CN108572440A - 一种机械显微镜的载物台数控驱动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械显微镜的载物台数控驱动装置，用于使用旋钮控制载物台的机械显微镜，所述的机械显微镜包括分别用于控制载物台沿X轴或Y轴运动的两个旋钮，其特征在于，所述的载物台数控驱动装置包括：机械控制模块、电机驱动模块、微处理器模块和电源模块，机械控制模块包括分别固定在两个旋钮外周的齿轮、传动齿轮、X轴步进电机和Y轴步进电机，微处理器模块通过电机驱动模块驱动两个步进电机，两个步进电机通过载物台底座固定在显微镜上，使用齿轮传动方式分别控制两个旋钮转动，实现载物台沿X轴或Y轴的运动控制，并通过X轴限位开关和Y轴限位开关找零和限位。本发明同时提供一种上述驱动装置的控制方法。本发明具有成本低精度高的优点。

Description

一种机械显微镜的载物台数控驱动装置及其控制方法

技术领域

本发明属于医学仪器领域，特别涉及一种显微镜。

背景技术

随着医学技术的发展，能够通过电脑控制的高精度自动显微镜逐渐开始进入市场，但是由于其复杂的结构和高昂的造价导致普及率不高，而观察大面积切片时必须有一个扫描加图像拼接的过程，但手动操作精度有限，导致最后图像质量不佳，一个高精度的数控载物台是必须的。如何对现有普通机械显微镜进行高精度自动控制以达到大面积切片的自动扫描是一个待解决的问题。现有的显微镜数控方案造价高昂且不适用于对机械显微镜的直接改装。

现有的数控显微镜主要分为两种：

第一种是全套数控显微镜，功能强大，精度高，但无法利用现有普通机械显微镜，结构复杂且成本极高；

第二种是改装方案，成本虽有所降低，但无法实现高精度控制。

专利号为CN106990522A的实用新型公开了一种显微镜的电动改装方案，但其采用直接控制的方式，无法与上位机联动，缺乏相关算法对误差的补正，受力机械结构使用塑料进一步降低了精确度。

专利号为CN1553241的发明公开了一种完整的数控显微镜方案，但其定制度较高，无法用于现有显微镜改装。

专利号为CN206321866U的实用新型公开了一种使用步进电机控制载物台的方案，采用了昂贵的高精度步进电机以及较为复杂的丝杠等机械结构，且体积较大无法对现有显微镜进行改装。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对机械显微镜的载物台数控驱动装置，并给出其驱动方法。技术方案如下是：

一种机械显微镜的载物台数控驱动装置，用于使用旋钮控制载物台的机械显微镜，所述的机械显微镜包括分别用于控制载物台沿X轴或Y轴运动的两个旋钮，其特征在于，所述的载物台数控驱动装置包括：机械控制模块、电机驱动模块、微处理器模块和电源模块，机械控制模块包括分别固定在两个旋钮外周的齿轮、传动齿轮、X轴步进电机和Y轴步进电机，微处理器模块通过电机驱动模块驱动两个步进电机，两个步进电机通过载物台底座固定在显微镜上，使用齿轮传动方式分别控制两个旋钮转动，实现载物台沿X轴或Y轴的运动控制，并通过X轴限位开关和Y轴限位开关找零和限位。

本发明同时提供上述驱动装置的控制方法，电机驱动模块驱动机械控制模块将载物台两轴移动到X轴限位开关处，Y轴限位开关处，实现原点校正，并以此为原点进行移动，完成此过程后微处理器模块通过串口接收串口数据获得移动及坐标指令，随后换算出X轴步进电机和Y轴步进电机应前进的步数，最后根据此步数驱动机械控制模块将载物台移动到对应位置。

优选地，串口数据包含有下面的特定格式，第一位为起始位，第二位与三位对应X轴坐标，第四位与第五位对应Y轴坐标，第五位为命令位，通过不同的命令代码规定当前坐标优先级或者查询当前运行状态或坐标，第六、七位为结束位；在整个移动过程中，采用齿间间隙补偿和限位开关补偿，其中齿间间隙补偿针对齿轮在运转过程中更换方向时，齿轮间会因间隙而出现误差，当多次变换方向后误差累积到一个较大的水准，通过实际测量获得齿间间隙所对应的步数，再通过补偿算法在每次更换方向时将对应的步数考虑进去；限位开关补偿为当每次某个轴触碰到限位开关后，都自动将该轴归零，从而补偿步数-移动距离之间的线性误差。

本发明的有益效果如下：

(1)本装置可通过串口进行坐标控制、状态查询、坐标查询等多种操作，方便上位机的二次开发，比如配合图像拼接算法进行全幅扫描，具有较强的可扩展性；

(2)本装置使用补偿算法，仅使用低成本的步进电机即可走出精密的步进值，精度可控制在0.02mm以内；

(3)实现了对现有普通机械显微镜的利用，机械结构简单，成本低廉。

附图说明

图1为装置立体图。

附图标记说明如下：

1：X轴限位开关，2：载物台，3：Y轴限位开关，4:旋钮，5:旋钮，6:塑料件，7：X轴步进电机，8：Y轴步进电机

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述：

参见图1，本发明的机械显微镜的载物台数控驱动装置，图中结构可实现在现有机械显微镜的基础上进行数控改装，通过直接在原旋钮上安装齿轮方式模拟人手的控制，可适用于大量使用旋钮控制载物台的普通机械显微镜。

本发明所述的低成本普通机械显微镜高精度数控装置对现有的显微镜数控方案进行了创新，现有装置有的造价极高，有的精度不足，且不能利用现有机械显微镜，不能满足医学研究的需要；本发明的独创之处是使用现有机械显微镜和一些低成本硬件配合简单而独到的机械结构进行改装，配合相应误差补偿算法可以实现高精度控制；具有完善的串口控制-反馈机制，上位机能通过串口对载物台坐标进行控制和查询，能够在机械显微镜下自动精密移动实验样本。

硬件结构上包括：机械控制模块、电机驱动模块、微处理器模块和电源模块。

机械控制模块使用了两个四相五线步进电机7和8模拟人手动作直接安装在原机械显微镜旋钮4和5旁，通过套在旋钮上的齿轮传动，通过限位开关1和3找零和限位。

电机驱动模块使用两片达林顿管阵列芯片，对单片机送来的脉冲信号进行放大以达到驱动电机目的。

微处理器模块使用一片STM32F103C8T6，接收来自上位机的指令控制电机做出相应动作，并给予上位机反馈信息，同时其编写有齿轮间隙误差补偿函数等控制误差的方案，提高整体精度。

电源模块为整个装置供电，使用一片BUCK架构LM2596开关降压芯片输出稳定的5V，同时留有Micro_USB接口，可直接使用USB进行5V供电。

硬件固定部分分为电机固定传动部分、限位开关固定部分、主板固定部分。

电机固定传动部分使用M3铜柱配合塑料件6，对电机进行固定，塑料件通过原旋钮下方的固定螺丝固定在载物台2上，向外伸出两臂将X轴电机7固定到位，X轴电机7通过铜柱将Y轴电机8固定到位，同时将主控板固定在X轴7电机的一边。

限位开关固定部分使用塑料件+M3螺丝的方式，X轴限位开关1穿过载物台底部螺丝固定，Y轴限位开关3通过Z轴弹簧压板固定在Z轴旋钮旁，安装两轴限位开关的塑料件都配备了可调螺丝孔，可适应不同需求。

主板固定部分通过一个塑料件固定在电机固定件上，并尽量减少对精度的影响。

上电后，电机驱动模块驱动机械控制模块将载物台两轴移动到X轴限位开关1处，Y轴限位开关3处，并以此为原点进行移动，完成此过程后微处理器模块通过串口接收移动及坐标指令，随后换算出X轴步进电机7，Y轴步进电机8应前进的步数，最后根据此步数驱动机械控制模块将载物台移动到对应位置。

具体控制方式为：在开机后显微镜首先会经过一个原点校正的过程，即将X轴和Y轴均移动到坐标为0的位置触碰到限位开关1和3，因为步进电机7和8的输入脉冲数和旋转角度数为一固定线性关系，旋转角度通过齿轮和丝杠以后转换为载物台2在水平两个方向的运动，其也为线性关系，通过理论计算配合实际测量结果在程序中调整两个线性的系数可实现较高精度；

当原点校正后通过串口控制电机7和8精确运行到指定位置，串口数据包含有特定格式，第一位为起始位，第二位与三位对应X轴坐标，第四位与第五位对应Y轴坐标，第五位为命令位，通过不同的命令代码可规定当前坐标优先级或者查询当前运行状态或坐标，第六、七位为结束位。控制功能较为完善有利于进行电脑端的二次开发；

在整个移动过程中，均有高精度误差补偿程序对误差进行修正以提高精度，其主要内容为齿间间隙补偿、限位开关补偿等，其中齿间间隙主要是针对齿轮在运转过程中更换方向时，齿轮间会因间隙而出现误差，当多次变换方向后误差便会累积到一个较大的水准，通过实际测量获得齿间间隙所对应的步数，再通过补偿算法在每次更换方向时将对应的步数考虑进去，即可大大减少这一误差；限位开关补偿为当每次某个轴触碰到限位开关后，都自动将该轴归零，可以补偿步数-移动距离之间的线性误差。

Claims (3)

1.一种机械显微镜的载物台数控驱动装置，用于使用旋钮控制载物台的机械显微镜，所述的机械显微镜包括分别用于控制载物台沿X轴或Y轴运动的两个旋钮，其特征在于，所述的载物台数控驱动装置包括：机械控制模块、电机驱动模块、微处理器模块和电源模块，机械控制模块包括分别固定在两个旋钮外周的齿轮、传动齿轮、X轴步进电机和Y轴步进电机，微处理器模块通过电机驱动模块驱动两个步进电机，两个步进电机通过载物台底座固定在显微镜上，使用齿轮传动方式分别控制两个旋钮转动，实现载物台沿X轴或Y轴的运动控制，并通过X轴限位开关和Y轴限位开关找零和限位。

2.权利要求1所述的驱动装置的控制方法，其特征在于，电机驱动模块驱动机械控制模块将载物台两轴移动到X轴限位开关处，Y轴限位开关处，实现原点校正，并以此为原点进行移动，完成此过程后微处理器模块通过串口接收串口数据获得移动及坐标指令，随后换算出X轴步进电机和Y轴步进电机应前进的步数，最后根据此步数驱动机械控制模块将载物台移动到对应位置。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，串口数据包含有下面的特定格式，第一位为起始位，第二位与三位对应X轴坐标，第四位与第五位对应Y轴坐标，第五位为命令位，通过不同的命令代码规定当前坐标优先级或者查询当前运行状态或坐标，第六、七位为结束位；在整个移动过程中，采用齿间间隙补偿和限位开关补偿，其中齿间间隙补偿针对齿轮在运转过程中更换方向时，齿轮间会因间隙而出现误差，当多次变换方向后误差累积到一个较大的水准，通过实际测量获得齿间间隙所对应的步数，再通过补偿算法在每次更换方向时将对应的步数考虑进去；限位开关补偿为当每次某个轴触碰到限位开关后，都自动将该轴归零，从而补偿步数-移动距离之间的线性误差。