CN108710033A - 一种低成本高精度小型扫描架及控制方法 - Google Patents

一种低成本高精度小型扫描架及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本高精度小型扫描架,包括X轴基座和工控机,所述X轴基座顶部的两侧均固定连接有X轴导轨,且X轴导轨的顶部通过X轴滑块滑动连接有滑板,所述X轴基座的顶部通过轴承座转动连接有X轴滚珠丝杆,所述X轴滚珠丝杆的外表面与滑板的底部螺纹连接,涉及通讯测试设备技术领域。该低成本高精度小型扫描架及控制方法,可大大降低成本和提高了检测精度,减少了反馈线路的连接,对控制箱也进行了简化,经过多方面的测量和验证,其精度完全满足天线测试要求,很好的实现了通过滚珠丝杆和伺服电机的半闭环系统来保证系统控制的精度,从而达到了确保扫描架机械直线导轨的直线度和平面度的目的。

Description

一种低成本高精度小型扫描架及控制方法
技术领域
本发明涉及通讯测试设备技术领域,具体为一种低成本高精度小型扫描架及控制方法。
背景技术
扫描架用来配合完成阵列天线各通道的幅度、相位一致性的测试,是整个近场测量系统中的关键部件。对于不同频率的天线,需要不同精度的扫描架,针对40G天线而言,扫描架平面度0.05mm(RMS)、定位精度±0.05mm的精度是能够满足测试要求的。如果选用滚珠丝杆和直线光栅尺来设计扫描架的话,精度高,但是成本较高,为了降低成本,提高测试性价比,发明了一种滚珠丝杆配合直流伺服电机形成的半闭环系统来设计扫描架。
目前,绝大多数高精度小型扫描架选用滚珠丝杆作为传动部件,直线光栅尺作为反馈部件,但是这样的结构成本较高,不能实现通过滚珠丝杆和伺服电机的半闭环系统来保证系统控制的精度,从而无法达到确保扫描架机械直线导轨的直线度和平面度的目的。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种低成本高精度小型扫描架及控制方法,解决了现有的结构成本较高,不能实现通过滚珠丝杆和伺服电机的半闭环系统来保证系统控制的精度,无法达到确保扫描架机械直线导轨的直线度和平面度目的的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种低成本高精度小型扫描架,包括X轴基座和工控机,所述X轴基座顶部的两侧均固定连接有X轴导轨,且X轴导轨的顶部通过X轴滑块滑动连接有滑板,所述X轴基座的顶部通过轴承座转动连接有X轴滚珠丝杆,所述X轴滚珠丝杆的外表面与滑板的底部螺纹连接,且X轴基座的一侧固定连接有X轴电机,所述X轴电机的输出轴通过联轴器与X轴滚珠丝杆的一端固定连接,所述滑板的顶部固定连接有Y轴底座,所述Y轴基座的一侧固定连接有Y轴导轨,且Y轴基座的顶部固定连接有Y轴电机,所述Y轴电机输出轴的一端通过联轴器固定连接有Y轴滚珠丝杆,且Y轴滚珠丝杆的底端与滑板的顶部转动连接,所述Y轴导轨的一侧通过Y轴滑块滑动连接有Z轴基座,所述Z轴基座的一侧与Y轴滚珠丝杆的外表面螺纹连接,且Z轴基座另一侧的顶部和底部均固定连接有Z轴导轨,所述Z轴基座的一侧固定连接有Z轴电机,且Z轴电机输出轴的一端通过联轴器固定连接有Z轴滚珠丝杆,所述Z轴滚珠丝杆远离Z轴电机的一端通过轴承座与Z轴基座的正面转动连接。
优选的,所述Z轴导轨的一侧通过Z轴滑块滑动连接有支架,且支架的一侧固定连接有探头。
优选的,所述X轴基座顶部的一侧与Y轴基座背面的一侧之间固定连接有X轴拖链,且Y轴基座的背面与Z轴基座的背面之间固定连接有Y轴拖链。
优选的,所述工控机与减速器末级反馈系统实现双向连接,且减速器末级反馈系统包括运动控制卡和伺服电机驱动器,且运动控制卡的输出端与伺服电机驱动器的输入端连接。
优选的,所述伺服电机驱动器的输出端分别与X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的输入端连接,且伺服电机驱动器的输入端分别与电气保护模块和码盘反馈模块的输出端连接,所述电气保护模块的输出端与运动控制卡的输出端连接。
本发明公开了一种低成本高精度小型扫描架的控制方法,包括如下步骤:
S1、工控机通过运动控制卡向伺服电机驱动器发出运动指令和控制信号,控制信号经伺服电机驱动器功率放大后分别驱动X轴电机、Y轴电机和Z轴电机运动;
S2、使I/O口与安装在采样架各部分的限位开关相连,实现运动位置和极限位置的检测,并返回至运动控制卡,采样架的操作可通过远程控制和近程控制二种模式实现;
S3、远程控制,远程测试计算机通过通讯电缆与采样架工控机相连,即可在在远程测试计算机上运行上位机测试软件,完全控制采样架系统的扫描运动、机械调整运动和位置检测等全部功能,通讯方式为USB或者LAN口通讯;
S4、近程控制,工控机系统运行在windows操作系统下,在该系统中运行我们编写的程序文件,亦可实现对采样架的完全控制,通过在软件操作面板设置运动模式和运动参数,可实现扫描运动、机械调整和位置检测;
S5、控制信号通过计算机发给运动控制卡,运动控制卡经伺服电机驱动器分别驱动X轴电机、Y轴电机和Z轴电机运转,实现采样架系统的运动控制和调整控制,I/O口主要完成位置检测输入、限位信号输入和电源、驱动器的启停输出;
S6、依据机械设计和电机性能,给定了系统的最大加速度和最大速度,在此范围内可由用户设置运动参数,通过在控制软件中采样架位置的设置,可实现调整发射天线的位置。
(三)有益效果
本发明提供了一种低成本高精度小型扫描架及控制方法。具备以下有益效果:
(1)、该低成本高精度小型扫描架及控制方法,通过在X轴基座顶部的两侧均固定连接有X轴导轨,且X轴导轨的顶部通过X轴滑块滑动连接有滑板,再分别通过X轴滚珠丝杆、X轴电机、Y轴底座、Y轴导轨、Y轴电机、Y轴滚珠丝杆、Z轴基座、Z轴导轨、Z轴滚珠丝杆、支架、探头、工控机和减速器末级反馈系统的配合设置,可大大降低成本和提高了检测精度,减少了反馈线路的连接,对控制箱也进行了简化,经过多方面的测量和验证,其精度完全满足天线测试要求,在平面近场扫描测试中得到了广泛应用,很好的实现了通过滚珠丝杆和伺服电机的半闭环系统来保证系统控制的精度,从而达到了确保扫描架机械直线导轨的直线度和平面度的目的。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明结构的正视图;
图3为本发明结构侧视图;
图4为本发明采样架半闭环控制的结构原理框图。
图中,1 X轴基座、2工控机、3 X轴导轨、4 X轴滑块、5滑板、5 X轴滚珠丝杆、7 X轴电机、8 Y轴基座、9 Y轴导轨、10 Y轴电机、11 Y轴滚珠丝杆、12 Y轴滑块、13 Z轴基座、14 Z轴导轨、15 Z轴电机、16 Z轴滚珠丝杆、17 Z轴滑块、18支架、19探头、20 X轴拖链、21 Y轴拖链、22减速器末级反馈系统、221运动控制卡、222伺服电机驱动器、23电气保护模块、24码盘反馈模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4,本发明实施例提供一种技术方案:一种低成本高精度小型扫描架,包括X轴基座1和工控机2,X轴基座1顶部的两侧均固定连接有X轴导轨3,且X轴导轨3的顶部通过X轴滑块4滑动连接有滑板5,X轴基座1的顶部通过轴承座转动连接有X轴滚珠丝杆6,X轴滚珠丝杆6的外表面与滑板5的底部螺纹连接,且X轴基座1的一侧固定连接有X轴电机7,X轴电机7的输出轴通过联轴器与X轴滚珠丝杆6的一端固定连接,滑板5的顶部固定连接有Y轴底座8,Y轴基座8的一侧固定连接有Y轴导轨9,且Y轴基座8的顶部固定连接有Y轴电机10,Y轴电机10输出轴的一端通过联轴器固定连接有Y轴滚珠丝杆11,且Y轴滚珠丝杆11的底端与滑板5的顶部转动连接,Y轴导轨9的一侧通过Y轴滑块12滑动连接有Z轴基座13,Z轴基座13的一侧与Y轴滚珠丝杆11的外表面螺纹连接,且Z轴基座13另一侧的顶部和底部均固定连接有Z轴导轨14,Z轴基座13的一侧固定连接有Z轴电机15,且Z轴电机15输出轴的一端通过联轴器固定连接有Z轴滚珠丝杆16,Z轴滚珠丝杆16远离Z轴电机15的一端通过轴承座与Z轴基座13的正面转动连接,采样架总体结构采用直角坐标形式,X方向为水平部分、Y方向为垂直部分,Z轴安装在Y方向的移动部件上,X方向基座由铝合金铣削加工而成,最后通过锚栓与移动台固联,移动台可移动,移动到位后可通过地脚调平,X方向和Y方向都使用直线导轨和滚珠丝杆相结合的运动方式,驱动选用安川交流伺服电机,可实现0.9m×0.5m扫描区域内所有点位置的移动,选用直线导轨和滚珠丝杆的优点是运动平稳,位置精度高,采样架由NextMove ESB运动控制卡221控制,NextMove ES运动控制基于一种高性能的DPS内核,控制卡可通过USB和RS232串口与上位机通讯,系统软件包由两部分组成:运动控制卡221驱动程序和采样架运动控制软件,其中运动控制卡221驱动程序部分由Mint Basic语言进行编程,其运行于Mint WorkBench编辑器之中,采样架控制软件系统则在Windows环境下由VisualC++ 6.0开发,界面友好,交互方便,通过该控制软件调用控制卡驱动程序,从而实现对电机的基本操作,用户可通过采样架运动控制软件进行必要参数的设计,如电机的速度、加速度等参数,要保证系统的定位精度和控制的可靠性,它的速度曲线可划分为启动,稳速和制动三个阶段。
本发明中,Z轴导轨14的一侧通过Z轴滑块17滑动连接有支架18,且支架18的一侧固定连接有探头19。
本发明中,X轴基座1顶部的一侧与Y轴基座8背面的一侧之间固定连接有X轴拖链20,且Y轴基座8的背面与Z轴基座13的背面之间固定连接有Y轴拖链21。
本发明中,工控机2与减速器末级反馈系统22实现双向连接,且减速器末级反馈系统22包括运动控制卡221和伺服电机驱动器222,且运动控制卡221的输出端与伺服电机驱动器222的输入端连接。
本发明中,伺服电机驱动器222的输出端分别与X轴电机7、Y轴电机10和Z轴电机15的输入端连接,且伺服电机驱动器222的输入端分别与电气保护模块23和码盘反馈模块24的输出端连接,电气保护模块23的输出端与运动控制卡221的输出端连接。
本发明还公开了一种低成本高精度小型扫描架的控制方法,包括如下步骤:
S1、工控机2通过运动控制卡221向伺服电机驱动器222发出运动指令和控制信号,控制信号经伺服电机驱动器222功率放大后分别驱动X轴电机7、Y轴电机10和Z轴电机15运动;
S2、使I/O口与安装在采样架各部分的限位开关相连,实现运动位置和极限位置的检测,并返回至运动控制卡221,采样架的操作可通过远程控制和近程控制二种模式实现;
S3、远程控制,远程测试计算机通过通讯电缆与采样架工控机2相连,即可在在远程测试计算机上运行上位机测试软件,完全控制采样架系统的扫描运动、机械调整运动和位置检测等全部功能,通讯方式为USB或者LAN口通讯;
S4、近程控制,工控机2系统运行在windows操作系统下,在该系统中运行我们编写的程序文件,亦可实现对采样架的完全控制,通过在软件操作面板设置运动模式和运动参数,可实现扫描运动、机械调整和位置检测;
S5、控制信号通过计算机发给运动控制卡221,运动控制卡221经伺服电机驱动器222分别驱动X轴电机7、Y轴电机10和Z轴电机15运转,实现采样架系统的运动控制和调整控制,I/O口主要完成位置检测输入、限位信号输入和电源、驱动器的启停输出;
S6、依据机械设计和电机性能,给定了系统的最大加速度和最大速度,在此范围内可由用户设置运动参数,通过在控制软件中采样架位置的设置,可实现调整发射天线的位置。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种低成本高精度小型扫描架,包括X轴基座(1)和工控机(2),其特征在于:所述X轴基座(1)顶部的两侧均固定连接有X轴导轨(3),且X轴导轨(3)的顶部通过X轴滑块(4)滑动连接有滑板(5),所述X轴基座(1)的顶部通过轴承座转动连接有X轴滚珠丝杆(6),所述X轴滚珠丝杆(6)的外表面与滑板(5)的底部螺纹连接,且X轴基座(1)的一侧固定连接有X轴电机(7),所述X轴电机(7)的输出轴通过联轴器与X轴滚珠丝杆(6)的一端固定连接,所述滑板(5)的顶部固定连接有Y轴底座(8),所述Y轴基座(8)的一侧固定连接有Y轴导轨(9),且Y轴基座(8)的顶部固定连接有Y轴电机(10),所述Y轴电机(10)输出轴的一端通过联轴器固定连接有Y轴滚珠丝杆(11),且Y轴滚珠丝杆(11)的底端与滑板(5)的顶部转动连接,所述Y轴导轨(9)的一侧通过Y轴滑块(12)滑动连接有Z轴基座(13),所述Z轴基座(13)的一侧与Y轴滚珠丝杆(11)的外表面螺纹连接,且Z轴基座(13)另一侧的顶部和底部均固定连接有Z轴导轨(14),所述Z轴基座(13)的一侧固定连接有Z轴电机(15),且Z轴电机(15)输出轴的一端通过联轴器固定连接有Z轴滚珠丝杆(16),所述Z轴滚珠丝杆(16)远离Z轴电机(15)的一端通过轴承座与Z轴基座(13)的正面转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高精度小型扫描架,其特征在于:所述Z轴导轨(14)的一侧通过Z轴滑块(17)滑动连接有支架(18),且支架(18)的一侧固定连接有探头(19)。
3.根据权利要求1所述的一种低成本高精度小型扫描架,其特征在于:所述X轴基座(1)顶部的一侧与Y轴基座(8)背面的一侧之间固定连接有X轴拖链(20),且Y轴基座(8)的背面与Z轴基座(13)的背面之间固定连接有Y轴拖链(21)。
4.根据权利要求1所述的一种低成本高精度小型扫描架,其特征在于:所述工控机(2)与减速器末级反馈系统(22)实现双向连接,且减速器末级反馈系统(22)包括运动控制卡(221)和伺服电机驱动器(222),且运动控制卡(221)的输出端与伺服电机驱动器(222)的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种低成本高精度小型扫描架,其特征在于:所述伺服电机驱动器(222)的输出端分别与X轴电机(7)、Y轴电机(10)和Z轴电机(15)的输入端连接,且伺服电机驱动器(222)的输入端分别与电气保护模块(23)和码盘反馈模块(24)的输出端连接,所述电气保护模块(23)的输出端与运动控制卡(221)的输出端连接。
6.根据权利要求1所述的一种低成本高精度小型扫描架的控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1、工控机(2)通过运动控制卡(221)向伺服电机驱动器(222)发出运动指令和控制信号,控制信号经伺服电机驱动器(222)功率放大后分别驱动X轴电机(7)、Y轴电机(10)和Z轴电机(15)运动;
S2、使I/O口与安装在采样架各部分的限位开关相连,实现运动位置和极限位置的检测,并返回至运动控制卡(221),采样架的操作可通过远程控制和近程控制二种模式实现;
S3、远程控制,远程测试计算机通过通讯电缆与采样架工控机(2)相连,即可在在远程测试计算机上运行上位机测试软件,完全控制采样架系统的扫描运动、机械调整运动和位置检测等全部功能,通讯方式为USB或者LAN口通讯;
S4、近程控制,工控机(2)系统运行在windows操作系统下,在该系统中运行我们编写的程序文件,亦可实现对采样架的完全控制,通过在软件操作面板设置运动模式和运动参数,可实现扫描运动、机械调整和位置检测;
S5、控制信号通过计算机发给运动控制卡(221),运动控制卡(221)经伺服电机驱动器(222)分别驱动X轴电机(7)、Y轴电机(10)和Z轴电机(15)运转,实现采样架系统的运动控制和调整控制,I/O口主要完成位置检测输入、限位信号输入和电源、驱动器的启停输出;
S6、依据机械设计和电机性能,给定了系统的最大加速度和最大速度,在此范围内可由用户设置运动参数,通过在控制软件中采样架位置的设置,可实现调整发射天线的位置。
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