专利名称：一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于衍射光栅制备技术领域，特别涉及一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置。
背景技术：
作为一种独特的分光元件，中阶梯光栅以其光谱范围宽，色散率大，分辨率好，衍射效率高等优点，广泛应用于高精度光谱分析仪器、天文望远镜系统中的高分辨率光谱仪、 波分复用器等光学仪器中，涉及物理学、生物化学、生命科学、冶金学、天文学、光通信领域等诸多科学领域，正是基于以上优于一般平面衍射光栅的特点，中阶梯光栅对刻槽形状、闪耀面、光栅常数、闪耀角等的要求更加高，这就给中阶梯光栅的制备增加了困难。中阶梯光栅对刻槽形状的基本要求，决定了在现有技术条件下只能利用刻划机制备。传统的光栅刻划机主要有依靠马达带动丝杠分度的纯机械式、莫尔条纹控制式和干涉伺服控制式。纯机械刻划机是用丝杆进行分度的，它的刻划误差较大，已经远远不能满足中阶梯光栅刻划的需要；莫尔条纹控制的刻划机是结合特定分光系统，用光电倍增管接收刻划机滑座移动所引起的莫尔条纹，产生信号经电子控制器控制电磁离合器、蜗杆和蜗轮的运动。这种控制方法较纯机械式的刻划机有了很大改进，但受电子控制器、电磁离合器控制精度的影响，刻划机的精度仍不能达到理想情况；用干涉仪控制刻划过程，实际上是将产生在光栅第η条刻槽的误差通过第(η+1)条刻槽的位移来校正，这样主要是将累积和局部误差减小到较低的程度，对光栅整个的刻划过程仍有较大影响。目前，也有应用8031单片机对光栅刻划机进行控制的系统，但单片机在编程控制方面对设计人员要求较高，不易掌握，故参数调整繁琐，系统不灵活，且外围电路复杂，易产生干扰信号。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置，该装置通过可编程控制器(Programmable logic Controller, PLC) 来控制光栅刻划机，精确控制中阶梯光栅的刻槽形状和光栅常数，光栅参数调整方便，可以有效地减小刻划误差，使光栅刻划机控制精度达到一个新的高度，且操作方便。本实用新型的技术方案如下一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置，其构成包括上位机22、可编程控制器1、伺服控制系统和温度控制系统所述的可编程控制器1由中央处理器5、电源2、存储器3、I/O扩展口 4和输入/ 输出接口电路组成，所述的伺服控制系统包括工作台伺服控制和刻刀伺服控制两部分所述的可编程控制器1的第一驱动信号输出端经由第一伺服驱动器8、第一伺服电机10与带动刀桥14的凸轮相连，第一伺服电机10通过刀桥14的运动实现刻刀23对中阶梯光栅基坯M的刻划动作，与第一伺服电机同轴的第一编码器11又将第一伺服电机的运动反馈给所述的第一伺服驱动器8，构成刻刀伺服控制；所述的可编程控制器1的第二驱动信号输出端经由第二伺服驱动器9、第二伺服电机12通过丝杠螺母副与工作台16相连，与第二伺服电机同轴的第二编码器13又将第二伺服电机12的运动反馈给所述的第二伺服驱动器9，构成工作台伺服控制；与工作台16同步移动的光栅尺18和读数头15将代表工作台位移量的信号经模拟量输入模块7输入所述的可编程控制器1的I/O扩展口 4，所述的可编程控制器1经数据处理后适时适量地驱动所述的工作台16和刻刀23的运动，形成位置闭环控制；所述的温度控制系统由所述的可编程控制器1的模拟量输出模块6及其依次相连的可控硅触发器21、可控硅20、电加热板17、测量工作台的温度的钼热电阻传感器19和所述的可编程控制器1的模拟量输入模块7组成，适时控制和调整电加热板17的工作，使工作台处于合适的温度环境下工作；在所述的可编程控制器1的控制过程中，上位机22发送指令或目标位移量给所述的可编程控制器1，所述的可编程控制器1按照设定的参数或预先编写的运动程序向伺服驱动器发出信号进行控制。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是(1)由于采用了可编程控制器PLC作为光栅刻划机的控制装置的核心，提高了中阶梯光栅的刻槽形状和光栅常数的控制精度，能更大程度的减小刻划误差，且操作方便。(2)由于运用了双反馈、全闭环伺服控制系统，提高了光栅刻划机的定位精度。(3)由于采用加热板来调节环境温度，减小了环境温度变化造成的刻划误差，提高光栅的质量。
图1为本实用新型一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置的结构示意图。图2为图1中PLC和伺服控制系统的连接关系。图3为图1中PLC和温度控制系统的连接关系。图中l.PLC，2.电源，3.存储器，4. I/O扩展口，5. CPU，6.模拟量输出模块，7.模拟量输入模块，8.第一伺服驱动器，9.第二伺服驱动器，10.第一伺服电机，11.第一编码器， 12.第二伺服电机，13.第二编码器，14.刀桥，15.读数头，16.工作台，17.电加热板，18.光栅尺，19.钼热电阻传感器，20.可控硅，21.可控硅触发器，22.上位机，23.刻刀，24.中阶梯光栅基坯
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
，对本实用新型作进一步描述，但不限制本实用新型的保护范围。请先参阅图1，图1为本实用新型一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置的结构示意图，也是本实用新型的一种具体实施方式
。如图所示，一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置，其构成包括上位机22、可编程控制器1、伺服控制系统和温度控制系统[0023]所述的可编程控制器1由中央处理器5、电源2、存储器3、I/O扩展口 4和输入/ 输出接口电路组成，所述的伺服控制系统包括工作台伺服控制和刻刀伺服控制两部分所述的可编程控制器1的第一驱动信号输出端经由第一伺服驱动器8、第一伺服电机10与带动刀桥14的凸轮相连，第一伺服电机10通过刀桥14的运动实现刻刀23对中阶梯光栅基坯M的刻划动作，与第一伺服电机同轴的第一编码器11又将第一伺服电机的运动反馈给所述的第一伺服驱动器8，构成刻刀伺服控制；所述的可编程控制器1的第二驱动信号输出端经由第二伺服驱动器9、第二伺服电机12通过丝杠螺母副与工作台16相连，实现工作台16的直线移动定位，与第二伺服电机同轴的第二编码器13又将第二伺服电机12的运动反馈给所述的第二伺服驱动器9，构成工作台伺服控制；与工作台16同步移动的光栅尺18和读数头15将代表工作台位移量的信号经模拟量输入模块7输入所述的可编程控制器1的I/O扩展口 4，所述的可编程控制器1经数据处理后适时适量地驱动所述的工作台16和刻刀23的运动，形成位置闭环控制；所述的温度控制系统由所述的可编程控制器1的模拟量输出模块6及其依次相连的可控硅触发器21、可控硅20、电加热板17、测量工作台的温度的钼热电阻传感器19和所述的可编程控制器1的模拟量输入模块7组成，适时控制和调整电加热板17的工作，使工作台处于合适的温度环境下工作；在所述的可编程控制器1的控制过程中，上位机22发送指令或目标位移量给所述的可编程控制器1，所述的可编程控制器1按照设定的参数或预先编写的运动程序向伺服驱动器发出信号进行控制。本实用新型选用三菱hlN-60-MT的PLCl、三菱MR-J2S-40A的伺服驱动器8、9和三菱HC-KFS-43的伺服电机(第一伺服电机10和第二伺服电机1 。上位机22通过RS-232 通信端口，经信号转换后直接与PLC 1的编程口连接将程序写入用户程序区并进行调试， 调试好的程序可存储于PLC存储器3。PLCl按预先编写的程序来控制伺服系统和温度控制系统。图2为图1中PLC和伺服控制系统的连接关系。图中，用单相220V交流电源分别给伺服驱动器(第一伺服驱动器8和第二伺服驱动器9)的主电路和控制电路供电，PLCl输出的公共端子(COMO)和伺服驱动器(第一伺服驱动器8和第二伺服驱动器9)CN1A接口的公共端(SG)相连接，PLCl的输出端子Yl和TO分别接CNlA的脉冲控制端子PP和NP，用于控制伺服电机(第一伺服电机10和第二伺服电机12)的正反转脉冲，PLCl的输出端子TO 接CNlA的速度选择端子SP1，用于控制伺服电机(第一伺服电机10和第二伺服电机12)是否处于速度控制模式，CNlA接口的OPC端子和COM端子短接，提供低压电源供驱动器内部使用，伺服驱动器(第一伺服驱动器8和第二伺服驱动器9)输出三相电源驱动伺服电机(第一伺服电机10和第二伺服电机12)，与伺服电机同轴的编码器(和第一伺服电机同轴的编码器儿和第二伺服电机同轴的编码器13)通过双绞屏蔽电缆把反馈信号传递到伺服驱动器(第一伺服驱动器8和第二伺服驱动器9)的CN2接口，形成伺服系统的闭环控制。图3为图1中PLC和温度控制系统的连接关系。图中，选用三菱&2^4々0寸11温度传感器用模拟量输入模块7、h2N-2DA模拟量输出模块6、NZK-1F型可控硅触发器21、可控硅20、电加热板17和PtlOO钼热电阻传感器19。模拟量输入模块7和模拟量输出模块 6由PLCl输出的直流24V供电。钼热电阻传感器19把测得的实验温度信号输入到模拟量输入模块7，模拟量输入模块6将来自钼热电阻传感器19的信号放大，并将信号转换为12 位的可读数数据再传输到PLCl的处理单元CPTO，由PLCl按照温度控制要求进行PID调节， 调节后的结果输入到模拟输出模块6，模拟输出模块6将12位的数字值转换成2点模拟输出(电压输出和电流输出)，得到的模拟量输出到可控硅触发器21，可控硅触发器21的两组控制端子K1、G1和K2、G2输出信号控制可控硅20导通或截止，进而控制电加热板17电阻丝的通电时间和加热功率。控制可控硅20导通或截止的触发信号的大小反映出可控硅 20的导通程度，可控硅20与电加热板17串联，当可控硅20导通时，电加热板17开启，对环境加热，环境温度升高；当可控硅20截止时，电加热板17停止工作。钼热电阻传感器19不断检测实验温度，把新的数据送入PLCl温度控制模块，构成闭环系统，环境温度升高到温度设定值时，钼热电阻传感器19没有输出，可控硅20截止，电加热板17处于关断的状态。 当环境温度低于设定值时，电加热板17又重新工作，使温度稳定在一定温度。 经实验表明，本实用新型的中阶梯光栅刻划机的控制装置，提高了中阶梯光栅的刻槽形状和光栅常数的控制精度，减小刻划误差，便于调整，操作方便，提高了光栅刻划机的效率。
权利要求1. 一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置，特征在于其构成包括上位机 (22)、可编程控制器(1)、伺服控制系统和温度控制系统所述的可编程控制器(1)由中央处理器(5)、电源O)、存储器(3)、I/O扩展口(4)和输入/输出接口电路组成，所述的伺服控制系统包括工作台伺服控制和刻刀伺服控制两部分所述的可编程控制器(1)的第一驱动信号输出端经由第一伺服驱动器(8)、第一伺服电机(10)与带动刀桥 (14)的凸轮相连，与第一伺服电机同轴的第一编码器(11)又将第一伺服电机的运动反馈给所述的第一伺服驱动器(8)，构成刻刀伺服控制；所述的可编程控制器(1)的第二驱动信号输出端经由第二伺服驱动器(9)、第二伺服电机(1 通过丝杠螺母副与工作台(16)相连，与第二伺服电机同轴的第二编码器(13)又将第二伺服电机(12)的运动反馈给所述的第二伺服驱动器(9)，构成工作台伺服控制；与工作台(16)同步移动的光栅尺(18)和读数头(1 将代表工作台位移量的信号经模拟量输入模块(7)输入所述的可编程控制器(1)的I/O扩展口 G)，所述的可编程控制器(1)经数据处理后适时适量地驱动所述的工作台(16)和刻刀的运动，形成位置闭环控制；所述的温度控制系统由所述的可编程控制器(1)的模拟量输出模块(6)及其依次相连的可控硅触发器(21)、可控硅00)、电加热板(17)、测量工作台的温度的钼热电阻传感器 (19)和所述的可编程控制器(1)的模拟量输入模块(7)组成；在所述的可编程控制器(1)的控制过程中，上位机0 发送指令或目标位移量给所述的可编程控制器(1)，所述的可编程控制器(1)按照设定的参数或预先编写的运动程序向伺服驱动器发出信号。
专利摘要本实用新型公开了一种具有高控制精度的中阶梯光栅刻划机控制装置，包括上位机、可编程控制器、伺服控制系统和温度控制系统，以可编程控制器为核心构成的双反馈闭环控制系统，及电加热板的使用，使工作台处于合适的温度环境下工作，提高了中阶梯光栅刻划机的控制精度，减少刻划误差，便于调整，操作方便，能很好的满足常用中阶梯光栅的刻划。
文档编号G05B19/18GK202003192SQ201020666988
公开日2011年10月5日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者倪争技, 张大伟, 杨惠尹, 王伟, 赵翠翠, 黄元申 申请人:上海理工大学