CN110208744A - 一种双电机伸缩回转定位机械反馈系统 - Google Patents

一种双电机伸缩回转定位机械反馈系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，它包括：以四象限探测器Ⅰ为基底的主基面板，安装在主基面板上的回转主轴、旋转运动装置、角度平衡装置，以及穿设在回转主轴内部的径向运动装置，通过使用了机械传动调整装置，解决了光纤定位中实时闭环监测和反馈的优化问题，各单元并列排布，可避免光纤与机械构件相互缠绕，实现各单元间独立运行，互不干扰，免除了为减少探测器标定误差而进行的繁杂的标定过程，通过模拟实验，表明定位误差可由10‑20μm降低至5μm左右，提高了定位精度。

Description

一种双电机伸缩回转定位机械反馈系统
技术领域
本发明涉及一种光纤定位领域，具体是一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统。
背景技术
我国研制的LAMOST(LargeSky Area Multi-Object FiberSpec-troscopyTelescope,大天区多目标光纤光谱天文望远镜)，运用于记录星体光谱，已取得诸多成果。由于LAMOST的焦面为球冠形,加之需要观测的目标较多,因此目前国际上其他较为成熟的光纤定位方式(如打孔固定式、磁扣式等)应用于LAMOST有较大困难。而最终使用的是双回旋定位单元，如图1所示，在光纤定位的过程中，中心轴进行回转运动，进而带动光纤随机械单元的主体共同运动，而偏心轴的回转运动带动光纤作偏心回转运动，且各区域之间有一定重叠,从而可实现运转区域无盲区及快速定位的要求。
但LAMOST并行可控式光纤定位技术现阶段投入使用的光纤定位装置多为开环控制，无法实现高精度的闭环实时监测与反馈，其定位精度依赖于标定精度，标定误差及其他影响因素是造成光纤定位单元长期定位误差的主要原因。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，利用二次定准的反馈方式实现闭环控制与自适应调整，提高光纤定位的精度。
技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，它包括：以四象限探测器Ⅰ为基底的主基面板，安装在主基面板上的回转主轴、旋转运动装置、角度平衡装置，以及穿设在回转主轴内部的径向运动装置；
所述的回转主轴的一端与旋转运动装置连接相通且固定于四象限探测器Ⅰ中心，回转主轴的另一端自由，径向运动装置在回转主轴内部伸缩调节长度；
所述的径向运动装置包括径向驱动电机和可伸缩杆，所述的可伸缩杆整体穿设在回转主轴的内部，可伸缩杆一端镶嵌有四象限探测器Ⅱ，径向驱动电机位于旋转运动装置的下方；
所述的旋转运动装置包括旋转驱动电机和旋转外壳，旋转驱动电机位于旋转外壳的下方；
作为本发明的优选，所述的回转主轴为内部中空结构。
作为本发明的优选，所述的可伸缩杆的长度与四象限探测器Ⅰ半径长度一致。
作为本发明的优选，旋转外壳和回转主轴连接相通，可伸缩杆穿设在回转主轴的内部，旋转外壳带动回转主轴以及可伸缩杆进行360°范围内的旋转，使得四象限探测器Ⅱ探测到光斑中心位置，并在后续进行二次定位。
作为本发明的优选，所述的旋转外壳呈圆柱型，旋转外壳的侧面两端开孔，孔径与四象限探测器Ⅱ的直径和厚度相同。
作为本发明的优选，所述的回转主轴的一端与旋转外壳的开孔处连接相通，可伸缩杆在初始状态下，可伸缩杆的一端与回转主轴自由端持平，四象限探测器Ⅱ位于旋转外壳内部；
作为本发明的优选，所述的径向驱动电机和旋转驱动电机的底部与四象限探测器Ⅰ的底部持平。
作为本发明的优选，所述的四象限探测器Ⅰ和四象限探测器Ⅱ为中心开孔型四象限探测器，孔内接光纤，接受光斑信号，采样频率为2.5kHz，采样量程为±1V。
作为本发明的优选，所述的径向驱动电机和旋转驱动电机均为步进电机，光纤与传输信号线可从电机旁绕制集成，也可对双电机进行适应于光纤与传输信号线规格的开孔，再进行集成。
本发明所述的机械反馈系统的调节依据为四象限探测器Ⅰ和四象限探测器Ⅱ所测定的光斑中心位置信息，由信号控制处理中心传输给机械反馈系统进行对应调节。在四象限探测器定准过程中，当目标光斑相对探测器中心产生偏离时，光电流会随光斑在各象限的面积变化而产生相应变化，因此对光电流信号进行处理，便可以确定光斑中心位置。
初始状态下主轴回归x轴方向，且高灵敏四象限探测器Ⅱ位于坐标原点处。所述四象限探测器Ⅰ通过式(Ⅰ)确定光斑中心位置
式(Ⅰ)中，为m的平均值，为n的平均值，为p的平均值，x0和y0是光斑中心坐标的瞬时值,σ是二维高斯函数的标准差。在此过程中，限定光斑中心点位置在x2+y2≥R2区域内，其中R为中心小孔的半径。
得到光斑中心位置坐标后，根据式(Ⅱ)将其转化为极坐标系下对应的(ρ、θ),坐标位置信息实时传输给径向运动装置(3)、旋转运动装置(4)进行对应调节，带动四象限探测器Ⅱ确定光斑中心位置：
式(Ⅱ)中，ρ为径向运动装置(3)可伸缩杆的旋出长度，θ为旋转运动装置(4)的旋转外壳旋转角度，a决定旋转方向(a＝1时逆时针旋转，a＝0时顺时针旋转)。
所述的四象限探测器Ⅰ、Ⅱ均为中心开孔型四象限探测器，孔内接光纤，接受光斑信号，采样频率为2.5kHz，采样量程为±1V。
四象限探测器Ⅰ测定的光斑中心位置坐标初步定位后，初步的光斑位置信息传输给径向运动装置(3)、旋转运动装置(4)，二者作出相应调节后，带动四象限探测器Ⅱ找到光斑位置。但由于四象限探测器的定位精度完全依赖于标定精度，标定误差及其它影响因素会造成定位误差，因此首次测出的光斑中心位置与四象限探测器Ⅱ的中心位置不完全重合，可能存在一定偏移。那么此时四象限探测器Ⅱ再次测定得到的光斑中心位置，设坐标为(X,Y)，将作为接下来机械反馈系统补偿修正运行的依据。
重复之前对测得数据的处理步骤，得到更为精确的ρ、θ、a的值：
式(Ⅲ)中，即为结合调节前数据，二次定位后得到的更为精确的光斑中心位置坐标。
若需要光纤定位单元获取更接近实际的光斑中心位置，第二次定位过程可多次进行，以达到目标要求。
有益效果：本发明所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、通过使用了机械传动调整装置，解决了光纤定位中实时闭环监测和反馈的优化问题；
(2)、各单元并列排布，可避免光纤与机械构件相互缠绕，实现各单元间独立运行，互不干扰；
(3)、免除了为减少探测器标定误差而进行的繁杂的标定过程，通过模拟实验，表明定位误差可由10-20μm降低至5μm左右，提高了定位精度。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的左视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，阐明本发明。
如附图所示，本发明所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，它包括：以四象限探测器Ⅰ为基底的主基面板1，安装在主基面板1上的回转主轴2、旋转运动装置4、角度平衡装置5，以及穿设在回转主轴2内部的径向运动装置3；
回转主轴2的一端与旋转运动装置4的旋转外壳42连接相通，固定于四象限探测器Ⅰ中心，另一端自由，整体置于主基面板平面之上，回转主轴2的内部中空，径向运动装置3的可伸缩杆32可在内部伸缩调节长度。
径向运动装置3由径向驱动电机31与可伸缩杆32组成，可伸缩杆32长度与四象限探测器Ⅰ半径长度一致。初始状态下，可伸缩杆32整体位于回转主轴2内部，一端安装有四象限探测器Ⅱ，根据测量并转换后的光斑中心位置坐标值之一：ρ，通过螺旋推进或返退，伸缩调节旋出长度，旋出长度方向为坐标轴正方向。
旋转运动装置4由旋转驱动电机41、旋转外壳42组成，根据测量并转换后的光斑中心位置坐标值之一：θ，由旋转外壳42带动回转主轴2及可伸缩杆32进行360度范围内的旋转，使得四象限探测器Ⅱ探测到光斑中心位置，并在后续进行二次定位。
角度平衡装置5维持进行回转运动中的四象限探测器Ⅱ坐标系方向始终与四象限探测器Ⅰ坐标系方向保持一致。
旋转外壳42呈圆柱型，侧面两端开孔，开孔宽度与高度分别为四象限探测器Ⅱ直径与厚度大小，回转主轴2一端与旋转外壳开孔处连接相通，可伸缩杆初始状态下，一端与回转主轴2自由端持平，四象限探测器Ⅱ恰好位于旋转外壳内部，径向驱动电机、旋转驱动电机均位于旋转外壳下方，底部与四象限探测器Ⅰ底部持平。
实施例
本发明所述的机械反馈系统的调节依据为四象限探测器Ⅰ、Ⅱ所测定的光斑中心位置信息，由信号控制处理中心传输给机械反馈系统进行对应调节。在四象限探测器定准过程中，当目标光斑相对探测器中心产生偏离时，光电流会随光斑在各象限的面积变化而产生相应变化，因此对光电流信号进行处理，便可以确定光斑中心位置。
初始状态下主轴回归x轴方向，且高灵敏四象限探测器Ⅱ位于坐标原点处。所述四象限探测器Ⅰ通过式(Ⅰ)确定光斑中心位置
式(Ⅰ)中，为m的平均值，为n的平均值，为p的平均值，x0和y0是光斑中心坐标的瞬时值,σ是二维高斯函数的标准差。在此过程中，限定光斑中心点位置在x2+y2≥R2区域内，其中R为中心小孔的半径。
得到光斑中心位置坐标后，根据式(Ⅱ)将其转化为极坐标系下对应的(ρ、θ),坐标位置信息实时传输给径向运动装置(3)、旋转运动装置(4)进行对应调节，带动四象限探测器Ⅱ确定光斑中心位置：
式(Ⅱ)中，ρ为径向运动装置(3)可伸缩杆的旋出长度，θ为旋转运动装置(4)的旋转外壳旋转角度，a决定旋转方向(a＝1时逆时针旋转，a＝0时顺时针旋转)。
四象限探测器Ⅰ测定的光斑中心位置坐标初步定位后，初步的光斑位置信息传输给径向运动装置3、旋转运动装置4，二者作出相应调节后，带动四象限探测器Ⅱ找到光斑位置。但由于四象限探测器的定位精度完全依赖于标定精度，标定误差及其它影响因素会造成定位误差，因此首次测出的光斑中心位置与四象限探测器Ⅱ的中心位置不完全重合，可能存在一定偏移。那么此时四象限探测器Ⅱ再次测定得到的光斑中心位置，设坐标为(X,Y)，将作为接下来机械反馈系统补偿修正运行的依据。
重复之前对测得数据的处理步骤，得到更为精确的ρ、θ、a的值：
式(Ⅲ)中，即为结合调节前数据，二次定位后得到的更为精确的光斑中心位置坐标。
径向运动装置(3)中的径向驱动电机与旋转运动装置(4)中的旋转驱动电机均为步进电机，通过步距角(步进电机定子线圈通电一个周期，永磁转子前进一个齿距)的变化，控制主轴旋出长度与旋转角度的对应进动。步距角计算公式：
θ表示步距角；n表示转子齿数；s表示拍数，转子转过一个齿距与磁场完成一个周期性变化所需的脉冲数相同。
若需要光纤定位单元获取更接近实际的光斑中心位置，第二次定位过程可多次进行，以达到目标要求。

Claims (9)

1.一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：它包括：以四象限探测器Ⅰ为基底的主基面板(1)，安装在主基面板(1)上的回转主轴(2)、旋转运动装置(4)、角度平衡装置(5)，以及穿设在回转主轴(2)内部的径向运动装置(3)；
所述的回转主轴(2)的一端与旋转运动装置(4)连接相通且固定于四象限探测器Ⅰ中心，回转主轴(2)的另一端自由，径向运动装置(3)在回转主轴(2)内部伸缩调节长度；
所述的径向运动装置(3)包括径向驱动电机(31)和可伸缩杆(32)，所述的可伸缩杆(32)整体穿设在回转主轴(2)的内部，可伸缩杆(32)一端镶嵌有四象限探测器Ⅱ，径向驱动电机(31)位于旋转运动装置(4)的下方；
所述的旋转运动装置(4)包括旋转驱动电机(41)和旋转外壳(42)，旋转驱动电机(41)位于旋转外壳(42)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的回转主轴(2)为内部中空结构。
3.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的可伸缩杆(32)的长度与四象限探测器Ⅰ半径长度一致。
4.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的旋转外壳(42)带动回转主轴(2)以及可伸缩杆(32)进行360°范围内的旋转，使得四象限探测器Ⅱ探测到光斑中心位置，并在后续进行二次定位。
5.根据权利要求4所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统,其特征在于：所述的旋转外壳(42)呈圆柱型，旋转外壳(42)的侧面两端开孔，孔径与四象限探测器Ⅱ的直径和厚度相同。
6.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的回转主轴(2)的一端与旋转外壳(42)的开孔处连接相通，可伸缩杆(32)在初始状态下，可伸缩杆(32)的一端与回转主轴(2)自由端持平，四象限探测器Ⅱ位于旋转外壳(42)内部。
7.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的径向驱动电机(31)和旋转驱动电机(41)的底部与四象限探测器Ⅰ的底部持平。
8.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的四象限探测器Ⅰ和四象限探测器Ⅱ为中心开孔型四象限探测器，孔内接光纤，接受光斑信号，采样频率为2.5kHz，采样量程为±1V。
9.根据权利要求1所述的一种双电机驱动的伸缩回转定位机械反馈系统，其特征在于：所述的径向驱动电机(31)和旋转驱动电机(41)均为步进电机，光纤与传输信号线可从电机旁绕制集成，也可对双电机进行适应于光纤与传输信号线规格的开孔，再进行集成。
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