基本信息
- 項目名稱：
- 一維長行程精密定位平臺的研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 作品主要研究一種基于單軸精密定位工作臺的長行程高精度的定位平臺。 利用FPGA/CPLD的光柵信號編碼計數(shù)法將光柵尺原輸出信號進行細分計數(shù)，以完成精密定位；利用步進電機實現(xiàn)平臺的驅(qū)動和控制，從而達到長行程；通過MFC編寫程序?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示。
- 詳細介紹：
- 單軸精密定位工作臺主要有步進電機、光柵尺、直線滑塊、滾珠絲桿、負載臺面組成。 步進電機接收到測控電路的脈沖信號和方向信號，并按步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通和截止信號。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高低、順轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無、方向或頻率。給出一定的位移，通過步進電機的轉(zhuǎn)動帶動工作臺進行相應(yīng)的直線位移，通過光柵位移傳感器測量當前工作臺的實際位移，再把測量到的實際位移反饋給單片機，通過單片機的處理計算出實際位移與給定位移的差值，并把這個差值反饋給步進電機，使步進電機驅(qū)動工作臺調(diào)整實際位移使其達到給定的位移。 在測量計數(shù)方法上，本作品采用基于FPGA/CPLD的光柵信號編碼計數(shù)方案，使用FPGA將本來用軟件實現(xiàn)的計數(shù)功能硬件化，也即一塊具有計數(shù)功能的ASIC，這樣大大提高了系統(tǒng)實時性和系統(tǒng)可靠性，微處理器采用8位的MCU，用軟件實現(xiàn)對計數(shù)結(jié)果的處理、顯示，以及和PC 機的通訊。 在控制方法上，本作品采用L297/L298驅(qū)動芯片對步進電機進行控制的方法，使步進電機的定子勵磁繞組線圈可以完全利用，進而使步進電機達到最佳的驅(qū)動效果。另外，本作品使用MFC編寫計算程序?qū)Σ竭M電機的運行實行控制，并實時顯示平臺的運動參數(shù)，使步進電機能夠驅(qū)動工作臺達到給定的位移。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的和基本思路： 首先，隨著精密工程在若干領(lǐng)域的快速發(fā)展，在半導(dǎo)體加工、精密制造、光學(xué)工程、集成電路封裝和微機電系統(tǒng)制造等領(lǐng)域，長行程精密定位技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景；其次，國內(nèi)外現(xiàn)有的一些定位平臺，在實現(xiàn)大行程與高精度方面存在矛盾。 綜上所述，本團隊決定利用一些簡單的儀器設(shè)備設(shè)計一套合理測量和控制的機械執(zhí)行裝置。 創(chuàng)新點： 在保證平臺結(jié)構(gòu)和控制簡單的前提下，采用新型光柵編碼計數(shù)法提高測量精度；利用L297/L298芯片驅(qū)動和控制步進電機，從而達到長行程；使用MFC編寫控制界面對步進電機實行控制及數(shù)據(jù)的實時顯示。 技術(shù)關(guān)鍵： 光柵尺輸出信號細分計數(shù)方法的設(shè)計；步進電機的穩(wěn)定驅(qū)動；MFC界面對步進電機的控制，實時顯示測量和檢測的數(shù)據(jù)。 主要技術(shù)指標： 定位精度：0.625um 運動最大行程：370mm
科學(xué)性、先進性
- 與國內(nèi)外現(xiàn)有的精密定位平臺相比，本項目所研究的平臺在結(jié)構(gòu)上更為簡潔，操作控制較為簡單，在使定位平臺達到長行程的同時也能夠?qū)崿F(xiàn)1um以下的定位精度。 采用新型光柵信號編碼計數(shù)法提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，而且在被測物體振蕩時，此種編碼計數(shù)法也能夠正確計數(shù)，提高了測量精度；L297/L298驅(qū)動芯片對步進電機的控制可以使步進電機達到最佳的驅(qū)動效果，可以實現(xiàn)長行程這一目的；使用MFC編寫上位機程序?qū)Σ竭M電機的運行實行控制，并實時顯示平臺的運動參數(shù)，操作簡便。 參考文獻： 1.李慶祥，王東生.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004. 2.謝揚球，譚永紅，雷興華，李若愚.X—Y精密數(shù)控工作臺宏平臺的設(shè)計及實現(xiàn)[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報：2008，25(3)：64-67. 3.王貴林，張 湘，段緯然，張武軍.音圈電機驅(qū)動的快速定位系統(tǒng)運動建模與參數(shù)辨識[J].機械科學(xué)與技術(shù):2008，7(1)：37-40. 注：由于字數(shù)限制，參考文獻并未完全列舉出。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 《一維長行程精密定位平臺的研究》于2011年4月10日獲浙江理工大學(xué)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校決賽三等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 一次轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明： 點擊控制界面上的按鈕，平臺運動之后觀測界面上的數(shù)據(jù)顯示。 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 本項目所研究的平臺在結(jié)構(gòu)和控制方面比較簡單，而且能夠完成大行程和高精度的測量。 適應(yīng)范圍： 可廣泛應(yīng)用于精密微操作領(lǐng)域，如快速車削加工、微小機械零件裝配、精密測試等領(lǐng)域。 推廣前景的技術(shù)性說明： 本項目所研究的一維長行程精密定位平臺采用軟硬件結(jié)合的編碼計數(shù)法及驅(qū)動芯片對步進電機進行控制，簡單合理地解決了目前國內(nèi)外平臺存在的大行程與高精度之間的矛盾。 市場分析： 在數(shù)控加工、半導(dǎo)體加工、光纖、微型機械零件等方面精密工作臺具有廣闊的市場前景。 經(jīng)濟效益預(yù)測： 其成品可以在工程上替代高精度的光柵尺，可以讓低精度的光柵尺也適應(yīng)高精度的測量。高精度和低精度的光柵尺的差價在幾百塊左右，我們可以通過這些差價，來給自己的產(chǎn)品定位，確定一個適合的價位，獲取相應(yīng)的利潤。
同類課題研究水平概述
- 在通過查閱大量國內(nèi)外相關(guān)資料和學(xué)習(xí)專業(yè)MFC上位機編程、單片機編程及其相關(guān)專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，本研究小組通過對光柵尺輸出信號特點的分析，運用測控電路及電機知識完成了對一維長行程精密定位平臺的研究。 長行程精密位移技術(shù)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、精密制造、光學(xué)工程、集成電路封裝和微機電系統(tǒng)制造等領(lǐng)域的實際生產(chǎn)中，用以提高加工精度，制造出體積更小、能耗更低、功能更強大的產(chǎn)品。對于定位平臺的研究主要在于光柵定位測量與電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。國內(nèi)外各種類型的定位平臺，設(shè)計和工藝水平比較高，均有其特定的應(yīng)用范圍，但它們也存在各自的弱點，如行程小、制作成本高、結(jié)構(gòu)或控制系統(tǒng)復(fù)雜、承載能力弱、動態(tài)響應(yīng)慢等。 相比之下，本課題研究的基于L297/L298芯片的步進電機驅(qū)動的快速精密定位系統(tǒng)。在測量計數(shù)方法上提出基于FPGA/CPLD的光柵信號編碼計數(shù)方案，使用FPGA將本來用軟件實現(xiàn)的計數(shù)功能硬件化，微處理器可用一般的8 位MCU，用軟件實現(xiàn)對計數(shù)結(jié)果的處理、顯示，以及和PC 機進行通訊。在控制方法上，提出了采用L297/L298驅(qū)動芯片對步進電機進行控制的方法，使步進電機的定子勵磁繞組線圈可以完全利用，進而使步進電機達到最佳的驅(qū)動效果。
