基本信息

项目名称:
一维长行程精密定位平台的研究
小类:
机械与控制
简介:
作品主要研究一种基于单轴精密定位工作台的长行程高精度的定位平台。 利用FPGA/CPLD的光栅信号编码计数法将光栅尺原输出信号进行细分计数,以完成精密定位;利用步进电机实现平台的驱动和控制,从而达到长行程;通过MFC编写程序实现实时数据显示。
详细介绍:
单轴精密定位工作台主要有步进电机、光栅尺、直线滑块、滚珠丝杆、负载台面组成。 步进电机接收到测控电路的脉冲信号和方向信号,并按步进电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通和截止信号。因此,步进电机转速的高低、顺转或逆转、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无、方向或频率。给出一定的位移,通过步进电机的转动带动工作台进行相应的直线位移,通过光栅位移传感器测量当前工作台的实际位移,再把测量到的实际位移反馈给单片机,通过单片机的处理计算出实际位移与给定位移的差值,并把这个差值反馈给步进电机,使步进电机驱动工作台调整实际位移使其达到给定的位移。 在测量计数方法上,本作品采用基于FPGA/CPLD的光栅信号编码计数方案,使用FPGA将本来用软件实现的计数功能硬件化,也即一块具有计数功能的ASIC,这样大大提高了系统实时性和系统可靠性,微处理器采用8位的MCU,用软件实现对计数结果的处理、显示,以及和PC 机的通讯。 在控制方法上,本作品采用L297/L298驱动芯片对步进电机进行控制的方法,使步进电机的定子励磁绕组线圈可以完全利用,进而使步进电机达到最佳的驱动效果。另外,本作品使用MFC编写计算程序对步进电机的运行实行控制,并实时显示平台的运动参数,使步进电机能够驱动工作台达到给定的位移。

作品图片

  • 一维长行程精密定位平台的研究
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

目的和基本思路: 首先,随着精密工程在若干领域的快速发展,在半导体加工、精密制造、光学工程、集成电路封装和微机电系统制造等领域,长行程精密定位技术具有广泛的应用前景;其次,国内外现有的一些定位平台,在实现大行程与高精度方面存在矛盾。 综上所述,本团队决定利用一些简单的仪器设备设计一套合理测量和控制的机械执行装置。 创新点: 在保证平台结构和控制简单的前提下,采用新型光栅编码计数法提高测量精度;利用L297/L298芯片驱动和控制步进电机,从而达到长行程;使用MFC编写控制界面对步进电机实行控制及数据的实时显示。 技术关键: 光栅尺输出信号细分计数方法的设计;步进电机的稳定驱动;MFC界面对步进电机的控制,实时显示测量和检测的数据。 主要技术指标: 定位精度:0.625um 运动最大行程:370mm

科学性、先进性

与国内外现有的精密定位平台相比,本项目所研究的平台在结构上更为简洁,操作控制较为简单,在使定位平台达到长行程的同时也能够实现1um以下的定位精度。 采用新型光栅信号编码计数法提高了系统的实时性和可靠性,而且在被测物体振荡时,此种编码计数法也能够正确计数,提高了测量精度;L297/L298驱动芯片对步进电机的控制可以使步进电机达到最佳的驱动效果,可以实现长行程这一目的;使用MFC编写上位机程序对步进电机的运行实行控制,并实时显示平台的运动参数,操作简便。 参考文献: 1.李庆祥,王东生.现代精密仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2004. 2.谢扬球,谭永红,雷兴华,李若愚.X—Y精密数控工作台宏平台的设计及实现[J].桂林电子工业学院学报:2008,25(3):64-67. 3.王贵林,张 湘,段纬然,张武军.音圈电机驱动的快速定位系统运动建模与参数辨识[J].机械科学与技术:2008,7(1):37-40. 注:由于字数限制,参考文献并未完全列举出。

获奖情况及鉴定结果

《一维长行程精密定位平台的研究》于2011年4月10日获浙江理工大学“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛校决赛三等奖。

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

一次转让

作品可展示的形式

实物、产品;图片

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

使用说明: 点击控制界面上的按钮,平台运动之后观测界面上的数据显示。 技术特点和优势: 本项目所研究的平台在结构和控制方面比较简单,而且能够完成大行程和高精度的测量。 适应范围: 可广泛应用于精密微操作领域,如快速车削加工、微小机械零件装配、精密测试等领域。 推广前景的技术性说明: 本项目所研究的一维长行程精密定位平台采用软硬件结合的编码计数法及驱动芯片对步进电机进行控制,简单合理地解决了目前国内外平台存在的大行程与高精度之间的矛盾。 市场分析: 在数控加工、半导体加工、光纤、微型机械零件等方面精密工作台具有广阔的市场前景。 经济效益预测: 其成品可以在工程上替代高精度的光栅尺,可以让低精度的光栅尺也适应高精度的测量。高精度和低精度的光栅尺的差价在几百块左右,我们可以通过这些差价,来给自己的产品定位,确定一个适合的价位,获取相应的利润。

同类课题研究水平概述

在通过查阅大量国内外相关资料和学习专业MFC上位机编程、单片机编程及其相关专业技术的基础上,本研究小组通过对光栅尺输出信号特点的分析,运用测控电路及电机知识完成了对一维长行程精密定位平台的研究。 长行程精密位移技术被广泛应用于半导体加工、精密制造、光学工程、集成电路封装和微机电系统制造等领域的实际生产中,用以提高加工精度,制造出体积更小、能耗更低、功能更强大的产品。对于定位平台的研究主要在于光栅定位测量与电机控制系统的设计。国内外各种类型的定位平台,设计和工艺水平比较高,均有其特定的应用范围,但它们也存在各自的弱点,如行程小、制作成本高、结构或控制系统复杂、承载能力弱、动态响应慢等。 相比之下,本课题研究的基于L297/L298芯片的步进电机驱动的快速精密定位系统。在测量计数方法上提出基于FPGA/CPLD的光栅信号编码计数方案,使用FPGA将本来用软件实现的计数功能硬件化,微处理器可用一般的8 位MCU,用软件实现对计数结果的处理、显示,以及和PC 机进行通讯。在控制方法上,提出了采用L297/L298驱动芯片对步进电机进行控制的方法,使步进电机的定子励磁绕组线圈可以完全利用,进而使步进电机达到最佳的驱动效果。
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