CN1799769A - 主动抛光盘面形控制的力控制方法及其设备 - Google Patents

Abstract

主动抛光盘面形控制的力控制方法：计算机将数据和控制指令传送给单片机；单片机控制拉力电机带动滚珠丝杆转动，螺母推动杠杆收紧钢丝绳；拉力传感器测量钢丝绳的张紧力；结果传输给单片机；同时控制电机的电流信号反馈给单片机；单片机进行PID计算后经功率放大传输给控制电机调整转速，以调整钢丝绳的拉力。由于钢丝绳的不断改变使主动抛光盘面形变化，保持与所抛光的光学镜面的贴和部分完全一致。本发明还提供了该方法的设备系统。由于采取了拉力环和电流环两环控制系统，并把对计算机信号处理，电机驱动，及拉力传感器信号的处理三部分功能集中在一块电路组件上，简化了电路结构，达到了体积小，载荷轻，动态响应快的技术效果。

Description

主动抛光盘面形控制的力控制方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种天文光学加工的控制技术，具体涉及一种主动抛光盘面形控制的力控制方法。采用该方法可以使主动抛光盘的结构发生改变，本发明还涉及使用该方法的设备：主动抛光盘。

背景技术

在高精度的大型光学系统中，往往需要大口径的非球面或离轴非球面的光学镜面，由于非球面各点的曲率半径不同，即使在同一点上，不同方向的曲率亦不相同，所以加工非球面不能象球面加工那样，采用较大的研磨工具。采用传统的方法，用手工或计算机控制小工具磨盘修磨非球面镜面，面临着高频切带、精度不高、加工周期长等问题。

采用主动抛光盘(active stressed lap)来磨制非球面光学镜面是天文大镜面技术中的一种新技术。这一技术的原理是在大口径非球面镜面磨制过程中，根据抛光盘相对被磨制镜面的坐标，主动实时的将抛光盘变形为镜面上相应部分的非球面，使抛光盘的面形总是与所要求的镜面面形一致，于是就可以像加工球面和平面一样加工出深度的光学非球面镜面。与传统的小工具磨盘磨制非球面相比，它具有较高的玻璃磨削速率和较大频率范围内的自然平滑(无切带)等优点。

主动抛光盘技术的研究首先在美国亚历桑那大学Sterward天文台镜面实验室获得了成功。1998年由S·C·West、H·M·Martin等发表的“Practicaldesign and derformance of the stressed lap polishing tool”一文中，叙述了主动压力抛光盘原理和特点，但对如何控制的硬件和软件几乎没有涉及，仅仅给出了概念性的控制框图(见附件的扫描件)。目前在国际上除了美国，还有英国和北欧等少数国家的大学或天文台的实验室发展了这一技术。

1997年，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所所长崔向群研究员为组长的“九·五”国家自然科学基金重点项目“高精度大口径天文镜面磨制技术”课题中，研制具有主动压力抛光功能的一米光学磨镜机，经过长达7年时间的研究和运行，这项技术获得了成功。

2003年，利用该抛光盘磨制出一块口径Φ910mm，焦比F/2的抛物面镜，镜面面形精度RMS≤λ/30，达到国际先进水平。

2005年，承担国家大科学工程LAMOST望远镜的检验镜的磨制任务，镜面面形精度RMS≤λ/40。

使用主动抛光盘磨制非球面从很大程度上提高了镜面磨制的效率，并且提高了镜面的精度。但是在对抛光盘进行实验测试以及实际镜面磨制的过程中，该系统的面形控制力促动器暴露出一些不足：

1、主动抛光盘的转速还不能太快，一般运行在2转/分，过高的旋转速度将引起抛光盘盘面面形精度的降低，这是因为主动抛光盘面形控制的力促动器的动态响应较慢，影响了镜面磨制的效率和精度，

2、促动器控制系统复杂，使得抛光盘体积大、重量重，使光学加工过程中需要的压模、修模等工作比较麻烦。

3、用现有的控制配置，设备成本较高，每套促动器拉力单元器件成本约6000元，现需采用12套，则需72000元之多，加上其他控制配置和较大的机械结构加工，制作主动抛光盘的成本是较高的，不利于广泛推广应用。

主动抛光盘的控制特别要强调控制的实时性，主动抛光盘的面形误差实际上包括静态误差和动态误差二个部分，正确的数学建模可以提高抛光盘面形静态精度，而优良的机械、控制结构设计与提高抛光盘面形动态精度密切相关。例如，根据美国亚历桑那大学Steward天文台镜面实验室(SOML)S·C·West、H·M·Martin等发表的“Practical design and derformance of thestressed lap polishing tool”一文中的控制系统设计的主动抛光盘面形控制的力促动器，在实际使用的过程中暴露出一些问题，其中最大的问题是动态响应太慢，图1是对一组力促动器进行阶跃响应测试的响应曲线图，给促动器加力，从100N增加到400N，记录下实际加力的动态曲线。因此在磨制镜面时，使用时需要采取动态响应补偿并且同时降低转速从而保证镜面磨制的精度。一般镜面磨制时，抛光盘的转速为2转/分，如果进一步加快速度，将会影响面形的精度。图2和图3分别是转速为2转/分和7转/分时给定理想力与实际输出力的比较图。

在磨制更大非球面度离轴抛物面时，为了获得精确的面形变形精度，主动抛光盘的加力范围更大，抛光盘动态变形的数值也变大，磨制的工艺也更加复杂，利用目前的系统，采去动态响应校正的方法已无法达到镜面的精度要求。

此外，主动抛光盘是数控光学磨镜机的一个重要工具，它是机电一体化很紧密的一个机电部件，它的控制器必须装载在已经十分拥挤的抛光盘的盘面背部，抛光盘在进行工作时，整过抛光盘是压在光学镜面上，而抛光盘对镜面的压力不能太大，否则将增加主动抛光盘压力控制系统的难度，有时水、研磨剂还会溅到力控制器，过大的体积将影响力促动器的维护难度，从控制和使用角度也需要主动抛光盘的体积减小、重量减轻。图4是正在加工中的主动抛光盘，由于盘面控制机构和控制硬件过于复杂，装载在抛光盘背面的“盘载系统”也比较复杂，其总重量达到了60kg，这对于主动抛光盘的大非球面度的变形控制和压力控制都带来了困难，使用也不很方便。

发明内容

为了将主动抛光盘技术更加成熟化，我们不再采用美国文献中有关力控制器的设计思想，应用新的控制结构，采用新型的单片微机的智能功能，提高系统的动态响应，加快抛光盘面形控制速度，并将抛光盘力促动器控制系统简单化，从而缩小抛光盘的体积，减轻了抛光盘的重量，并且从经济角度上减少主动抛光盘的设计成本。

更具体地说，本发明的目的是提供一种主动抛光盘面形控制的力控制方法，该方法采用自动控制技术，按照大口径、非球面镜面磨制的设计要求，在计算机的控制下，根据主动抛光盘在横梁轴的位置和主动抛光盘转动时的实际角度，主动实时地对抛光盘上的力促动器组施加不同的拉力，使抛光盘变形为镜面上相应的非球面面形，使抛光盘的面形总是与所要求的镜面面形相一致。以便克服传统技术主动抛光盘的转速过低、主动抛光盘面形控制的动态响应较慢、促动器控制系统复杂，体积大、重量重，以及设备成本较高等不足。

为了完成上述发明任务，本申请改变传统控制系统采取的三环控制结构(即电流环，速度环和拉力环)，避免采用多环结构；采取两环控制系统：拉力环和电流环。

具体地说，本发明的方案是：主动抛光盘面形控制的力控制方法，包括以下步骤：

计算机根据主动抛光盘转动的实际位置，连续不断地将数据和控制指令传送给单片机；

单片机根据计算机拉力数据及控制指令，控制拉力电机开始工作；

控制电机带动滚珠丝杆转动，套在滚珠丝杆上的螺母直线移动推动杠杆从而收紧钢丝绳；

拉力传感器测量钢丝绳的张紧力；

力传感器的测量结果经过信号放大和A/D转换传输给单片机；

同时，控制电机的电流信号反馈给单片机；

单片机根据反馈的拉力和电流值进行PID计算，将信号传输给功率放大电路；

功率放大电路将放大后的信号传输给控制电机；

控制电机根据该信号调整转速，以调整对钢丝绳的拉力。

主动抛光盘在旋转过程中，由于钢丝绳的不断改变，使抛光盘的面形变化，保持主动抛光盘的面形与所抛光的光学镜面的贴和部份完全一致；

抛光盘的转速越快，抛光盘的面形变化也越快；

以上方法中，对于涉及到单片机的各步骤，本发明推荐以下具体操作，作为本发明力控制方法的优化方案：

新型单片机LPC938初始化，配置为内部晶振和内部复位；

配置LPC938 P0口以及P1.1、P1.2为输入口，读取数字接口卡的10位给定拉力信号；

对LPC938的AD00进行配置，将AD00对应的管脚配置为仅为输入状态，禁止数字信号，通过ADMODA设置AD转换模式为立即启动，

AD转换结果保存在AD0DAT0R和AD0DAT0L，AD0DAT0R存放转换结果的7:0位，AD0DAT0L存放转换结果的9:2位；

连续AD采样5次，并采用防脉冲干扰平均值法对采集的数据进行滤波；

同样对AD01进行AD配置，对驱动芯片LMD18200的电流检测输出信号进行AD采样，采样结果保存在AD0DAT1R和AD0DAT1L。

对LPC938的CCU单元进行设置，配置成非对称的PWM输出，将PWM对应的管脚设置为推挽输出模式，设置CCU定时器重装值，即PWM频率。

根据给定的拉力信号以及反馈的拉力和电流信号，根据增量式PID算法计算并转换成PWM信号；

PWM信号输出给LMD18200，通过该芯片控制电机的运转，从而控制钢丝绳的拉力。

本发明提供的主动抛光盘，其特征在于，一面为抛光面，另一面设有主动压力动态变形机构：12个力促动器，每个力促动器包括控制器和控制电机，每三个控制电机组成一组加力组，一共有四个加力组，均匀地分布在金属盘的四周，每个控制电机的主轴分别与一螺杆联结，螺杆上的螺母通过杠杆与钢丝绳联结，钢丝绳与主动抛光盘背面的固定点固定联结；所述的力促动器控制器结构是：每根钢丝绳的一端分别设有拉力传感器，所有拉力传感器的输出经过信号放大和A/D转换传输给单片机；单片机的输出经功率放大电路分别接各个电机；各控制电机的电流强度信号接单片机。

本发明的主动抛光盘与传统技术的主要区别特征是：

1、去除了测速机，所以大幅度减轻了其重量，简化了机械结构；

2、将力控制器由三环控制系统改为两环控制系统，提高了响应速度，也简化了电路结构。

本发明的主动抛光盘结构的进一步细化，其特征在于，对计算机信号的处理，电机驱动，以及对拉力传感器信号的处理三部分功能集中在一块电路组件上，成为抛光盘专用的力促动控制器。

更具体和更优化地说，所述的力促动器控制器的CPU采用LPC938芯片；单片机采用P89LPC938芯片，该单片机的PWM口外接含有死区功能和驱动功能的专用集成电路。

本发明的有益效果：

传统控制系统采取的是典型的三环控制结构，即电流环，速度环和拉力环。这种三环系统的缺点就是对控制作用的响应较慢，这是因为每次由内环设计到外环，都要采用内环的等效环节，而这种等效传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为先决条件的，拉力环的截止频率往往被限制的太低，从而影响了系统的快速性。因此三环随动系统的结构只适用于对快速响应要求不高的地方；本发明考虑到抛光盘设计的要求，按照体积小，载荷轻，动态响应快的目的效果，对力促器控制器进行了重新设计，把对计算机信号的处理，电机驱动，以及对拉力传感器信号的处理三部分功能集中在一块电路组件上，简化了系统的电路结构，把它做成抛光盘专用的力促动控制器。在该控制系统中，采取了两环控制系统：拉力环和电流环。在镜面抛光过程中，当抛光盘的转速不高时，拉力电机的转速不是很快，速度环的作用不是很大，但是去除了测速机后，当给定力矩变化很大时，将会产生力矩过冲，影响面形控制的精度，既要取消速度环又要获得快速的力矩特性，这是本发明对力控制器研究的设计思想。去掉速度环主要还因为以下几点因素：一是可以不使用用测速机，减轻了抛光盘的重量，减小抛光盘的体积；二是去掉速度环可在一定程度上加快系统的响应速度；三是节省了科研经费。

对改进后的力促动器控制器进行测试的结果见附图：图11是阶跃响应测试图。图12是转速为7转/分时给定理想力与实际输出力的比较图。与图1和图3相比可以看出，系统的响应速度快了很多。

本发明力促动器控制器的体积只是传统技术的五分之一，现在控制系统由一块电路板组成，长宽分别为100mm、70mm，可以很方便的装在抛光盘的背面。并且控制器的造价也只为传统技术的八分之一左右。

对主动抛光盘的变形力促动器控制器进行改进设计后，这种抛光盘可以加工出更大非球面度的高精度的天文镜面。

附图说明

图1电机的阶跃响应曲线；

图2当主动抛光盘以2转/分速度时给定力a与输出力b的关系曲线；

图3当抛光盘转速为7转/分速度时给定力a与输出力b的关系曲线；

图4主动抛光盘12组力促动器机械结构示意图；

图5一组力促动器机械结构示意图；

图6力促动器控制系统方案示意图；

图7力促动器的硬件原理图；

图8单片机主程序流程图；

图9PID计算程序流程图；

图10是阶跃响应测试图；

图11转速为7转/分时给定理想力与实际输出力的比较图。

具体实施方式

实施例1，

力促动器控制器的硬件结构，参照图7：控制电机1的主轴分别与一螺杆联结，螺杆上的螺母通过杠杆3与钢丝绳4联结，钢丝绳4与主动抛光盘背面的固定点固定联结；所述的力促动器控制器结构是：每根钢丝绳的一端分别设有拉力传感器5。图中，2为电机座，6为调节器。

力促动器硬件的具体细节是：单片机选用了PHILPS公司的P89LPC938，它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件；并且集成了8路10位的A/D转换器，并且提供PWM口，这样就不需要另外附加的A/D芯片，减小了电路板的体积。

参照图1～图10：

计算机信号处理部分主要通过xilinx XC9572完成对计算机信号的锁存和缓冲。拉力传感器输出的是弱信号，必须对其进行放大处理，此处的放大器选用AD524芯片，它具有很多优点，如共模抑制比高；非线性误差小；输入阻抗高，低噪声，低失调电压和失调电压漂移，并带差动输入，可变增益输出，非常适合对微弱的电压信号进行放大。拉力传感器信号经过放大处理后，反馈到单片机。拉力反馈以及电机的电流反馈采用了单片机自带的10位A/D转换。对反馈信号的PID调节由单片机完成。

使用单片机的PWM口，外接含有死区功能和驱动功能的专用集成电路，这对于小型直流电动机的控制，其电路非常简单。在该系统中采用了美国国家半导体公司生产的LMD18200。该芯片内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动器，内设过热报警输出和自动关断保护电路，同时该芯片还具有电流检测输出功能。

单片机主程序控制的流程图介绍，参照图8：

力促动器控制器的CPU采取的是PHILIPS公司的LPC938芯片，该芯片内部集成了A/D、PWM等功能，并且运行速度较快，非常适合力促动器的需要。单片机程序中，对电流和拉力反馈信号进行PID计算从而对电机进行实时控制是程序控制的一个主要部分。

图9是PID计算部分的程序流程图。

Steward天文台镜面实验室(SOML)S·C·West、H·M·Martin等发表的“Practical design and derformance of the stressed lap polishing tool”一文中的控制系统的点滴介绍。

对这组力促动器进行了测试实验，测试结果见图10、11。图10力促动器阶跃响应测试图。图11为转速为7转/分时，给定理想力a与实际输出力b的比较图。

Claims (5)

1一种主动抛光盘面形控制的力控制方法，包括以下步骤：

计算机根据主动抛光盘转动的实际位置，连续不断地将数据和控制指令传送给单片机；

单片机根据计算机拉力数据及控制指令，控制拉力电机开始工作；

控制电机带动滚珠丝杆转动，套在滚珠丝杆上的螺母直线移动推动杠杆从而收紧钢丝绳；

拉力传感器测量钢丝绳的张紧力；

力传感器的测量结果经过信号放大和A/D转换传输给单片机；

同时，控制电机的电流信号反馈给单片机；

单片机根据反馈的拉力和电流值进行PID计算，将信号传输给功率放大电路；

功率放大电路将放大后的信号传输给控制电机；

控制电机根据该信号调整转速，以调整对钢丝绳的拉力；

主动抛光盘在旋转过程中，由于钢丝绳的不断改变，使抛光盘的面形变化，保持主动抛光盘的面形与所抛光的光学镜面的贴和部份完全一致；抛光盘的转速越快，抛光盘的面形变化也越快。

2、按照权利要求1所述的主动抛光盘面形控制的力控制方法，其特征在于，其中涉及到单片机的各步骤，具体操作如下：

新型单片机LPC938初始化，配置为内部晶振和内部复位；

配置LPC938P0口以及P1.1、P1.2为输入口，读取数字接口卡的10位给定拉力信号；

对LPC938的AD00进行配置，将AD00对应的管脚配置为仅为输入状态，禁止数字信号，通过ADMODA设置AD转换模式为立即启动，

AD转换结果保存在AD0DAT0R和AD0DAT0L，AD0DAT0R存放转换结果的7:0位，AD0DAT0L存放转换结果的9:2位；

连续AD采样5次，并采用防脉冲干扰平均值法对采集的数据进行滤波；

同样对AD01进行AD配置，对驱动芯片LMD18200的电流检测输出信号进行AD采样，采样结果保存在AD0DAT1R和AD0DAT1L；

对LPC938的CCU单元进行设置，配置成非对称的PWM输出，将PWM对应的管脚设置为推挽输出模式，设置CCU定时器重装值，即PWM频率；

根据给定的拉力信号以及反馈的拉力和电流信号，根据增量式PID算法计算并转换成PWM信号；

PWM信号输出给LMD18200，通过该芯片控制电机的运转，从而控制钢丝绳的拉力。

3、一种权利要求1所述的主动抛光盘面形控制的力控制方法所使用的设备：主动抛光盘，其特征在于，一面为抛光面，另一面设有主动压力动态变形机构：12个力促动器，每个力促动器包括控制器和控制电机，每三个控制电机组成一组加力组，一共有四个加力组，均匀地分布在金属盘的四周，每个控制电机的主轴分别与一螺杆联结，螺杆上的螺母通过杠杆与钢丝绳联结，钢丝绳与主动抛光盘背面的固定点固定联结；所述的力促动器控制器结构是：每根钢丝绳的一端分别设有拉力传感器，所有拉力传感器的输出经过信号放大和A/D转换传输给单片机；单片机的输出经功率放大电路分别接各个电机；各控制电机的电流强度信号接单片机。

4、按照权利要求3所述的主动抛光盘面形控制的力控制设备，其特征在于，对计算机信号的处理，电机驱动，以及对拉力传感器信号的处理三部分功能集中在一块电路组件上，成为抛光盘专用的力促动控制器。

5、按照权利要求3或4所述的主动抛光盘面形控制的力控制设备，其特征在于，所述的力促动器控制器的CPU采用LPC938芯片；单片机采用P89LPC938芯片，该单片机的PWM口外接含有死区功能和驱动功能的专用集成电路。

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