專利名稱：一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，具體涉及一種可以應(yīng)用于一維納米級精度變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺的精密運(yùn)動控制系統(tǒng)，屬于幾何量計量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，應(yīng)用于納米級精密測量的儀器，其測量范圍普遍很小。這就要求對被測對象進(jìn)行精確安裝，并對樣品的安裝姿態(tài)進(jìn)行一定范圍的調(diào)整。現(xiàn)有普遍使用的一維精密運(yùn)動平臺，有的雖然能實(shí)現(xiàn)大行程，但只能達(dá)到幾個微米的定位精度，如滾珠導(dǎo)軌平臺；有的雖然可以實(shí)現(xiàn)納米級的定位精度，但只有幾十個微米的行程，如壓電陶瓷微位移運(yùn)動平臺。這些平臺都很難同時滿足樣品的方便安裝和樣品姿態(tài)的精密調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動平臺運(yùn)動行程、定位精度、姿態(tài)調(diào)整的有機(jī)結(jié)合，目前出現(xiàn)了一種由四個精密滾珠絲杠支撐的一維變姿態(tài)運(yùn)動平臺，通過協(xié)調(diào)四個絲杠的旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)平臺的平動和姿態(tài)調(diào)整。要使四個絲杠協(xié)調(diào)運(yùn)動，當(dāng)前普遍采用的是PMAC運(yùn)動控制卡等商業(yè)化多軸運(yùn)動控制器。但這些多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)1.內(nèi)置的運(yùn)動控制算法比較適合于穩(wěn)定平穩(wěn)運(yùn)行的系統(tǒng)，在需要進(jìn)行微動的場合容易造成各個軸的不同步，即所謂的電機(jī)低速爬行現(xiàn)象；2.多個運(yùn)動軸能夠跟隨一個軸隨動，但這樣以來，被跟隨軸的誤差也會疊加到其他軸上去，造成實(shí)際運(yùn)動效果與期望效果偏差較大；3.在開環(huán)控制模式下，運(yùn)動誤差較大；在閉環(huán)控制模式下，不能穩(wěn)定停在一個位置，而是反復(fù)的調(diào)整，不利于平臺的穩(wěn)定，而兩種控制模式的切換，經(jīng)常會造成運(yùn)動臺的抖動；4.無法控制變姿態(tài)平臺恢復(fù)到一個事先設(shè)定的“零姿態(tài)”?！傲阕藨B(tài)”是在變姿態(tài)平臺安裝調(diào)試過程中，通過各種先進(jìn)儀器測量得到的、被認(rèn)為是最佳的平臺姿態(tài)。平臺的所有平動動作、姿態(tài)調(diào)整動作都是在這個“零姿態(tài)”基礎(chǔ)上進(jìn)行的，測量開始和結(jié)束后運(yùn)動臺需要恢復(fù)這一姿態(tài)；5.無法控制系統(tǒng)上電過程中的輸出狀態(tài)。在控制系統(tǒng)上電過程中，輸出電路部分處于失控狀態(tài)，往往會由于意外干擾造成外圍驅(qū)動器的誤動作，不利于平臺的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決大范圍、可變姿態(tài)運(yùn)行的運(yùn)動平臺的運(yùn)動控制問題，提出一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)。本發(fā)明通過與多軸支撐的精密運(yùn)動平臺配合，使其既能控制運(yùn)動平臺平穩(wěn)、低速、高精度平動，又能實(shí)現(xiàn)平臺的小范圍姿態(tài)調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)納米級變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺的大范圍精密平動以及小范圍姿態(tài)調(diào)整。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，包括光電角度編碼器信號處理電路、限位零位信號接收電路、數(shù)字信號處理器、USB通信接口電路和控制輸出電路，其外圍設(shè)備即控制對象為多軸支撐的一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺；多軸支撐的一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺為圓形結(jié)構(gòu)，由支撐框、運(yùn)動臺和多個旋轉(zhuǎn)軸組成，支撐框用于支撐整個運(yùn)動平臺，為圓形，多個旋轉(zhuǎn)軸均勻分布于支撐框圓周上，旋轉(zhuǎn)軸相互配合，共同推動運(yùn)動臺做上下平動或空間轉(zhuǎn)動。每個旋轉(zhuǎn)軸均為絲杠結(jié)構(gòu)，帶有電機(jī)、螺母、光電角度編碼器、零位信號傳感器和限位信號傳感器。由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而推動旋轉(zhuǎn)軸上的螺母上下運(yùn)動；光電角度編碼器用于檢測旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動情況，其輸出信號為正交正弦信號，可以解調(diào)出角度信息，并有零位脈沖作為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向的零位；旋轉(zhuǎn)軸下端的零位信號傳感器和上端限位信號傳感器位于對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸的兩端，分別對應(yīng)該旋轉(zhuǎn)軸的零位和最大行程的位置，用于保護(hù)整個運(yùn)動平臺；光電角度編碼器信號處理電路由信號放大電路、正交正弦信號細(xì)分電路和計數(shù)邏輯電路組成，光電角度編碼器信號處理電路接收運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸所帶的光電角度編碼器輸出的正交正弦信號，由信號放大電路進(jìn)行放大，并經(jīng)正交正弦信號細(xì)分電路進(jìn)行解調(diào)后，由計數(shù)邏輯電路得出其中的角度信息，并將角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理器；

限位零位信號接收電路采集運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸兩端的限位信號傳感器信號、 零位信號傳感器信號和光電角度編碼器輸出的零位信號，并將得到的信號發(fā)送到數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器通過USB通信接口電路和USB通信電纜與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)的控制指令，并將當(dāng)前全部運(yùn)行信息反饋給上位機(jī)；數(shù)字信號處理器利用得到的角度信息和位置信息，根據(jù)從上位機(jī)接收到的控制指令計算出當(dāng)前控制量，并將該控制量轉(zhuǎn)換為模擬控制量，將模擬控制量經(jīng)控制輸出電路驅(qū)動運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸的電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，帶動對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而通過對應(yīng)螺母的升降運(yùn)動來控制運(yùn)動平臺上運(yùn)動臺的姿態(tài)；運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)又會對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸上的光電角度編碼器的信號變化，構(gòu)成一個閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)；上述輸出控制電路的核心部件為輸出控制繼電器，其中控制輸出繼電器控制端由數(shù)字信號處理器控制，公共輸出端與電機(jī)驅(qū)動器的控制輸入端相連，常開觸點(diǎn)連接模擬控制信號輸出端，常閉觸點(diǎn)被一個電阻拉成零電平；系統(tǒng)上電過程中，數(shù)字信號處理器控制繼電器的控制端無效，繼電器不動作，電機(jī)驅(qū)動器的控制端為零，電機(jī)也不會動作；上電過程完成后，由數(shù)字信號處理器控制繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)運(yùn)動受數(shù)字信號處理器控制， 進(jìn)入工作狀態(tài)；上述數(shù)字信號處理器的工作流程為1)數(shù)字信號處理器接收到上位機(jī)的運(yùn)動控制指令后，首先根據(jù)控制指令計算得出運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)實(shí)現(xiàn)的理想運(yùn)動過程，也即對應(yīng)每個控制周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸的光電角度編碼器應(yīng)輸出一個理想角度值；2)數(shù)字信號處理器通過光電角度編碼器信號處理電路接收運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸上光電角度編碼器輸出的正弦角度信號，解調(diào)出其中的角度信息，該角度信息與步驟1)中當(dāng)前控制周期的每個旋轉(zhuǎn)軸的理想角度值相比較，得到當(dāng)前軸位置與理想位置的偏差，利用PID調(diào)節(jié)算法，得到當(dāng)前控制周期內(nèi)對每個旋轉(zhuǎn)軸的控制量，并根據(jù)該控制量來控制對應(yīng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動；3)重復(fù)步驟2)，直到運(yùn)動臺按照控制指令完成相應(yīng)的運(yùn)動動作，到達(dá)上位機(jī)的控制指令所要求的理想位置；

4)數(shù)字信號處理器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)自鎖，也即禁止電機(jī)運(yùn)動，將運(yùn)動臺鎖定在指定位置。有益效果本發(fā)明的一種多軸同步運(yùn)動控制系統(tǒng)，通過與一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺配合，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動臺的高精度、大范圍運(yùn)行，并能夠根據(jù)指令調(diào)整運(yùn)動臺的姿態(tài)，使運(yùn)動平臺具有幾十毫米的平動范圍、納米級的運(yùn)動分辨率、空間滾動姿態(tài)調(diào)整功能，并具備秒級的姿態(tài)調(diào)整精度；本發(fā)明可以控制變姿態(tài)平臺恢復(fù)到一個事先設(shè)定的“零姿態(tài)”;解決了上電過程中控制輸出電路的輸出失控問題。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中四軸支撐的精密運(yùn)動平臺正視圖；圖2中，1、17為電機(jī)，2、16為零位信號傳感器，3,7,15為螺母，4,8,14為旋轉(zhuǎn)軸的絲杠，5、13為限位信號傳感器，6、9、12為光電角度編碼器，10為運(yùn)動臺，11為支撐框；圖3為本發(fā)明的實(shí)施例中四軸支撐的精密運(yùn)動平臺俯視圖；圖3中，18為旋轉(zhuǎn)軸1，19為旋轉(zhuǎn)軸2，20為旋轉(zhuǎn)軸3，21為旋轉(zhuǎn)軸4 ；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例中四軸支撐的精密運(yùn)動平臺實(shí)物圖；圖5為本發(fā)明光電角度編碼器信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本發(fā)明的輸出控制繼電器連接示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光電角度編碼器信號處理電路、限位零位信號接收電路、數(shù)字信號處理器、USB通信接口電路、控制輸出繼電器和控制輸出電路。實(shí)施例將上述多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)用于控制一個四軸支撐的精密運(yùn)動平臺，該精密運(yùn)動平臺為圓形結(jié)構(gòu)，其俯視圖、正視圖和實(shí)物圖分別如圖2、圖3和圖4所示，由支撐框、運(yùn)動臺和四個旋轉(zhuǎn)軸組成，支撐框用于支撐整個運(yùn)動平臺，四個旋轉(zhuǎn)軸均勻分布于支撐框的圓周上，四個旋轉(zhuǎn)軸上的螺母共同支撐運(yùn)動臺；每個旋轉(zhuǎn)軸均帶有電機(jī)、螺母、光電角度編碼器、絲杠、零位信號傳感器和限位信號傳感器；由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)過程中通過絲杠帶動螺母沿軸線平動，四個螺母的協(xié)調(diào)運(yùn)動可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動臺的平動和姿態(tài)變化；每個旋轉(zhuǎn)軸的零位信號傳感器和限位信號傳感器位于對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸的兩端，分別對應(yīng)該旋轉(zhuǎn)軸的零位和最大行程的位置；每個旋轉(zhuǎn)軸的光電角度編碼器的輸出信號為正交正弦角度信號，并且能輸出編碼器零位信號，對應(yīng)每個旋轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動方向的零位；光電角度編碼器信號處理電路如圖5所示，由信號放大電路、正交正弦信號細(xì)分電路和計數(shù)邏輯電路組成，光電角度編碼器信號處理電路接收運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸所帶的光電角度編碼器輸出的正交正弦角度信號，由信號放大電路進(jìn)行放大，并經(jīng)正交正弦信號細(xì)分電路進(jìn)行64倍電子細(xì)分，由計數(shù)邏輯電路得出其中的角度信息，并將該角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理器；限位零位信號接收電路采集運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸兩端的限位信號傳感器信號、 零位信號傳感器信號和光電角度編碼器輸出的零位信號，用于監(jiān)測及恢復(fù)運(yùn)動臺的工作姿態(tài)，并將 得到的信號發(fā)送到數(shù)字信號處理器；運(yùn)動軸兩端的限位、零位傳感器的定位精度為 10個微米，其與光電角度編碼器的零位信號配合，可以達(dá)到亞微米級的定位精度。數(shù)字信號處理器通過USB通信接口電路和USB通信電纜與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)的控制指令，并將當(dāng)前全部運(yùn)行信息反饋給上位機(jī)；數(shù)字信號處理器利用得到的角度信息和位置信息，根據(jù)從上位機(jī)接收到的控制指令計算出當(dāng)前控制量，并根據(jù)該控制量來驅(qū)動運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸的電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，帶動對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而通過對應(yīng)螺母的運(yùn)動來控制運(yùn)動平臺上運(yùn)動臺的運(yùn)動姿態(tài)；運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)又導(dǎo)致對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸上的光電角度編碼器的信號變化，從而構(gòu)成一個閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)；控制輸出電路采用控制輸出繼電器的方式，如圖6所示，控制輸出繼電器控制端由數(shù)字信號處理器控制，公共輸出端與電機(jī)驅(qū)動器的控制輸入端相連，常開觸點(diǎn)連接模擬控制信號輸出端，常閉觸點(diǎn)被一個電阻拉成零電平；系統(tǒng)上電過程中，數(shù)字信號處理器控制繼電器的控制端無效，繼電器不動作，電機(jī)驅(qū)動器的控制端為零，電機(jī)也不會動作；上電過程完成后，由數(shù)字信號處理器控制繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)運(yùn)動受數(shù)字信號處理器控制，進(jìn)入工作狀態(tài)；上述數(shù)字信號處理器的工作流程為1)數(shù)字信號處理器接收到上位機(jī)的運(yùn)動控制指令后，首先根據(jù)控制指令計算得出運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)實(shí)現(xiàn)的理想運(yùn)動過程，也即對應(yīng)每個控制周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸的光電角度編碼器應(yīng)輸出一個理想角度值；2)數(shù)字信號處理器通過光電角度編碼器信號處理電路接收運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸上光電角度編碼器輸出的正弦角度信號，解調(diào)出其中的角度信息，該角度信息與步驟1)中當(dāng)前控制周期的每個旋轉(zhuǎn)軸的理想角度值相比較，得到當(dāng)前軸位置與理想位置的偏差，利用PID調(diào)節(jié)算法，得到當(dāng)前控制周期內(nèi)對每個旋轉(zhuǎn)軸的控制量，并根據(jù)該控制量來控制對應(yīng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動；3)重復(fù)步驟2)，直到運(yùn)動臺按照控制指令完成相應(yīng)的運(yùn)動動作，到達(dá)上位機(jī)的控制指令所要求的理想位置；4)數(shù)字信號處理器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)自鎖，也即禁止電機(jī)運(yùn)動，將運(yùn)動臺鎖定在指定位置。本實(shí)施例中，四軸支撐的一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺的四個旋轉(zhuǎn)軸依次分別定義為旋轉(zhuǎn)軸1、旋轉(zhuǎn)軸2、旋轉(zhuǎn)軸3和旋轉(zhuǎn)軸4，光電角度編碼器采用增量式光電角度編碼器，由于增量式光電角度編碼器的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)無法得到當(dāng)前絕對位置的信息，即無法得到旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前位置，而只能得到相對某一點(diǎn)的變化量；因此需要精密運(yùn)動平臺在上電后首先恢復(fù)到某一事先確定的狀態(tài)，其后的所有運(yùn)動都是相對這一狀態(tài)進(jìn)行的。本實(shí)施例的被控對象是一臺一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺，其即能平動，也能轉(zhuǎn)動，精密運(yùn)動平臺的初始狀態(tài)包括零位置和“零姿態(tài)”，零位置是精密運(yùn)動平臺平動的起點(diǎn)，“零姿態(tài)”是精密運(yùn)動平臺轉(zhuǎn)動的起點(diǎn)。精密運(yùn)動平臺返回零位置的過程相對簡單，只要在保持當(dāng)前姿態(tài)前提下搜索固定在旋轉(zhuǎn)軸上的零位信號傳感器即可?！傲阕藨B(tài)”的搜索要復(fù)雜一些；零位信號傳感器的定位精度比較差，無法作為零姿態(tài)的參考點(diǎn)，多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)使用光電角度編碼器的零位信號作為“零姿態(tài)”的參考點(diǎn)，其定位精度可以達(dá)到亞微米級。由于安裝工藝的限制，沒辦法使所有光電角度編碼器的零位信號同時對齊，因此在調(diào)整完精密運(yùn)動平臺后，通過試驗得到各個角度編碼器零位的相對位置關(guān)系，將其固化在控制系統(tǒng)中，搜索“零姿態(tài)”時，就以這些相對位置關(guān)系作為搜索的依據(jù)。以旋轉(zhuǎn)軸1作為基準(zhǔn)軸，搜索精密運(yùn)動平臺的零位和 “零姿態(tài)”的過程如下1)保持精密運(yùn)動平臺的當(dāng) 前狀態(tài)，控制精密運(yùn)動平臺向下平動，直到觸發(fā)基準(zhǔn)軸也即旋轉(zhuǎn)軸1上的零位信號，該位置為精密運(yùn)動平臺的零位；2)繼續(xù)保持當(dāng)前姿態(tài)，向下搜索，直到觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸1上光電角度編碼器的零位信號；3)按照預(yù)先通過實(shí)驗方法得到的旋轉(zhuǎn)軸2上光電角度編碼器的零位信號與旋轉(zhuǎn)軸1上光電角度編碼器的零位信號的偏差運(yùn)行精密運(yùn)動平臺，其間如果觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸2光電角度編碼器的零位信號，則停止旋轉(zhuǎn)軸2運(yùn)行；否則，在其他軸到達(dá)指定位置后，在精密運(yùn)動平臺允許的范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸2，上下搜索旋轉(zhuǎn)軸2角度編碼器的零位信號；完成后，即得到旋轉(zhuǎn)軸1和旋轉(zhuǎn)軸2的相對位置；4)按照預(yù)先通過實(shí)驗方法得到的旋轉(zhuǎn)軸3編碼器零位與旋轉(zhuǎn)軸2編碼器零位的偏差運(yùn)行精密運(yùn)動平臺，其間如果觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸3光電角度編碼器的零位信號，則停止旋轉(zhuǎn)軸3運(yùn)行；否則，在其他軸到達(dá)指定位置后，在精密運(yùn)動平臺允許的范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸 3，上下搜索旋轉(zhuǎn)軸3角度編碼器的零位信號；完成后，即得到旋轉(zhuǎn)軸1、旋轉(zhuǎn)軸2和旋轉(zhuǎn)軸3 的相對位置；5)按照預(yù)先通過實(shí)驗方法得到的旋轉(zhuǎn)軸4編碼器零位與旋轉(zhuǎn)軸3編碼器零位的偏差運(yùn)行精密運(yùn)動平臺，其間如果觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸4光電角度編碼器的零位信號，則停止旋轉(zhuǎn)軸 4運(yùn)行；否則，在其他軸到達(dá)指定位置后，在精密運(yùn)動平臺允許的范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸4， 上下搜索旋轉(zhuǎn)軸4角度編碼器的零位信號；完成后，即得到旋轉(zhuǎn)軸1、旋轉(zhuǎn)軸2、旋轉(zhuǎn)軸3和旋轉(zhuǎn)軸4的相對位置，完成運(yùn)動臺“零姿態(tài)”的搜索。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了 15mm運(yùn)動范圍內(nèi)0. 4 μ m的定位精度和1 “的姿態(tài)調(diào)整精度。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，其外圍設(shè)備即控制對象為多軸支撐的一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺，多軸支撐的一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺為圓形結(jié)構(gòu)，由支撐框、運(yùn)動臺和多個旋轉(zhuǎn)軸組成，支撐框用于支撐整個運(yùn)動平臺，為圓形，多個旋轉(zhuǎn)軸均勻分布于支撐框圓周上，旋轉(zhuǎn)軸相互配合，共同推動運(yùn)動臺做上下平動或空間轉(zhuǎn)動；每個旋轉(zhuǎn)軸均為絲杠結(jié)構(gòu)，帶有電機(jī)、螺母、光電角度編碼器、零位信號傳感器和限位信號傳感器。由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而推動旋轉(zhuǎn)軸上的螺母上下運(yùn)動；光電角度編碼器用于檢測旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動情況，其輸出信號為正交正弦信號，可以解調(diào)出角度信息，并有零位脈沖作為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向的零位；旋轉(zhuǎn)軸下端的零位信號傳感器和上端限位信號傳感器位于對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸的兩端，分別對應(yīng)該旋轉(zhuǎn)軸的零位和最大行程的位置，用于保護(hù)整個運(yùn)動平臺；一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，其特征在于包括光電角度編碼器信號處理電路、限位零位信號接收電路、數(shù)字信號處理器、USB通信接口電路和控制輸出電路；光電角度編碼器信號處理電路由信號放大電路、正交信號細(xì)分電路和計數(shù)邏輯電路組成，光電角度編碼器信號處理電路接收運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸所帶的光電角度編碼器輸出的正交正弦信號，由信號放大電路進(jìn)行放大，并經(jīng)正交信號細(xì)分電路進(jìn)行解調(diào)后，由計數(shù)邏輯電路得出其中的角度信息，并將角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理器；限位零位信號接收電路采集運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸兩端的限位信號傳感器信號、零位信號傳感器信號和光電角度編碼器輸出的零位信號，并將得到的信號發(fā)送到數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器通過USB通信接口電路和USB通信電纜與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)的控制指令，并將當(dāng)前全部運(yùn)行信息反饋給上位機(jī)；數(shù)字信號處理器利用得到的角度信息和位置信息，根據(jù)從上位機(jī)接收到的控制指令計算出當(dāng)前控制量，并將該控制量轉(zhuǎn)換為模擬控制量，將模擬控制量經(jīng)控制輸出電路驅(qū)動運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸的電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，帶動對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而通過對應(yīng)螺母的升降運(yùn)動來控制運(yùn)動平臺上運(yùn)動臺的姿態(tài)；運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)又會對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸上的光電角度編碼器的信號變化，構(gòu)成一個閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)；上述輸出控制電路的核心部件為輸出控制繼電器，其中控制輸出繼電器控制端由數(shù)字信號處理器控制，公共輸出端與電機(jī)驅(qū)動器的控制輸入端相連，常開觸點(diǎn)連接模擬控制信號輸出端，常閉觸點(diǎn)被一個電阻拉成零電平；系統(tǒng)上電過程中，數(shù)字信號處理器控制繼電器的控制端無效，繼電器不動作，電機(jī)驅(qū)動器的控制端為零，電機(jī)也不會動作；上電過程完成后，由數(shù)字信號處理器控制繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)運(yùn)動受數(shù)字信號處理器控制，進(jìn)入工作狀態(tài)；上述數(shù)字信號處理器的工作流程為1)數(shù)字信號處理器接收到上位機(jī)的運(yùn)動控制指令后，首先根據(jù)控制指令計算得出運(yùn)動平臺上每個旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)實(shí)現(xiàn)的理想運(yùn)動過程，也即對應(yīng)每個控制周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸的光電角度編碼器應(yīng)輸出一個理想角度值；2)數(shù)字信號處理器通過光電角度編碼器信號處理電路接收運(yùn)動平臺每個旋轉(zhuǎn)軸上光電角度編碼器輸出的正弦角度信號，解調(diào)出其中的角度信息，該角度信息與步驟1)中當(dāng)前控制周期的每個旋轉(zhuǎn)軸的理想角度值相比較，得到當(dāng)前軸位置與理想位置的偏差，利用PID 調(diào)節(jié)算法，得到當(dāng)前控制周期內(nèi)對每個旋轉(zhuǎn)軸的控制量，并根據(jù)該控制量來控制對應(yīng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動； 3)重復(fù)步驟2)，直到運(yùn)動臺按照控制指令完成相應(yīng)的運(yùn)動動作，到達(dá)上位機(jī)的控制指令所要求的理想位置； 4)數(shù)字信號處理器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)自鎖，也即禁止電機(jī)運(yùn)動，將運(yùn)動臺鎖定在指定位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，其特征在于所述多軸支撐的精密運(yùn)動平臺為四軸支撐平臺，其四個旋轉(zhuǎn)軸依次分別定義為旋轉(zhuǎn)軸1、旋轉(zhuǎn)軸2、旋轉(zhuǎn)軸3 和旋轉(zhuǎn)軸4，每個轉(zhuǎn)動軸上的光電角度編碼器均為增量式光電角度編碼器，將精密運(yùn)動平臺平動的起點(diǎn)定義為零位置，精密運(yùn)動平臺轉(zhuǎn)動的起點(diǎn)定義為“零姿態(tài)”，以旋轉(zhuǎn)軸1作為基準(zhǔn)軸，搜索精密運(yùn)動平臺的零位和“零姿態(tài)”的過程如下1)保持精密運(yùn)動平臺的當(dāng)前狀態(tài)，控制精密運(yùn)動平臺向下平動，直到觸發(fā)基準(zhǔn)軸也即旋轉(zhuǎn)軸1上的零位信號，該位置為精密運(yùn)動平臺的零位；2)繼續(xù)保持當(dāng)前姿態(tài)，向下搜索，直到觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸1上光電角度編碼器的零位信號；3)按照預(yù)先通過實(shí)驗方法得到的旋轉(zhuǎn)軸2上光電角度編碼器的零位信號與旋轉(zhuǎn)軸1上光電角度編碼器的零位信號的偏差運(yùn)行精密運(yùn)動平臺，其間如果觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸2光電角度編碼器的零位信號，則停止旋轉(zhuǎn)軸2運(yùn)行；否則，在其他軸到達(dá)指定位置后，在精密運(yùn)動平臺允許的范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸2，上下搜索旋轉(zhuǎn)軸2角度編碼器的零位信號；完成后，即得到旋轉(zhuǎn)軸1和旋轉(zhuǎn)軸2的相對位置；4)按照預(yù)先通過實(shí)驗方法得到的旋轉(zhuǎn)軸3編碼器零位與旋轉(zhuǎn)軸2編碼器零位的偏差運(yùn)行精密運(yùn)動平臺，其間如果觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸3光電角度編碼器的零位信號，則停止旋轉(zhuǎn)軸3運(yùn)行；否則，在其他軸到達(dá)指定位置后，在精密運(yùn)動平臺允許的范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸3，上下搜索旋轉(zhuǎn)軸3角度編碼器的零位信號；完成后，即得到旋轉(zhuǎn)軸1、旋轉(zhuǎn)軸2和旋轉(zhuǎn)軸3的相對位置；5)按照預(yù)先通過實(shí)驗方法得到的旋轉(zhuǎn)軸4編碼器零位與旋轉(zhuǎn)軸3編碼器零位的偏差運(yùn)行精密運(yùn)動平臺，其間如果觸發(fā)旋轉(zhuǎn)軸4光電角度編碼器的零位信號，則停止旋轉(zhuǎn)軸4運(yùn)行；否則，在其他軸到達(dá)指定位置后，在精密運(yùn)動平臺允許的范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行旋轉(zhuǎn)軸4，上下搜索旋轉(zhuǎn)軸4角度編碼器的零位信號；完成后，即得到旋轉(zhuǎn)軸1、旋轉(zhuǎn)軸2、旋轉(zhuǎn)軸3和旋轉(zhuǎn)軸4的相對位置，完成運(yùn)動臺“零姿態(tài)”的搜索。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多軸同步運(yùn)行控制系統(tǒng)，屬于幾何量計量技術(shù)領(lǐng)域。包括光電角度編碼器信號處理電路、限位零位信號接收電路、數(shù)字信號處理器、USB通信接口電路、控制輸出繼電器和控制輸出電路，其外圍設(shè)備為多軸支撐的一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺。本發(fā)明的一種多軸同步運(yùn)動控制系統(tǒng)，通過與一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺配合，實(shí)現(xiàn)了工作臺的高精度、大范圍運(yùn)行，并能夠根據(jù)指令調(diào)整工作臺的空間姿態(tài)，使運(yùn)動平臺具有幾十毫米的平動范圍、納米級的運(yùn)動分辨率、并具有空間滾動姿態(tài)調(diào)整功能，具備秒級的姿態(tài)調(diào)整精度；本發(fā)明可以控制一維變姿態(tài)精密運(yùn)動平臺恢復(fù)到一個事先設(shè)定的“零姿態(tài)”；解決了上電過程中控制輸出電路的輸出失控問題。
文檔編號G05B19/414GK102176139SQ20111005842
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者蘭一兵, 朱振宇, 李華豐, 李強(qiáng), 王霽 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所