一種實驗室控制平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種實驗用控制臺，特別是涉及一種實驗室控制平臺。
【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。這促進了國外發(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)的精密工程中心，康乃爾大學(xué)的國家納 米加工實驗室，路易斯安那大學(xué)的微米制造中心等等。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 心把納米技術(shù)列入2個主要發(fā)展方向之一。英國國家納米技術(shù)（NION)計劃已開始實行，在 英國的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。歐洲的其它國家也 不示弱，把納米技術(shù)列入了"尤里卡計劃"。
[0003] 在上世紀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)動柔性鉸鏈機構(gòu)傳動實現(xiàn)超精 密定位》一文中就詳細介紹了壓電元件和柔性鉸鏈的概念與特點，列舉壓電元件與柔性鉸 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)的柔性鉸鏈機構(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。
[0005] 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《三維精密定位工作 臺的控制系統(tǒng)的研究》一文中對三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)以及變結(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。這種方案在學(xué)校中為學(xué)生精密試驗、實驗都能提供足夠的幫助。

【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，成本低廉的實驗室控制平臺。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種實驗室控制平臺，由電源供電， 其特征在于：包括平臺、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、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電路、壓電陶瓷執(zhí)行器、執(zhí)行器位移檢測裝置 和A/D轉(zhuǎn)換器，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平 臺控制器電連接，所述控制電腦通過D/A轉(zhuǎn)換器與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路的輸 出端與壓電陶瓷執(zhí)行器連接，對應(yīng)壓電陶瓷執(zhí)行器配設(shè)有執(zhí)行器位移檢測裝置，執(zhí)行器位 移檢測裝置通過A/D轉(zhuǎn)換器與控制電腦電連接，所述平臺位移檢測裝置包括配設(shè)在平臺上 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、運放TAA861、電容CU電容 C2、電容C3和電容C4,電源通過電容C4接地，發(fā)光二極管D2的陽極通過電阻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的陽極通 過電阻Rll接地，光敏二極管Dl的陽極通過電容C3與運放TAA861的正輸入端連接，運放 TAA861的正輸入端還依次通過電阻R13和電阻R4與電源連接，運放TAA861的正輸入端還 依次通過電阻R13和電阻R5與接地，運放TAA861的負輸入端依次通過電阻R6和電容C2 接地，運放TAA861的負輸入端依次通過電阻R14和電阻R17與電源連接，運放TAA861的輸 出端通過電容Cl與運放TAA861的反饋端連接，運放TAA861的輸出端與平臺控制器的計數(shù) 器端連接。上位機采用PC機，下位機采用AT89C51單片機為核心設(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。
[0009] 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)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)以及控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 進行了詳細的分析。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，兩平臺的運動中心重合。宏平 臺完成高速、大行程、微米級定位，微位移定位平臺用以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。計數(shù)電路原理，首先記數(shù)電路的 核心問題是確定一個計數(shù)器件，在這里有光柵尺、增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器 幾種元件可以選擇，這些期間各自都有優(yōu)劣點：1.絕對式光電編碼器，使用方便，沒有累計 誤差，不需要每次都執(zhí)行復(fù)位操作，是最為理想的選擇，但是它的成本實過于昂貴。2.增量 式光電編碼器，它可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)電路的測量，并且可以通過計算單圈的轉(zhuǎn)速來測量電機 的速度，但是它也有自己的缺點，就是它實現(xiàn)的電路相對較為復(fù)雜，測量精度容易受到累計 誤差的干擾。3.光柵尺它的電路原理相對簡單，能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的測試，需要通過軟件計算電 機速度，比較簡單的電路實現(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)用于直線移動導(dǎo)軌機構(gòu)，可實現(xiàn)移動量的精確顯示（0.0002mm)和 自動控制，廣泛應(yīng)用于金屬切削機床加工量的數(shù)字顯示和CNC加工中心位置環(huán)的控制。 [0011] 光柵尺通過摩爾條紋原理，通過光電轉(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)用于直線移動導(dǎo)軌機構(gòu)，可實現(xiàn)移動量的精 確顯示和自動控制，已廣泛應(yīng)用于機床加工和儀器的精密測量。
[0013] 光柵傳感器分為敞開式和封閉式兩類。其中敞開式為高精度型。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。最先進可靠的光學(xué)測量系統(tǒng)，采用可靠耐用的高精度五 軸承系統(tǒng)設(shè)計，保證光學(xué)機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)異的重復(fù)定位性和高等級測量精度。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。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