其相關(guān)科學(xué)的研究美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會將納米技術(shù)列為政府重點支持的22項關(guān) 鍵技術(shù)之一，美國國家基金會亦將納米技術(shù)列為優(yōu)先支持的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國許多著名 大學(xué)都設(shè)有納米技術(shù)研究機構(gòu)，如北卡羅萊納大學(xué)的精密工程中屯、，康乃爾大學(xué)的國家納 米加工實驗室，路易斯安那大學(xué)的微米制造中屯、等等。日本把納米技術(shù)作為ERATO計劃中 6項優(yōu)先高技術(shù)探索項目之一，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 屯、把納米技術(shù)列入2個主要發(fā)展方向之一。英國國家納米技術(shù)（NI0N)計劃已開始實行，在 英國的化anfield大學(xué)成立了W納米技術(shù)為研究目標(biāo)的精密工程中屯、。歐洲的其它國家也 不示弱，把納米技術(shù)列入了 "尤里卡計劃"。
[0003] 在上世紀(jì)80年代中后期，國內(nèi)學(xué)者相繼提出了宏微雙重驅(qū)動技術(shù)，紛紛發(fā)表學(xué)術(shù) 論文展開研究討論，目前它是實現(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)精密儀器與機械學(xué)系）的《壓電驅(qū)動柔性較鏈機構(gòu)傳動實現(xiàn)超精 密定位》一文中就詳細(xì)介紹了壓電元件和柔性較鏈的概念與特點，列舉壓電元件與柔性較 鏈機構(gòu)結(jié)合實現(xiàn)超精密定位的典型例子，包括超精密測量、超精密加工、光學(xué)自動聚焦和大 行程超精密定位。為使超精密定位工作臺的結(jié)構(gòu)緊湊，還提出了單驅(qū)動多自由度運動機構(gòu)， 應(yīng)用蠕動式的運動原理可合成機構(gòu)上的多自由度運動，并實現(xiàn)大行程運動。設(shè)計了對稱結(jié) 構(gòu)的柔性較鏈機構(gòu)實現(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亮，譚久彬博±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W兼顧的問題，設(shè)計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)雙柔性二維工作臺無間隙傳動、雙極性可伸縮壓電陶瓷 微位移驅(qū)動和納米精度電容位移監(jiān)測等先進技術(shù)，在微處理器控制下可實現(xiàn)納米量級的定 位。為改善傳統(tǒng)PID控制方法存在的精度低、實時性差等缺陷，提出了一種結(jié)合定位過程中 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。 陽〇化]哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院的孟兆新，胡乃文兩位在《=維精密定位工作 臺的控制系統(tǒng)的研究》一文中對=維精密工作臺快速定位系統(tǒng)的控制原理及結(jié)構(gòu)組成進行 了研究，并對系統(tǒng)進行理論和實驗分析。為了實現(xiàn)高精度的快速定位，系統(tǒng)采用了獨立伺服 控制技術(shù)W及變結(jié)構(gòu)的PID自適應(yīng)控制算法，達到了滿意的定位精度。
[0006]綜上所述，從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看使用宏微結(jié)合的模式再配合陶瓷壓電執(zhí)行 器。采用兩級傳動機構(gòu)的超精密平臺是比較容易實現(xiàn)和切合實際的一種超精密平臺設(shè)計方 法。運種方案在學(xué)校中為學(xué)生精密試驗、實驗都能提供足夠的幫助。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型的目的是為解決目前的技術(shù)方案供學(xué)生使用的精密實驗平臺不足，精 密實驗臺價格太高的問題，提供一種簡單方便，成本低廉的精密控制臺。
[0008] 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種精密控制臺，由電源供電， 包括前級采樣電路、平臺、平臺傳動器、平臺電機、平臺電機驅(qū)動器、平臺位移檢測裝置、平 臺控制器、通訊電路、控制電腦，所述平臺控制器通過通訊電路與控制電腦電連接，所述平 臺控制器通過平臺電機驅(qū)動器與平臺電機連接，所述平臺電機的輸出軸通過平臺傳動器與 平臺機械連接，所述平臺位移檢測裝置配設(shè)在所述平臺電機的輸出軸上，平臺位移檢測裝 置的輸出端與所述前級采樣電路的輸入端連接，所述前級采樣電路的輸出端與平臺控制器 電連接，所述前級采樣電路包括與口U6、與口U5、第一D觸發(fā)器、第二D觸發(fā)器和74LS161 忍片，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端與與口呪的輸出端 連接，所述第一D觸發(fā)器的Q端與與口U6的第一輸入端連接，與口U6的第一輸入端還與平 臺控制忍片的INTO端連接，與口U6的第二輸入端與平臺位移檢測裝置的輸出端連接，與 口U6的輸出端與74LS161的CLK端連接，與口U5的第二輸入端也與平臺位移檢測裝置的 輸出端連接，與口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端與平臺控制忍片的一個標(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忍片的MR端連接，7化S161忍片的CET端和CEP 端均與所述平臺位移檢測裝置的輸出端連接。本實用新型上位機采用PC機，下位機采用 AT89C51單片機為核屯、設(shè)計，測量系統(tǒng)采用的是光柵尺電路，宏平臺采用直流電機驅(qū)動滾珠 絲杠帶動原理設(shè)計。硬件系統(tǒng)是實現(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 的兩級模式來實現(xiàn)大行程、高精度、高速的定位，其硬件系統(tǒng)由宏平臺進給系統(tǒng)、位移測量 系統(tǒng)、微位移定位系統(tǒng)W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 分別對宏平臺伺服進給系統(tǒng)、光柵位移測量計數(shù)系統(tǒng)、微位移精密定位系統(tǒng)W及控制系統(tǒng) 的硬件構(gòu)成進行了詳細(xì)的分析。精密定位系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)X-Y精密定位平臺采用了宏平 臺和微平臺相結(jié)合的模式，微位移平臺固定安裝在宏平臺的上底板上，兩平臺的運動中屯、 重合。宏平臺完成高速、大行程、微米級定位，微位移定位平臺用W完成對宏平臺定位誤差 的補償。通過兩級機構(gòu)的組合，共同實現(xiàn)了大行程高精度的定位動作。雖然輸出的光柵信 號屬于是數(shù)字信號但是要被單片機采集的話還是需要其他了解單片機對信號采集的方法 然后再制作合適的分頻電路來進行高頻率的數(shù)據(jù)采集。單片機工片內(nèi)定時/計數(shù)器在計數(shù) 方式工作時，采用外輸入脈沖作為計數(shù)脈沖，當(dāng)輸入脈沖從高到低跳變時，計數(shù)器加1。最 高計數(shù)頻率為晶振的1/24。故當(dāng)時鐘為12MHZ時，最高計數(shù)頻率為500KHZ。運樣的計數(shù)頻 率并不能讓我們滿意，因為在高速的情況下，過低的計數(shù)頻率會引起誤差。運個就是計數(shù)電 路中的一個比較棘手的問題。解決的辦法是通過擴展集成計數(shù)器，作為前級計數(shù)器，而把片 內(nèi)的計數(shù)器作為后續(xù)計數(shù)器。如果把集成計數(shù)器僅僅作為分頻器來使用的話雖然測量范圍 擴大了，但是相應(yīng)的測量的精度會降低。為了不降低測量精度，要把擴展的集成計數(shù)器作為 低位計數(shù)器通過并行接口相連讀入，參加數(shù)據(jù)運算處理。擴展的位數(shù)可W根據(jù)需要確定。 如果擴展一片7化S161四位計數(shù)器忍片，就可把原來的測量上限擴展16倍。如果需要把頻 率上限進一步提高，就要擴展高位計數(shù)器，并且要選用工作速度更高的集成計數(shù)器如：7化S 16U74F161 等。
[0009] 作為優(yōu)選，所述平臺控制器為51單片機，所述通訊電路包括MX232忍片和九針接 口，所述51單片機的通訊串口依次通過MX232忍片和九針接口與控制電腦電連接。
[0010] 作為優(yōu)選，所述平臺電機驅(qū)動器包括PWM波形產(chǎn)生電路和信號處理電路構(gòu)成，所 述PWM波形產(chǎn)生電路由74LS373忍片和8253忍片組成的，所述平臺控制器通過74LS373忍 片與8253忍片的輸入端連接，8253忍片的輸出端通過信號處理電路與所述平臺電機電連 接。8253內(nèi)部具有=個功能完全相同相互獨立的計數(shù)器（0，1，2)，每一個計數(shù)器都可工作 于6種方式中的任一種，整個8253只有一個控制寄存器，它的內(nèi)容決定了計數(shù)器的操作方 式，8253內(nèi)部具有=個功能完全相同相互獨立的計數(shù)器（0，1，2)，每一個計數(shù)器都可工作 于6種方式中的任一種，整個8253只有一個控制寄存器，它的內(nèi)容決定了計數(shù)器的操作方 式。
[0011] 作為優(yōu)選，所述信號處理電路包括L298N忍片、74ALS04忍片、電阻R1、光禪U2、電 阻R2、電阻R3、電阻R8、S極管Q1、與口U3和與口U4, 74ALS04忍片的輸入端與平臺控制器 連接，74ALS04忍片的輸出端通過電阻R1與光禪U2的輸入端連接，光禪U2的輸出端通過 電阻R2接地，光禪U2的輸出端通過電阻R3與=極管Q1的基極連接，=極管Q1的集電極 通過電阻R8與電源連接，=極管Q1的發(fā)射極接地，=極管Q1的集