一种实验室控制平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型是一种实验用控制台，特别是涉及一种实验室控制平台。
【背景技术】
[0002] 国外在超精密平台的设计研究起步的比较早。这促进了国外发达国家对精密平 台及其相关科学的研究美国国家关键技术委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关 键技术之一，美国国家基金会亦将纳米技术列为优先支持的关键技术之一，美国许多著名 大学都设有纳米技术研究机构，如北卡罗莱纳大学的精密工程中心，康乃尔大学的国家纳 米加工实验室，路易斯安那大学的微米制造中心等等。日本把纳米技术作为ERATO计划中 6项优先高技术探索项目之一，投资2亿美元发展纳米技术；筑波科学城的交叉学科研究中 心把纳米技术列入2个主要发展方向之一。英国国家纳米技术（NION)计划已开始实行，在 英国的Cranfield大学成立了以纳米技术为研究目标的精密工程中心。欧洲的其它国家也 不示弱，把纳米技术列入了"尤里卡计划"。
[0003] 在上世纪80年代中后期，国内学者相继提出了宏微双重驱动技术，纷纷发表学术 论文展开研究讨论，目前它是实现大行程、高精度定位的一种有效手段。例如清华大学教授 吴鹰飞、周兆英（清华大学精密仪器与机械学系）的《压电驱动柔性铰链机构传动实现超 精密定位》一文中就详细介绍了压电元件和柔性铰链的概念与特点，列举压电元件与柔性 铰链机构结合实现超精密定位的典型例子，包括超精密测量、超精密加工、光学自动聚焦和 大行程超精密定位。为使超精密定位工作台的结构紧凑，还提出了单驱动多自由度运动机 构，应用蠕动式的运动原理可合成机构上的多自由度运动，并实现大行程运动。设计了对称 结构的柔性铰链机构实现导向功能。
[0004] 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所的叶树亮，谭久彬博士的《具有纳米 分辨力二维超精密定位系统的研制》一文针对传统超精密定位系统存在位移灵敏度、系统 频响及重复定位精度难以兼顾的问题，设计并研制了一种具有纳米分辨力的二维超精密定 位系统。系统集成平行四连杆结构双柔性二维工作台无间隙传动、双极性可伸缩压电陶瓷 微位移驱动和纳米精度电容位移监测等先进技术，在微处理器控制下可实现纳米量级的定 位。为改善传统PID控制方法存在的精度低、实时性差等缺陷，提出了一种结合定位过程中 各阶段系统不同响应特性的比例、积分和微分（PID)参数自适应控制算法。
[0005] 哈尔滨理工大学机械动力工程学院的孟兆新，胡乃文两位在《三维精密定位工作 台的控制系统的研究》一文中对三维精密工作台快速定位系统的控制原理及结构组成进行 了研究，并对系统进行理论和实验分析。为了实现高精度的快速定位，系统采用了独立伺服 控制技术以及变结构的PID自适应控制算法，达到了满意的定位精度。
[0006] 综上所述，从国内外的研究现状来看使用宏微结合的模式再配合陶瓷压电执行 器。采用两级传动机构的超精密平台是比较容易实现和切合实际的一种超精密平台设计方 法。这种方案在学校中为学生精密试验、实验都能提供足够的帮助。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的是为解决目前的技术方案供学生使用的精密实验平台不足，精 密实验台价格太高的问题，提供一种简单方便，成本低廉的实验室控制平台。
[0008] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实验室控制平台，由电源 供电，其特征在于：包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、 平台控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检 测装置和A/D转换器，所述平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器 通过平台电机驱动器与平台电机连接，所述平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械 连接，所述平台位移检测装置配设在所述平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出 端与平台控制器电连接，所述控制电脑通过D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电 路的输出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执 行器位移检测装置通过A/D转换器与控制电脑电连接，所述平台位移检测装置包括配设在 平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电路包括发光二极管D2、光敏二极管D1、电阻 R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻R6、电阻R14、电阻R17、运放TAA861、电容CU 电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4接地，发光二极管D2的阳极通过电阻RlO与电 源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二极管Dl的阴极与电源连接，光敏二极管Dl的阳 极通过电阻Rll接地，光敏二极管Dl的阳极通过电容C3与运放TAA861的正输入端连接， 运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R4与电源连接，运放TAA861的正输入 端还依次通过电阻R13和电阻R5与接地，运放TAA861的负输入端依次通过电阻R6和电容 C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过电阻R14和电阻R17与电源连接，运放TAA861的 输出端通过电容Cl与运放TAA861的反馈端连接，运放TAA861的输出端与平台控制器的计 数器端连接。上位机采用PC机，下位机采用AT89C51单片机为核心设计，测量系统采用的 是光栅尺电路，宏平台采用直流电机驱动滚珠丝杠带动原理设计。
[0009] 硬件系统是实现精密定位的基础。本精密定位系统采用宏-微相结合的两级模式 来实现大行程、高精度、高速的定位，其硬件系统由宏平台进给系统、位移测量系统、微位移 定位系统以及控制系统组成。首先介绍了精密定位系统硬件的总体构成，然后分别对宏平 台伺服进给系统、光栅位移测量计数系统、微位移精密定位系统以及控制系统的硬件构成 进行了详细的分析。精密定位系统硬件总体结构X-Y精密定位平台采用了宏平台和微平台 相结合的模式，微位移平台固定安装在宏平台的上底板上，两平台的运动中心重合。宏平 台完成高速、大行程、微米级定位，微位移定位平台用以完成对宏平台定位误差的补偿。通 过两级机构的组合，共同实现了大行程高精度的定位动作。计数电路原理，首先记数电路的 核心问题是确定一个计数器件，在这里有光栅尺、增量式光电编码器和绝对式光电编码器 几种元件可以选择，这些期间各自都有优劣点：1.绝对式光电编码器，使用方便，没有累计 误差，不需要每次都执行复位操作，是最为理想的选择，但是它的成本实过于昂贵。2.增量 式光电编码器，它可以实现正反转电路的测量，并且可以通过计算单圈的转速来测量电机 的速度，但是它也有自己的缺点，就是它实现的电路相对较为复杂，测量精度容易受到累计 误差的干扰。3.光栅尺它的电路原理相对简单，能实现正反转的测试，需要通过软件计算电 机速度，比较简单的电路实现和精确的数据反馈。综合以上总总，我们选择了使用光栅尺作 为我们的记数器件。
[0010] 光栅尺主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示（0.0002mm)和 自动控制，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。 [0011] 光栅尺通过摩尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度 位移传感器。
[0012] 线位移光栅传感器的数显系统主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精 确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。
[0013] 光栅传感器分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式为高精度型。输出波形为正弦 波，主要用于精密仪器的数字化改造。最高分辨率可达0. 1 μ m。封闭式传感器由光栅尺、光 栅读数头及壳体三部分整装部件。最先进可靠的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五 轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。传感器 采用密封式结构，性能可靠，安装方便。采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水， 防尘优异，使用寿命长。具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。光源采用红外发光二极管， 体积小寿命长。采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺（最长可做 到 3000mm)。
[0014] 作为优选，所述平台控制器为51单片机，所述通讯电路包括MX232芯片和九针接 口，所述51单片机的通讯串口依次通过MX232芯片和九针接口与控制电脑电连接。
[0015] 作为优选，所述平台电机驱动器包括PffM波形产生电路和信号处理电路构成，所 述PWM波形产生电路由74LS373芯片和8253芯片组成的，所述平台控制器通过74LS373芯 片与8253芯片的输入端连接，8253芯片的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连 接。8253内部具有三个功能完全相同相互独立的计数器（0，1，2)，每一个计数器都可工作 于6种方式中的任一种，整个8253只有一个控制寄存器，它的内容决定了计数器的操作方 式，8253内部具有三个功能完全相同相互独立的计数器（0，1，2)，每一个计数器都可工作 于6种方式中的任一种，整个8253只有一个控制寄存器，它的内容决定了计数器的操作方 式。
[0016] 作为优选，所述信号处理电路包括L298N芯片、74ALS04芯片、电阻RU光耦U2、电 阻R2、电阻R3、电阻R8、三极管Q1、与门U3和与门U4, 74ALS04芯片的输入端与平台控制器 连接，74ALS04芯片的输出端通过电阻Rl与光耦U2的输入端连接，光耦U2的输出端通过 电阻R2接地，光耦U2的输出端通过电阻R3与三极管Ql的基极连接，三极管Ql的集电极 通过电阻R8与电源连接，三极管Ql的发射极接地，三极管Ql的集电极还与与门U3的第二 输入端连接，三极管Ql的集电极还与与门U4的第一输入端连接，与门U3的第一输入端和 与门U4的第二输入端分别与平台控制器的输出端连接，与门U3的输出端和与门U4的输出 端分别与L298N芯片连接，L298N芯片的输出端与平台电机连接。显然我们可以知道L298N 是一个内部有2个全桥转换电路的PffM驱动电路。脉宽调制（PffM)是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制 与变换的许多领域中。
[0017] 本实用新型的实质性效果是：本实用新型提供了一种简单方便，成本低廉的实验 室控制平台，实现简单，控制精准，适合大学生各种实验。
【附图说明】
[0018] 图1为本实用新型中的整体架构图；
[0019] 图2为本实用新型中宏平台的第一部分电路图；
[0020] 图3为本实用新型中宏平台的第二部分电路图；
[0021] 图4为本实用新型中宏平台的第三部分电路图；