專利名稱：光柵刻劃機控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光柵刻劃領域，特別是涉及一種光柵刻劃機的控制系統。
技術背景
光柵刻劃機的主體結構分為分度機構和刻劃機構。分度機構主要用于承載光柵基底沿垂直于刻劃方向的運動，完成光柵常數的定位(即光柵兩條刻線間的距離)。刻劃機構主要用于帶動金剛石刻刀在光柵基底上完成光柵刻槽。分度機構由于需要承載光柵基底完成光柵常數的運動，因此不同精度的光柵對分度機構的定位精度要求不一致。對于高精度光柵刻劃而言，由于需要達到納米級定位精度，完全憑借精密機械加工手段不可能保證分度機構的傳動鏈實現納米級的定位精度，而且對于純機械定位機構還存在爬行這一嚴重影響定位精度的問題。因此目前在納米級精度定位工作臺上一般采用內外兩層臺的結構，即宏微兩級定位結構，這種結構中內臺通過柔性鉸鏈結構與外臺連接。宏定位主要是通過蝸輪蝸桿及絲杠傳動鏈驅動外臺完成第一級定位精度，一般可達到微米級精度，然后通過固定于內外層臺之間的壓電陶瓷(PZT)驅動柔性鉸鏈進行微定位，實現最后的納米級定位精度。
光柵刻劃機根據分度機構與刻劃機構相對運動方式的不同主要分為連續刻劃和間歇刻劃兩種方式。連續刻劃時分度機構和刻劃機構均連續運行，但由于兩套機構具有不同的傳動鏈結構，在其各自的運動終端其輸出速度的相位會存在差異，而這種差異將直接導致所刻劃的光柵在光柵常數上出現誤差進而影響整個光柵的性能。因此連續刻劃利用鎖相控制使分度機構和刻劃機構在其運動終端的輸出相位穩定在一定的誤差范圍內，進而實現高精度光柵的刻劃。間歇刻劃時分度機構和刻劃機構的運動相對獨立，刻劃機構連續運行，但分度機構運動不是連續的而是完成一個光柵常數的定位后分度機構停止運動，此時刻劃機構控制金剛石刻刀落刀完成光柵刻槽。對大面積光柵連續刻劃方式效率更高運行時間更短；從刻劃機結構及設計難度而言間歇刻劃要比連續刻劃要簡單，更適合刻劃小面積光柵。目前世界范圍內可實現光柵刻劃的刻劃機均采用單一的刻劃方式，如MIT-C機是連續刻劃方式，而中科院長春光機所的3、4號機均為間歇刻劃方式。對于以上刻劃機由于其在刻劃和分度機構傳動鏈結構的驅動上很少引入伺服控制，因此在進行分度或刻劃參數調整時，主要利用高精密的機械齒輪通過設計不同的齒輪組合來實現不同光柵常數的光柵刻劃，因此每一臺刻劃機所能刻劃的光柵種類受到齒輪組合的種類、加工裝調精度等因素的限制，使其刻劃的光柵在種類和性能等方面受到諸多限制。發明內容
針對目前光柵刻劃機存在的問題，本發明借助于現代科技在伺服驅動及精密定位技術上的優勢設計出全新的光柵刻劃機控制系統，使其即可以兼顧兩種刻劃方式，而且通過將電機伺服技術引入分度和刻劃機構，取消了傳統的精密齒輪結構，可以根據不同的光柵參數要求設定其運行參數，極大的拓寬了光柵刻劃機的工作范圍。
本發明提供的光柵刻劃機控制系統，包括包括工控機、主控系統、分度控制模塊、 刻劃控制模塊、鎖相控制模塊以及高速數據采集模塊，所述工控機與所述控制系統的其它部分相連，負責整機運行狀態反饋，所述主控系統根據不同的刻劃方式實時控制光柵刻劃機各部分的運行，并根據刻劃方式的不同對所述光柵刻劃機的內臺進行微定位，所述分度控制模塊和所述刻劃控制模塊通過對伺服電機的控制驅動所述光柵刻劃機的分度機構和刻劃機構運行，所述鎖相控制模塊在所述光柵刻劃機以連續刻劃的方式運行時使所述分度機構和所述刻劃機構的輸出相位基本相同，所述高速數據采集模塊為所述主控系統進行微定位控制時提供實時的位置信息。
根據本發明的一個實施例，所述鎖相控制模塊通過所述刻劃機構的編碼器反饋所述刻劃機構的運行狀態，計算出所述分度機構為保持與所述刻劃機構運行相位相同情況下所述分度機構的控制量并傳遞給所述分度控制模塊以驅動分度所述伺服電機，以使所述分度機構和所述刻劃機構的輸出相位基本相同。
根據本發明的一個實施例，所述主控系統通過所述高速數據采集模塊采集所述光柵刻劃機內臺的位置信息，通過微定位算法計算壓電陶瓷的運動量對內臺的誤差進行補償而實現內臺的微定位。
根據本發明的一個實施例，所述分度控制模塊、所述主控系統以及所述高速數據采集模塊與所述光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠、外臺、內臺、壓電陶瓷及激光干涉儀一起構成所述光柵刻劃機的所述分度機構。
根據本發明的一個實施例，所述分度控制模塊與所述光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠、外臺、內臺一起構成所述光柵刻劃機的宏定位機構。
根據本發明的一個實施例，所述主控系統和所述高速數據采集模塊以及所述光柵刻劃機的壓電陶瓷、激光干涉儀一起構成所述光柵刻劃機的微定位機構。
根據本發明的一個實施例，所述刻劃控制模塊和所述鎖相控制模塊以及所述光柵刻劃機的等速機構、刻刀、編碼器一起構成所述光柵刻劃機的所述刻劃機構。
根據本發明的一個實施例，所述刻劃方式的不同包括連續刻劃和間歇刻劃。
根據本發明的一個實施例，當所述光柵刻劃機以所述間歇刻劃的方式運行時，所述分度控制模塊與所述光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠、外臺、內臺運行一個光柵常數后停止運行并通過所述主控系統、所述高速數據采集模塊和所述光柵刻劃機的壓電陶瓷與激光干涉儀進行第二級微定位，然后由所述刻劃控制模塊和所述光柵刻劃機的所述等速機構與所述刻刀完成光柵的一條刻線。
根據本發明的一個實施例，當所述光柵刻劃機以所述連續刻劃的方式運行時，所述分度控制模塊與所述光柵刻劃機的絲杠、外臺和內臺構成所述分度機構與所述刻劃控制模塊和所述光柵刻劃機的所述等速機構和所述刻刀構成的所述刻劃機構連續運行。
本發明通過采用伺服控制技術直接驅動分度機構和刻劃機構，不僅降低超精密機械傳動鏈設計、加工、裝調的難度，最重要的是在兼顧間歇和連續兩種刻劃方式的同時可通過修改伺服系統控制參數即可刻劃任意光柵常數的光柵，極大的拓展了光柵刻劃機所能刻劃的光柵種類及其性能。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。
圖1所示為應用本發明控制系統的光柵刻劃機的架構示意圖。
具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的光柵刻劃機控制系統具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
圖1所示為應用本發明控制系統的光柵刻劃機的架構示意圖。如圖1所示，光柵刻劃機的控制系統包括工控機1、主控系統10、分度控制模塊3、刻劃控制模塊6、鎖相控制模塊15以及高速數據采集模塊12。控制系統的各個組成部分與光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠4、外臺5、內臺9、壓電陶瓷11、激光干涉儀13、等速機構7、刻刀8、編碼器14等元件共同協作，以伺服控制的方式完成光柵的刻劃。
其中，分度控制模塊3、蝸輪蝸桿絲杠4、外臺5、內臺9、主控系統10、壓電陶瓷11、 高速數據采集模塊12、激光干涉儀13構成光柵刻劃機的分度機構，以完成光柵基底的宏微兩級定位而準確走出所刻光柵的光柵常數。更具體地說，分度控制模塊3、蝸輪蝸桿絲杠4、 外臺5以及內臺9構成宏定位機構，用于通過蝸輪蝸桿絲杠4組成的傳動鏈驅動外臺5完成第一級定位精度；主控系統10、壓電陶瓷11、高速數據采集模塊12以及激光干涉儀13構成微定位機構，用于通過固定于內外9和外臺5之間的壓電陶瓷11驅動柔性鉸鏈進行第二級微定位，實現最后的納米級定位精度。刻劃控制模塊6、等速機構7、刻刀8、編碼器14以及鎖相控制模塊15構成光柵刻劃機的刻劃機構，用于帶動金剛石刻刀8在設于內臺9的光柵基底上進行刻劃。
在光柵刻劃機的控制系統中，工控機1主要負責整機運行狀態反饋，其通過通訊總線2與控制系統的其它組成部分相連，實時提供光柵刻劃機各部分的運行狀態，存儲并管理系統運行時的各種數據，如激光干涉儀13對內臺9位移的測量信息等。
主控系統10在進行連續刻劃和間歇刻劃的過程中根據不同的刻劃方式實時控制各部分的運行，并通過高速數據采集模塊12采集內臺9的位置信息，通過微定位算法計算壓電陶瓷11的運動量對內臺9的誤差進行補償，最終實現內臺9的微定位。
分度控制模塊3和刻劃控制模塊6通過對伺服電機的控制驅動分度機構和刻劃機構運行。分度控制模塊3和刻劃控制模塊6的具體運行參數在刻劃開始時由工控機1通過通訊總線2裝入，然后根據主控系統10發出的指令運行。
鎖相控制模塊15主要是在連續刻劃時起作用，連續刻劃時刻劃控制模塊6控制刻劃機構以設定速度運行，這時鎖相控制模塊15通過刻劃機構的編碼器14反饋刻劃機構的運行狀態，然后計算出分度機構為保持與刻劃機構運行相位相同的情況下分度機構的控制量并傳遞給分度控制模塊3以驅動分度伺服電機，而使分度機構和刻劃機構的輸出相位基本相同。
高速數據采集模塊12主要是為主控系統10進行微定位控制時提供實時的位置信息。由于激光干涉儀13數據輸出支持外部并口輸出方式，但其輸出硬件接口協議與主控系統10對外部器件的協議不兼容，因此通過FPGA (Field-Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)技術設計硬件采集系統將激光干涉儀13硬件接口輸出的數據“翻譯”為主控系統10可接收的格式。
光柵刻劃機運行時通過工控機1設置其運行方式并傳送各個控制模塊所需要的運行參數，主控系統10根據所設定的運行模式實時控制各個部分的運行并根據運行模式的不同對內臺9進行微定位。
當進行間歇刻劃時，分度控制模塊3、蝸輪蝸桿絲杠4、外臺5、內臺9構成的宏定位機構運行一個光柵常數后停止運行并通過主控系統10、壓電陶瓷11、高速數據采集模塊 12、激光干涉儀13構成的微定位機構進行第二級微定位，然后由刻劃控制模塊6、等速機構 7、刻刀8構成的刻劃機構完成光柵的一條刻線。
當進行連續刻劃時，由分度控制模塊3、絲杠4、外臺5、內臺9構成的分度機構和刻劃控制模塊6、等速機構7、刻刀8構成的刻劃機構連續運行。此時編碼器14為鎖相控制模塊15提供一個基準信號，鎖相控制模塊15根據基準信號及所刻光柵要求的分度機構和刻劃機構的相位信息計算出分度機構的運行誤差，以保證分度機構和刻劃機構始終保持同相位的運動完成光柵刻劃。
綜上所述，本發明的主要優點體現在以下幾方面
1.由于采用伺服系統直接驅動分度及刻劃機構替代了傳統刻劃機中的機械齒輪組合實現變速，降低了刻劃機在精密機械設計、加工及裝調等方面的難度；
2.可以極大的拓寬所設計光柵刻劃機的工作范圍，通過修改伺服系統控制參數即可刻劃任意光柵常數的光柵，滿足多種光柵刻劃的工作條件，避免了傳統機械式刻劃機的工作方式單一、刻劃光柵種類有限的問題，具有廣泛的使用價值。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種光柵刻劃機控制系統，其特征在于該控制系統包括工控機、主控系統、分度控制模塊、刻劃控制模塊、鎖相控制模塊以及高速數據采集模塊，所述工控機與所述控制系統的其它部分相連，負責整機運行狀態反饋，所述主控系統根據不同的刻劃方式實時控制光柵刻劃機各部分的運行，并根據刻劃方式的不同對所述光柵刻劃機的內臺進行微定位，所述分度控制模塊和所述刻劃控制模塊通過對伺服電機的控制驅動所述光柵刻劃機的分度機構和刻劃機構運行，所述鎖相控制模塊在所述光柵刻劃機以連續刻劃的方式運行時使所述分度機構和所述刻劃機構的輸出相位基本相同，所述高速數據采集模塊為所述主控系統進行微定位控制時提供實時的位置信息。
2.如權利要求1所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述鎖相控制模塊通過所述刻劃機構的編碼器反饋所述刻劃機構的運行狀態，計算出所述分度機構為保持與所述刻劃機構運行相位相同情況下所述分度機構的控制量并傳遞給所述分度控制模塊以驅動分度所述伺服電機，以使所述分度機構和所述刻劃機構的輸出相位基本相同。
3.如權利要求1所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述主控系統通過所述高速數據采集模塊采集所述光柵刻劃機內臺的位置信息，通過微定位算法計算壓電陶瓷的運動量對內臺的誤差進行補償而實現內臺的微定位。
4.如權利要求1所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述分度控制模塊、所述主控系統以及所述高速數據采集模塊與所述光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠、外臺、內臺、壓電陶瓷及激光干涉儀一起構成所述光柵刻劃機的所述分度機構。
5.如權利要求4所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述分度控制模塊與所述光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠、外臺、內臺一起構成所述光柵刻劃機的宏定位機構。
6.如權利要求4所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述主控系統和所述高速數據采集模塊以及所述光柵刻劃機的壓電陶瓷、激光干涉儀一起構成所述光柵刻劃機的微定位機構。
7.如權利要求1所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述刻劃控制模塊和所述鎖相控制模塊以及所述光柵刻劃機的等速機構、刻刀、編碼器一起構成所述光柵刻劃機的所述刻劃機構。
8.如權利要求1所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于所述刻劃方式的不同包括連續刻劃和間歇刻劃。
9.如權利要求8所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于當所述光柵刻劃機以所述間歇刻劃的方式運行時，所述分度控制模塊與所述光柵刻劃機的蝸輪蝸桿絲杠、外臺、內臺運行一個光柵常數后停止運行并通過所述主控系統、所述高速數據采集模塊和所述光柵刻劃機的壓電陶瓷與激光干涉儀進行第二級微定位，然后由所述刻劃控制模塊和所述光柵刻劃機的所述等速機構與所述刻刀完成光柵的一條刻線。
10.如權利要求8所述的光柵刻劃機控制系統，其特征在于當所述光柵刻劃機以所述連續刻劃的方式運行時，所述分度控制模塊與所述光柵刻劃機的絲杠、外臺和內臺構成所述分度機構與所述刻劃控制模塊和所述光柵刻劃機的所述等速機構和所述刻刀構成的所述刻劃機構連續運行。
全文摘要
一種光柵刻劃機控制系統包括工控機、主控系統、分度控制模塊、刻劃控制模塊、鎖相控制模塊以及高速數據采集模塊，工控機負責整機運行狀態反饋，主控系統根據不同的刻劃方式實時控制刻劃機各部分的運行，并根據刻劃方式的不同對內臺進行微定位，分度控制模塊和刻劃控制模塊通過對伺服電機的控制驅動分度機構和刻劃機構運行，鎖相控制模塊在連續刻劃的方式下控制分度機構和刻劃機構以相同的相位運行，高速數據采集模塊為主控系統進行微定位控制時提供實時的位置信息。利用本發明的刻劃機可同時兼顧兩種刻劃方式，且由于引入伺服技術而取消了傳統的齒輪結構，可根據不同的光柵參數要求設定其運行參數，拓寬了光柵刻劃機的工作范圍。
文檔編號B23Q15/00GK102513878SQ201110453290
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者于宏柱, 唐玉國, 巴音賀希格, 朱繼偉, 齊向東 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所