CN107984333A - 一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法 - Google Patents

一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法，光学加工试验机内上部设置有加工装置，由柔索驱动装置控制动平台的运动；光学加工试验机内下部设置有镜面，镜面下方由主动支撑单元进行支撑；光学加工试验机控制系统包括信号处理单元、柔索驱动装置、光栅位移传感器、主控工控机、多轴运动控制器、镜面抛光装置、主动支撑装置；信号处理单元和光栅位移传感器的输出通过CAN总线与主控工控机；主控工控机与多轴运动控制器通过CAN总线传输连接。本发明能够实现对光学加工试验机精准稳定的控制。

Description

一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法
技术领域
本发明属于光学加工技术领域，涉及一种光学加工试验机的控制系统和方法，特别涉及一种基于主动支撑平台的光学加工试验机的控制系统及方法，具体涉及一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法。
背景技术
目前对光学镜面的抛光，特别是对于离轴非球面镜面的抛光，传统的光学加工工艺如小磨头，在加工过程中会引入复印效应、边缘效应等，难以独立完成对高精度、高陡度离轴非球面镜面的抛光。离子束抛光是一种确定性高、稳定性好的加工手段，具有更高的加工效率与可靠性，尤其是在精抛光阶段具有更高的收敛率。
目前光学加工时，镜面主要采用刚性支撑，加工难度大，加工效率低。采用主动支撑技术能够有效降低加工难度，缩短加工周期。而传统的主动支撑采用的是固定支撑和浮动支撑相结合的方式，其中固定支撑在加工过程中会导致局部应力过大等情况。本发明所涉及的主动支撑系统全部采用浮动支撑，避免了局部应力过大等情况，更适合于加工中使用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法，能够实现对光学加工试验机精准,稳定的控制。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统，光学加工试验机呈四棱柱状，上部设置加工装置，包括在顶部四个角对应设置4组柔索驱动装置，通过柔索连接动平台的四个角，所述动平台下方连接有镜面抛光设备，由所述柔索驱动装置驱动柔索，进而控制动平台并带动镜面抛光设备在Z轴方向的运动；光学加工试验机的底部平台上设置有待抛光镜面，所述待抛光镜面下方由主动支撑单元进行支撑；
该控制系统包括测量单元、FPGA信号处理单元、主控工控机、主动支撑单元及多轴运动控制器和柔索驱动装置的控制单元即柔索驱动单元，其中，所述测量单元与柔索驱动单元一一对应连接，测量单元的输出与FPGA信号处理单元连接，所述FPGA信号处理单元的信号输出通过CAN总线与主控工控机连接，所述主控工控机通过CAN总线分别与多轴运动控制器和主动支撑单元的信号传输连接；所述多轴运动控制器与柔索驱动单元传输连接，所述主动支撑单元中的力促动器控制板与CAN总线相连接。
进一步的，所述动平台还设置有水平传动单元，分别为X轴水平传动单元、Y轴水平传动单元，两者分别控制动平台在X轴、Y轴方向的运动；所述水平传动单元的控制系统包括伺服电机、伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器与所述多轴运动控制器信号传输连接，所述伺服驱动器与伺服电机信号传输连接，所述伺服电机的信号输出端与编码器的信号输入端连接，所述编码器的信号输出端与伺服驱动器的信号输入端连接。
进一步的，所述动平台通过调整机构与镜面抛光设备连接，所述调整机构包括一根定长杆和两根电动推杆组成，所述电动推杆与所述多轴运动控制器信号传输连接，形成镜面抛光设备的转动角度控制系统。
进一步的，所述测量单元由光栅位移传感器、张力传感器组成。
进一步的，所述柔索驱动装置每组均包括提升电机、减速器、联轴器、丝杠连接组成。
进一步的，所述柔索驱动装置的控制系统包括伺服电机、伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器与多轴运动控制器信号传输连接，所述伺服驱动器与伺服电机信号传输连接，所述伺服电机的信号输出端与编码器的信号输入端连接，所述编码器的信号输出端与伺服驱动器的信号输入端连接。
进一步的，所述主动支撑单元包括三个力促动器控制板和12个力促动器，每一个力促动器控制板控制相邻的4个力促动器，所述12个力促动器均布设置。
进一步的，每个所述力促动器包含一力传感器和一位移促动器，所述力传感器的输出与力促动器控制板相连接，位移促动器与力促动器控制板信号传输连接，在力促动器控制板中引入PID算法闭环控制各力促动器施加力的过程。
上述的一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统的方法，包括以下步骤：
1)上部加工装置的张力及位置的调节
1-1)当光学加工平台试验机进行工作时，分别安装在柔索驱动装置上的张力传感器检测每个提升钢丝绳上的张力，使其保持均衡；
1-2)张力传感器和光栅位移传感器测量在某一时刻，柔索驱动装置的张力和位移的实时数据，传输给FPGA信号处理单元，FPGA信号处理单元将处理后的数据通过CAN总线发送给主控工控机，得到动平台的实时位置信息；
1-3)柔索驱动装置和水平传动单元的控制系统的编码器将编码器的信号传递给伺服驱动器，再由伺服驱动器将这些信号传递给多轴运动控制器，最后通过CAN总线将信号传递给工控主控机；
1-4)主控工控机对来自CAN总线的动平台的位置和动作信号进行汇总和分析处理，通过分析参考光学镜面与待抛光镜面的差异，将差异信息进行分析处理，完成力学计算和控制系统解算，得到离子束加工的去除函数以及动平台的路径规划，并形成负反馈控制信号，这个控制误差信号是指控制系统根据镜面的差异信息以及平台的位置信息，形成的反馈控制信号；主控工控机通过CAN总线将所述控制误差信号传递给多轴运动控制器，各运动控制系统根据多轴运动控制器下达的指令进行运动，从而控制改变动平台的位置和动作；
2)下部镜面位置的调节
2-1)通过位移促动器上方的力传感器将采集到的力信号传递给力促动器控制板，CAN总线汇总来自多个力促动器控制板的信号，并传递给主控工控机；
2-2)主控工控机处理这些信号得到镜面的实时位置信息，并将镜面的实时位置信息与预制的位置信息比较，得到镜面的位置误差，并将镜面的位置误差信号通过CAN总线传递给力促动器控制板，通过位移促动器进行镜面的位置调整。
进一步的，步骤1-4)中，各运动控制系统根据多轴运动控制器下达的指令进行运动的具体方法为：柔索驱动单元和水平传动单元的控制系统根据多轴运动控制器下达的指令对伺服电机控制，并且实时采集伺服电机反馈的数据，对伺服电机的运行实现闭环控制；柔索驱动单元控制动平台并带动镜面抛光设备在Z轴方向的运动，水平传动单元的控制系统控制动平台并带动镜面抛光设备在在X轴、Y轴方向上的平动，转动角度控制系统控制电动推杆带动镜面抛光设备进行角度转动。
有益效果：本发明提供的柔索驱动的光学加工试验机控制系统及方法，与现有技术相比，具有以下优势：本发明通过CAN总线对各个单元进行集中管理，分散控制。使用FPGA信号处理单元对光栅位移传感器部分进行数据采集分析，通过总线将分析后的数据送给主控机，进一步解算出动平台的位姿。在比较采集到的位姿与预设的轨迹得到误差信号，将误差信号经过总线传递给多轴运动器，多轴运动控制器再将分析到的误差信号及时的传递给伺服驱动器，这种控制方式具有很高的控制精度，整个系统的稳定性也很高。同时多轴运动控制器可以协调多个运动轴的运动关系。
附图说明
图1为本发明控制系统的结构框图；
图2为本发明试验机的结构示意图；
图3为本发明主动支撑单元的力促动器和力促动器控制板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种光学加工试验机的控制系统，控制系统包括测量单元、柔索驱动装置、动平台、光栅位移传感器、主控工控机、多轴运动控制器、FPGA信号处理单元、主动支撑单元；所述FPGA信号处理单元的信号输出通过CAN总线与主控工控机连接。所述主控工控机通过CAN总线与多轴运动控制器的信号传输连接，所述主动支撑单元通过CAN总线与工控主控机传输连接。多轴运动控制器与动平台的牵引装置信号传输连接，牵引装置包括：控制Z轴方向运动的柔索驱动装置、控制X轴和Y轴方向平动的动平台上的水平传动单元、控制转动角度的电动推杆1及电动推杆2。
所述柔索驱动装置的测量单元包括4个张力传感器和4个光栅位移传感器，所述光栅位移传感器安装在钢丝绳连接板上，测量钢丝绳的张力和位移，确保动平台可以保持水平。
柔索驱动装置每组均包括提升电机、减速器、联轴器、丝杠连接组成。柔索驱动装置实现动平台的提升和使动平台水平，防止某一个提升单元受力过大。
所述柔索驱动装置为四个，每个柔索驱动装置的控制系统包括伺服电机、伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器与多轴运动控制器信号传输连接，所述伺服驱动器与伺服电机信号传输连接，所述伺服电机的信号输出端与编码器的信号输入端连接，所述编码器的信号输出端与伺服驱动器的信号输入端连接。
所述主动支撑单元包括12个力促动器和3个力促动器控制板组成，主动光学支撑平台通过12个力促动器构成主动支撑点。如图3所示，12个力促动器按照所在区域分为3个区，每个力促动器控制板对每一个分区的4个力促动器进行集中控制。每个力促动器包含一个力传感器和一个位移促动器，力传感器的输出与力促动器控制板相连接，位移促动器与力促动器控制板信号传输连接。由于单独对一个力促动器施加力时，会引起临近的促动器位置力发生变化，既存在相互耦合，这种耦合的存在使得各力促动器很难达到所需的精度需求，在力促动器控制板中引入PID算法闭环控制各力促动器施加力的过程，使得支撑点达到输出精度要求。所述主动支撑单元的三个主动支撑平台的力促动器控制板与CAN总线相连接。该单元用来平衡和补偿待加工的光学镜面的变形，并使得支撑点达到输出精度要求。
所述的多轴运动控制器、三组力促动器控制板、FPGA信号处理单元，分别挂接在CAN总线上，通过CAN总线进行数据交换。
本实施例的工作方法如下步骤：
1)当光学加工平台试验机进行工作时，分别安装在柔索检测装置上的张力传感器检测每个提升钢丝绳上的张力，防止其中一根张力过大时，导致动平台位置倾斜或单个电机的所承受负载过大，造成不必要的损害。通过光栅位移传感器检测动平台的位置信息，确保在动平台移动过程中保持水平。
2)FPGA信号处理单元将某一时刻柔索装置的张力和位移通过张力传感器和光栅位移传感器的数据采集得到，进行实时处理；将这些数据初步处理后将处理后的数据通过CAN总线发送给主控工控机得到动平台的位置信息，即动平台的实时位置信息。
3)编码器将信号传送给伺服驱动器，将伺服驱动器将信号传递给多轴运动控制器，最后通过CAN总线将信号传递给工控主控机；
4)主控工控机对来自总线的信号进行分析处理，根据待抛光镜面与标准镜面的位置信息的差异，形成控制误差信号，并通过CAN总线传递给多轴运动控制器；具体为：工控主控机汇总来自CAN总线的光学加工试验机位置和动作信息，通过分析参考光学镜面与正在加工的光学镜面的差异，将差异信息进行分析处理，得到离子束加工的去除函数，以及平台的路径规划，主控工控机通过CAN总线将测得的信号传递给多轴运动控制器，伺服驱动器根据多轴运动控制器下达的指令对伺服电机控制，并且实时采集伺服电机反馈的数据，对伺服电机的运行实现闭环控制。
5)镜面的底部使用主动支撑，通过力促动器控制板调整光学镜面在加工中的变形，具体方法为：在待加工的镜面下方，如图3所示，均布12个位移促动器，通过位移促动器上方的力传感器将采集到的力信号传递给力促动器控制板；CAN总线汇总来自多个力促动器控制板的信号，将这些信号传递给主控工控机，主控工控机处理这些信号得到镜面的实时位置信息，并将实时位置信息与预制位置信息比较，得到镜面的位置误差，将误差信号通过CAN总线传递给力促动器控制板，通过位移促动器进行镜面的位置调整。实现了位置的调节，补偿了加工的过程中镜面变形，重力等影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：光学加工试验机呈四棱柱状，上部设置加工装置，包括在顶部四个角对应设置4组柔索驱动装置，通过柔索连接动平台的四个角，所述动平台下方连接有镜面抛光设备，由所述柔索驱动装置驱动柔索，进而控制动平台并带动镜面抛光设备在Z轴方向的运动；光学加工试验机的底部平台上设置有待抛光镜面，所述待抛光镜面下方由主动支撑单元进行支撑；
该控制系统包括测量单元、FPGA信号处理单元、主控工控机、主动支撑单元及多轴运动控制器和柔索驱动装置的控制单元即柔索驱动单元，其中，所述测量单元与柔索驱动单元一一对应连接，测量单元的输出与FPGA信号处理单元连接，所述FPGA信号处理单元的信号输出通过CAN总线与主控工控机连接，所述主控工控机通过CAN总线分别与多轴运动控制器和主动支撑单元的信号传输连接；所述多轴运动控制器与柔索驱动单元传输连接，所述主动支撑单元中的力促动器控制板与CAN总线相连接。
2.根据权利要求1所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：所述动平台还设置有水平传动单元，分别为X轴水平传动单元、Y轴水平传动单元，两者分别控制动平台在X轴、Y轴方向的运动；所述水平传动单元的控制系统包括伺服电机、伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器与所述多轴运动控制器信号传输连接，所述伺服驱动器与伺服电机信号传输连接，所述伺服电机的信号输出端与编码器的信号输入端连接，所述编码器的信号输出端与伺服驱动器的信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：所述动平台通过调整机构与镜面抛光设备连接，所述调整机构包括一根定长杆和两根电动推杆组成，所述电动推杆与所述多轴运动控制器信号传输连接，形成镜面抛光设备的转动角度控制系统。
4.根据权利要求1所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：所述测量单元由光栅位移传感器、张力传感器组成。
5.根据权利要求1所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：所述柔索驱动装置每组均包括提升电机、减速器、联轴器、丝杠连接组成。
6.根据权利要求1所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：所述柔索驱动装置的控制系统包括伺服电机、伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器与多轴运动控制器信号传输连接，所述伺服驱动器与伺服电机信号传输连接，所述伺服电机的信号输出端与编码器的信号输入端连接，所述编码器的信号输出端与伺服驱动器的信号输入端连接。
7.根据权利要求1所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：所述主动支撑单元包括三个力促动器控制板和12个力促动器，每一个力促动器控制板控制相邻的4个力促动器，所述12个力促动器均布设置。
8.根据权利要求7所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统，其特征在于：每个所述力促动器包含一力传感器和一位移促动器，所述力传感器的输出与力促动器控制板相连接，位移促动器与力促动器控制板信号传输连接，在力促动器控制板中引入PID算法闭环控制各力促动器施加力的过程。
9.一种柔索驱动的光学加工试验机控制系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)上部加工装置的张力及位置的调节
1-1)当光学加工平台试验机进行工作时，分别安装在柔索驱动装置上的张力传感器检测每个提升钢丝绳上的张力，使其保持均衡；
1-2)张力传感器和光栅位移传感器测量在某一时刻，柔索驱动装置的张力和位移的实时数据，传输给FPGA信号处理单元，FPGA信号处理单元将处理后的数据通过CAN总线发送给主控工控机，得到动平台的实时位置信息；
1-3)柔索驱动装置和水平传动单元的控制系统的编码器将编码器的信号传递给伺服驱动器，再由伺服驱动器将这些信号传递给多轴运动控制器，最后通过CAN总线将信号传递给工控主控机；
1-4)主控工控机对来自CAN总线的动平台的位置和动作信号进行汇总和分析处理，通过分析参考光学镜面与待抛光镜面的差异，将差异信息进行分析处理，完成力学计算和控制系统解算，得到离子束加工的去除函数以及动平台的路径规划，并形成负反馈控制信号；主控工控机通过CAN总线将所述控制误差信号传递给多轴运动控制器，各运动控制系统根据多轴运动控制器下达的指令进行运动，从而控制改变动平台的位置和动作；
2)下部镜面位置的调节
2-1)通过位移促动器上方的力传感器将采集到的力信号传递给力促动器控制板，CAN总线汇总来自多个力促动器控制板的信号，并传递给主控工控机；
2-2)主控工控机处理这些信号得到镜面的实时位置信息，并将镜面的实时位置信息与预制的位置信息比较，得到镜面的位置误差，并将镜面的位置误差信号通过CAN总线传递给力促动器控制板，通过位移促动器进行镜面的位置调整。
10.根据权利要求9所述的柔索驱动的光学加工试验机控制系统的方法，其特征在于：步骤1-4)中，各运动控制系统根据多轴运动控制器下达的指令进行运动的具体方法为：柔索驱动单元和水平传动单元的控制系统根据多轴运动控制器下达的指令对伺服电机控制，并且实时采集伺服电机反馈的数据，对伺服电机的运行实现闭环控制；柔索驱动单元控制动平台并带动镜面抛光设备在Z轴方向的运动，水平传动单元的控制系统控制动平台并带动镜面抛光设备在在X轴、Y轴方向上的平动，转动角度控制系统控制电动推杆带动镜面抛光设备进行角度转动。
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