精密工作臺的光柵位移測量和控制系統(tǒng)(參考版)
2024-08-13 21:31本頁面
【正文】 在這個領(lǐng)域內(nèi)花費了大量的時間，以至于對于后面控制部分的投入時間不夠，在測控電路方面只是用原理框圖帶過，沒有把系統(tǒng)所需要的程序?qū)懗鰜怼Ｔ诳刂葡到y(tǒng)部分，單片機主要負責(zé)對信號的傳輸和對計數(shù)器的控制。由于直線電動機驅(qū)動機構(gòu)僅由兩個互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動部件，也無機械滯后以及螺距誤差，從而可達到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統(tǒng)和軸承，當(dāng)用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動直線電動機時，可達到高剛度和高固有頻率，從而達到極好的伺服性能。在控制部分，對于適合此次測量系統(tǒng)的驅(qū)動裝置進行比較后，為了實現(xiàn)高精度的微位移運動，保證控制的質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好穩(wěn)定性、精確性和快速性，選擇了直線直流電機作為驅(qū)動元件。在測量系統(tǒng)部分，在選擇了250線對/mm的光柵后，細分電路要達到400細分，在結(jié)合課本和文獻的知識后，拋棄了一些比較煩雜和不能理解的細分方案后，最后確定了由5倍頻細分電路和4細分辨向電路級聯(lián)的方式達到20細分，信號在經(jīng)過電阻鏈的五倍細分后，形成了2個相位差為90176。確定了以單片機為控制裝置，直流電機為驅(qū)動裝置，測量系統(tǒng)選用光柵傳感器測量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，單片機起著不可或缺的作用，單片機需要接受并發(fā)送原始信號，還要控制計數(shù)器對位移信號的測量，測量后的信號再次經(jīng)過單片機，與初始信號進行比較，比較后重新發(fā)送新的信號，矯正系統(tǒng)的產(chǎn)生誤差。細分后的信號有1個16位的計數(shù)器接受，計數(shù)器上顯示此時的位移量。通信模塊主要完成與上位機的通信，即接收上位機發(fā)出的位移信號和返回完成狀態(tài)信息，控制功率放大電路驅(qū)動伺服電機完成工作臺的移動。單片機作為控制裝置的核心部分，由它來具體執(zhí)行工作臺的精密微位移控制。 控制裝置 直流電機作為系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，是整個控制系統(tǒng)中重要的一部分，但是，直流電機還是需要控制裝置來實現(xiàn)。下圖為直流電機的驅(qū)動電路原理：圖中有R1起著總的限流作用，而且引腳內(nèi)部有上拉電阻，這樣保證電路不會通過太大的電流，在R2的選擇上，R2的上拉作用不但對Q1有影響，而且對Q2的導(dǎo)通也有影響。為了解決高速度和高精度的矛盾，我們采用伺服電機來執(zhí)行工作臺之間的連接來實現(xiàn)微位移的移動 直流電機，定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。 執(zhí)行元件定位執(zhí)行機構(gòu)作為工作臺實現(xiàn)精密定位的關(guān)鍵技術(shù)之一，選擇合適的方案顯得尤為重要。 單片機直線電機工作臺反饋裝置根據(jù)上圖中的原理框圖，先由人為的給定一初始位移W0，通過單片機轉(zhuǎn)換為脈沖信號，電信號通過前置放大電路，直流電機接受脈沖信號，使直線直流電機開始正轉(zhuǎn)，直流電機驅(qū)動工作臺，工作臺移動位移為W1。微機發(fā)送目標(biāo)位移量到單片機中，由單片機中的預(yù)置軟件模塊來控制定位執(zhí)行機構(gòu)進行移動定位。這次精密工作臺定位控制系統(tǒng)就是采用下圖所示的閉環(huán)系統(tǒng)。所謂閉環(huán)伺服，就是系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，在被控的運動過程中，測量環(huán)節(jié)不斷測出實際的輸出量和給定的量進行比較，然后用其差值進行控制，以獲取高精度。將5倍頻細分和下圖四細分級聯(lián)，可以達到20細分 (四細分電路)4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制系統(tǒng)總體方案 作為一個控制系統(tǒng)，有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。從比較器得到的10路信號再經(jīng)過異或門邏輯組合電路，在41和40處得到相差90176。下圖為5倍頻細分 ： (五倍頻信號)整個細分電路由電阻移相網(wǎng)絡(luò)、比較器和邏輯電路組成。通過光電轉(zhuǎn)換，將莫爾條紋轉(zhuǎn)成點信號，轉(zhuǎn)換后的電信號。在采用莫爾條紋測量位移的時候，若單純的對一個周期進行計數(shù)，則儀器的分辨率就是一個周期，所測得的分辨率較難達到較高要求，因此，需要根據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插值，也就是細分，從而獲得更高的精度。因此。Ia是光敏管Ta的檢測電流，VA是比較器放大后得到的對應(yīng)的開關(guān)電壓，Ib是光敏管Tb的檢測電流，Vb是光敏管Tb的檢測電流，當(dāng)指示光柵向右移動時，行成了下圖中的電流電壓波形。由于兩個光敏管所處的位置關(guān)系，其電流在相位上相差90176。 信號的辨相細分如果將莫爾條紋寬度用 w 表示的話， 則w/4 在位置處分別安裝二個光柵管 Ta,Tb, 隨著莫爾條紋的垂直移動，在光敏三極管中感應(yīng)出和光線亮度相應(yīng)的電流，波形呈眶弦波狀。光源經(jīng)標(biāo)尺光柵和指示光柵所行成的摩爾條紋是光信號，要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，要用到接收元件。即： W=w/(2*sin（a）/2)=w/a=kw。利用光電傳感器得到與明暗條紋相對應(yīng)的周期性電壓信號，再經(jīng)放大、變換整形即可得到計數(shù)脈沖。當(dāng)指示光柵相對于標(biāo)尺光柵作水平移動時，莫爾條紋作垂直移動。光柵測量原理( 如圖2 所示) ：將指示光柵安裝于機床導(dǎo)軌機構(gòu)，標(biāo)尺光柵固定于機架。本光柵測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：光柵傳感器為兩個光敏三極管，其輸出是與光柵莫爾條紋對應(yīng)的、相位不同的近正弦波狀的電信號，再經(jīng)差動放大、整型、細分、方向辯別等電路，最終送到可逆計數(shù)器進行計數(shù)。透射光柵的材料為玻璃，易碎，在機床上不宜使用。在對信號進行辨向后，辨向后的信號經(jīng)過細分，達到更高的精度，經(jīng)細分后的信號通過計數(shù)器，實現(xiàn)位移的測量。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這樣就可實現(xiàn)位移信號到電信號的轉(zhuǎn)換。3 測量系統(tǒng)設(shè)計 測量方案 對位移的測量，現(xiàn)在有很多方法，對于精密儀器和測量計量中，采用光柵位移傳感器進行位移的測量。 運動范圍和精度的實現(xiàn)，所以在選擇柵距的時候選250線對/mm，在經(jīng)過一個5倍頻信號和4細分電路聯(lián)級的細分電路，經(jīng)細分后的信號經(jīng)過一個D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)成模擬信號，轉(zhuǎn)換后的信號再次通過1個上述的20細分電路，達到400細分。利用單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示結(jié)果，軟件采用匯編語言實現(xiàn)。這里采用較高的系統(tǒng)定位精度()、故選擇光柵位移檢測系統(tǒng)。在測試技術(shù)中，傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，它擔(dān)負著感受和傳輸信號的重要任務(wù)。由于直線電動機驅(qū)動機構(gòu)僅由兩個互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動部件，也無機械滯后以及螺距誤差，從而可達到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統(tǒng)和軸承。其總體方案見圖3單片機系統(tǒng)放大器直
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