CN106681376A - 一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统，三维工件台控制结构由X轴电机(1)、X轴光栅尺(4)、X轴限位开关(7)、Y轴电机(2)、Y轴光栅尺(5)、Y轴限位开关(8)、Z轴电机(3)、Z轴光栅尺(6)和Z轴限位开关(9)构成。每轴电机和光栅尺构成闭环定位控制系统实现工件台的快速、精准定位，限位开关防止超出行程。步进电机驱动器和光栅尺根据精度进行设置，光栅位置实时通过USB通信传输到电脑端。MCU根据移动距离和速度，计算并设置PWM周期参数，通过五相步进电机驱动器实现对电机的高精度控制，且三轴独立可控。实验表明，该三维工件台的定位控制系统能够达到数字同轴全息显微移动要求，其闭环系统稳定性和精度高，具备很强的实用性。

Description

一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统
技术领域
本发明属于超精密控制技术领域，具体涉及一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统。
背景技术
数字同轴全息显微系统在充分继承传统传统同轴全息成像无像差、非接触、大视场、CCD空间带宽利用率高、散斑噪声低、系统结构灵活简单等优点的基础上，通过引入波带片进一步优化光路，单次反演消除了传统同轴全息的孪生像影响，提高再现光场信噪比，增大物波与参考波的夹角，使捕获物光波高频波段信息的能力得到进一步提高。
为了提高数字同轴显微系统精度，需要进行图片拼接，利用多幅图片拼接成一张以此实现孔径合成。需要精密工件台承载CCD相机做XY方向步进拼接，其步进运动精度会直接影响相衬同轴全息图的拼接精度。此外，该工件台还需要实现精确调平、调Z方向精度功能。为实现大行程、高精度定位精度，工件台需要采用粗动和精动两层结构，由粗动台快速完成大行程的移动后，由微动台补偿粗动台的移动误差。另外为了实现精确定位，还需要双频激光干涉仪来对整个工件台的运动实时进行检测并反馈给控制系统实现闭环控制。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统，利用电机、光栅尺、限位开关构建高精度闭环控制系统。
本发明采用的技术方案如下：一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统，三维工件台控制系统由X轴电机、X轴光栅尺、X轴限位开关、Y轴电机、Y轴光栅尺、Y轴限位开关、Z轴电机、Z轴光栅尺、Z轴限位开关构成，每轴电机和光栅尺构成闭环定位控制系统实现工件台的快速、精准定位，限位开关防止超出行程，步进电机驱动器和光栅尺根据精度进行设置，光栅位置实时通过USB通信传输到电脑端，MCU根据移动距离和速度，计算并设置PWM周期参数，通过五相步进电机驱动器实现对电机的高精度控制，且三轴独立可控，其中：
X轴闭环定位控制由电机、光栅尺、限位开关构成，电机带动工件台在X轴运动，距离信息通过光栅尺反馈，限位开关处于导轨两侧用于超出行程时紧急制动，Y轴闭环定位控制由电机、光栅尺、限位开关构成，功能与X轴闭环定位控制系统相同，Z轴闭环定位控制由电机、光栅尺、限位开关构成，用于做纵向运动。
更进一步的，闭环控制系统由电机、光栅尺、限位开关构成，总计三路独立的闭环控制系统，包括X轴、Y轴、Z轴。
更进一步的，电机用丝杠导轨与工件台相连，在步进电机驱动器下做直线运动。
更进一步的，光栅尺反馈位置信息，并及时传输到电脑端，传输端口为标准USB接口。
更进一步的，限位开关每个轴两个，前后限位，既防止电机超行程，也作为零位校准。
更进一步的，步进电机驱动器为五相，并在此基础之上可以进一步细分，达到纳米级别的控制精度。
更进一步的，光栅尺为20μm，并在此基础之上可以进行插值，达到纳米级别的位置反馈精度。
更进一步的，限位开关为光电开关，正常时为高电平，挡光时为低电平。
更进一步的，光栅尺的插值精度设置必须不低于五相步进电机驱动器的控制精度。
更进一步的，PWM脉冲输出的周期和占空比可调，根据移动距离和速度要求计算。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明高精度控制，最高精度可以达到50nm。
(2)本发明柔性算法控制，匀加速启动，匀减速停止，减少惯性冲击。
(3)本发明三轴联动，快速定位。
附图说明
图1为本发明的三维工件台；
图2为本发明的设计图；
图3为本发明的柔性控制算法；
图4为本发明的控制过程曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图对本发明的工作原理、结构及具体实施方式进一步介绍。
如图1示出本发明提出的数字同轴全息三维工件台的基本结构，由X轴电机1、X轴光栅尺4、X轴限位开关7，Y轴电机2、Y轴光栅尺5、Y轴限位开关8，Z轴电机3、Z轴光栅尺6、Z轴限位开关9构成。每轴电机和光栅尺构成闭环定位控制系统实现工件台的快速、精准定位，限位开关防止超出行程。步进电机驱动器和光栅尺根据精度进行设置，光栅位置实时通过USB通信传输到电脑端。MCU根据移动距离和速度，计算并设置PWM周期参数，通过五相步进电机驱动器实现对电机的高精度控制，且三轴独立可控。其中：
X轴闭环定位控制由X轴电机1、X轴光栅尺4、X轴限位开关7构成，X轴电机带动工件台在X轴运动，距离信息通过X轴光栅尺7反馈，X轴限位开关7处于导轨两侧用于超出行程时紧急制动。Y轴闭环定位控制由Y轴电机2、Y轴光栅尺5、Y轴限位开关8构成，功能如X轴闭环定位控制系统。Z轴闭环定位控制由Z轴电机3、Z轴光栅尺6、Z轴限位开关9构成，主要做纵向运动。
如图2示出本发明的控制系统框架图，集成电路板主要有MCU；三路32位可逆计数器HCTL2032；三路标准15针D-SUB接口，用于连接光栅尺；USB通信口；CH340G通信芯片，其供电由USB提供，与板载5V共地；三路PWM输出；快门控制输出，专有的24V供电。
如图3示出本发明的闭环控制系统算法，电脑发送执行指令，输送移动距离和移动速度给MCU；MCU算出脉冲数N和匀加速频率f，根据PWM频率设置寄存器输出脉冲控制五相步进电机驱动器驱动电机运动；另一方面光栅反馈的位置信息，计算出移动的距离，当达到设定的匀加速频率对应的距离时，频率继续调高一档。
如图4示出本发明的加减速曲线图，设定不同的速度值，则加速度不同。整个过程主要分为匀加速期、匀速期、以及匀减速期。整个加减速曲线为阶梯状。
本发明的主要操作步骤主要有以下几步：
一是复位：通过程序指令控制X、Y、Z轴使其往调零方向持续快速运动，触发限位开关时即到达零位点，由于三维工件台定位控制精度太高，电机立即停止后会随机反向运动一小段距离，避免在零位点震荡影响光栅零位点的计数。
二是光栅读取：光栅数据根据PC端设定刷新时间，读取HCTL2032的计数器数据并发送到电脑端显示。
三是定位控制：根据光栅尺反馈的位置信息，设定需要移动的距离和移动速度，发送给MCU，执行定位指令。MCU设定初始频率并根据光栅尺反馈的数据逐步增减频率，最终实现匀加减速的快速定位。
四是执行结束：到达指定位置后，MCU跳出控制循环，反馈执行完成命令，并立即刷新当前的光栅尺位置，等待下一个指令。
本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (10)

1.一种数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：三维工件台控制系统由X轴电机(1)、X轴光栅尺(4)、X轴限位开关(7)、Y轴电机(2)、Y轴光栅尺(5)、Y轴限位开关(8)、Z轴电机(3)、Z轴光栅尺(6)和Z轴限位开关(9)构成，每轴电机和光栅尺构成闭环定位控制系统实现工件台的快速、精准定位，限位开关防止超出行程，步进电机驱动器和光栅尺根据精度进行设置，光栅位置实时通过USB通信传输到电脑端，MCU根据移动距离和速度，计算并设置PWM周期参数，通过五相步进电机驱动器实现对电机的高精度控制，且三轴独立可控，其中：
X轴闭环定位控制由X轴电机(1)、X轴光栅尺(4)、X轴限位开关(7)构成，电机带动工件台在X轴运动，距离信息通过X轴光栅尺(4)反馈，X轴限位开关(7)处于导轨两侧用于超出行程时紧急制动，Y轴闭环定位控制由Y轴电机(2)、Y轴光栅尺(5)、Y轴限位开关(8)构成，功能与X轴闭环定位控制系统相同，Z轴闭环定位控制由Z轴电机(3)、Z轴光栅尺(6)、Z轴限位开关(9)构成，用于做纵向运动。
2.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：闭环控制系统由电机、光栅尺、限位开关构成，总计三路独立的闭环控制系统，包括X轴、Y轴、Z轴。
3.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：电机用丝杠导轨与工件台相连，在步进电机驱动器下做直线运动。
4.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：光栅尺反馈位置信息，并及时传输到电脑端，传输端口为标准USB接口。
5.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：限位开关每个轴两个，前后限位，既防止电机超行程，也作为零位校准。
6.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：步进电机驱动器为五相，并在此基础之上可以进一步细分，达到纳米级别的控制精度。
7.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：光栅尺为20μm，并在此基础之上可以进行插值，达到纳米级别的位置反馈精度。
8.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：限位开关为光电开关，正常时为高电平，挡光时为低电平。
9.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：光栅尺的插值精度设置必须不低于五相步进电机驱动器的控制精度。
10.如权利要求1所述的数字同轴全息显微三维工件台控制系统，其特征在于：PWM脉冲输出的周期和占空比可调，根据移动距离和速度要求计算。
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