ICP炬管三維移動平臺及控制系統(tǒng)設(shè)計

陳 琪，連磊磊，劉麗娟，李 濤

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）機電學院，湖北 武漢 430074；2.武漢軍械士官學校地炮系，湖北 武漢 430075）

0 引言

為使ICP分析結(jié)果具有高的靈敏度和精確度，等離子體炬管需準確移動至工作位置，為此需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)其三維空間精確移動的裝置。該裝置需有足夠的承載能力、運動平穩(wěn)性和移動精度；同時需配備能夠顯示平臺空間位置，便于調(diào)控的控制系統(tǒng)。因此，對ICP炬管三維移動平臺及平臺控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 移動平臺的整體設(shè)計

移動平臺整體設(shè)計機構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，具有良好的自鎖特性和工藝特性。移動平臺的整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 移動平臺的整體設(shè)計

三維移動平臺采用步進電機驅(qū)動，導向軸導向，通過螺旋傳動，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蚱脚_直線運動。移動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)X，Y，Z3個方向上的精密移動，工作臺根據(jù)實際設(shè)計需求，單個方向的行程為150mm×50mm×20mm。X方向行程最大，置于底層，Y移動臺在X移動臺之上，Z移動臺位于頂層作為承載平臺。其中X，Y方向采用滾珠絲桿傳動，實現(xiàn)水平面150mm×50mm的移動行程，Z方向采用螺旋升降機構(gòu)，實現(xiàn)平臺的20mm升降需求。平臺單方向移動精度為0.05mm?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)崟r采集移動平臺工況信息，由上位機顯示、調(diào)控和預(yù)警。

2 移動平臺各向結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動平臺每個方向均由獨立的傳動系統(tǒng)、導向系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)組成[1]，便于實現(xiàn)單向調(diào)控。

2.1 傳動系統(tǒng)

3個方向均采用螺旋傳動副，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_的直線運動[2]。

X，Y方向承載平臺的主要負載，所需推力較大，采用滾珠絲桿傳動，以減少摩擦阻力。其傳動原理如圖2所示。滾珠絲桿不承受徑向載荷，平臺自重所產(chǎn)生徑向載荷主要由導向軸承擔，滾珠絲桿傳動運動更加平穩(wěn)。步進電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，將轉(zhuǎn)動力矩傳遞給滾珠絲桿，使絲桿轉(zhuǎn)動，帶動平臺平動。移動平臺在該方向上的摩擦阻力及電機提供的保持力矩能防止?jié)L珠絲桿逆襲運動，使定位準確。

圖2 X，Y方向傳動原理

根據(jù)設(shè)計需求，Z向行程短。為使空間配置緊湊，Z向采用帶輪傳動與螺旋傳動的復合傳動方案。其傳動原理圖如圖3所示。電機通過帶傳動將轉(zhuǎn)動力傳遞給齒輪螺母，齒輪螺母轉(zhuǎn)動帶動螺桿移動，實現(xiàn)平臺的升降運動。為保證Z向的精度和自鎖要求，螺旋副采用梯形螺紋、單線螺紋設(shè)計，利用載物臺自重實現(xiàn)自鎖。Z向螺桿承受平臺重力，為減小其磨損和應(yīng)力變形，采用四根支撐彈簧承載載物臺部分重力，同時減小步進電機啟動力矩。

圖3 Z方向傳動原理

滾珠絲桿精度等級C5，其300mm行程變動量為0.023mm[3]。根據(jù)設(shè)計行程可推算，各方向傳動精度大于0.015mm。同步齒形帶傳動精度為0.025mm，系統(tǒng)整體機械傳動精度為0.04mm。

2.2 導向系統(tǒng)

系統(tǒng)X，Y方向采用直線軸承和圓柱導向軸構(gòu)成的圓柱形滾動直線導軌套副[4]作為一對導向部件配合使用，獲得高精度的平穩(wěn)運動。直線軸承滾珠與導軌軸外圓點接觸，許用載荷較小，需進行校核。選用滾動直線導軌套副型號為GTBt13，其額定動載荷Ca為260N，額定靜載荷Coa為480N。整機設(shè)計質(zhì)量約為10kg，X平臺的負重約為8kg，各向均能夠滿足直線軸承額定載荷要求。因X，Y方向?qū)蜉S承擔平臺自重產(chǎn)生的負載，故導向軸表面采用硬化處理，提高其表面接觸強度和耐磨性。Z方向用4根平行的導向軸套與圓柱導桿滑動配合導向。

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)

移動平臺采用步進電機作為驅(qū)動源。在步進電機的驅(qū)動下，移動平臺的螺旋運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。步進電機采用永磁感應(yīng)式步進電機，選用型號為42BYG系列二相步進電機，靜力矩0.21～0.45N·m，其步進角1.8°。X，Y方向步進電機所提供力矩主要克服平臺絲桿副與直線導軌副所產(chǎn)生的摩擦阻力，Z方向步進電機所提供的轉(zhuǎn)矩主要克服載物臺自重及Z向摩擦阻力。為減小步進電機Z向啟動力矩，采用四根支撐彈簧承載載物臺部分重力。X，Y方向電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，傳動比為1∶1，X，Y方向的脈沖當量為0.025mm，Z軸方向電機與絲桿通過齒形帶聯(lián)接，傳動比為2∶1，脈沖當量為0.013mm?？刂凭瓤蛇_0.025mm。步進電機滿足移動平臺移動精度和定位控制需求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)分為下位機和上位機兩部分。下位機硬件電路由為溫度檢測模塊、位置檢測模塊、步進電機驅(qū)動模塊、位置信息存儲模塊組成。上位機部分則作為終端實時顯示下位機所得數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。

控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對移動平臺外部環(huán)境溫度和平臺空間位置的實時監(jiān)控和預(yù)警，保證工作臺各部件處于額定工作溫度下，各向位移量處于合理范圍內(nèi)，以確保平臺工作正常，移動平穩(wěn)可靠。同時控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)實時存取，實現(xiàn)關(guān)機位置即時保存，開機位置自動顯示。其原理簡圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)

3.1 溫度檢測

為保證帶輪不受熱變形，電機處于正常工作狀態(tài)，其工作環(huán)境溫度應(yīng)不大于60℃。溫度傳感器安置于移動平臺的工作空間內(nèi)部，實時采集外部環(huán)境溫度信號。設(shè)備采用DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，其采用“一線制”串行通信協(xié)議，引腳少，無需A／D轉(zhuǎn)換器等外圍器件，電路得到簡化。其溫度測量范圍-55～125℃，滿足系統(tǒng)測溫要求。MCU將其發(fā)送至PC機顯示，同時與設(shè)定安全溫度（60℃）對比，實現(xiàn)工況溫度自動對比報警功能。

3.2 位置檢測與調(diào)控

3個方向的位移采用數(shù)字式角編碼器進行測量。數(shù)字式角編碼器是一種常用的測量角位移的數(shù)字式測量裝置[5]。測量時，編碼器的軸與絲桿軸連接，并將轉(zhuǎn)軸的角位移用脈沖形式表示，通過計數(shù)裝置對脈沖進行加或減的運算，配合零位基準，實現(xiàn)角位移測量。根據(jù)絲桿的直徑和導程，角位移經(jīng)MCU處理后可轉(zhuǎn)化為直線位移量，實現(xiàn)其各個方向上的位移測量。

同時，根據(jù)位移調(diào)控需求，PC機可向MCU發(fā)出指令，MCU向步進電機發(fā)送相應(yīng)的脈沖數(shù)控制步進電機運動，帶動平臺移動。角編碼器經(jīng)計數(shù)器計數(shù)，MCU處理后，將平臺實際位移量反饋至PC機，從而實現(xiàn)位移閉環(huán)反饋控制，提高控制精度。

3.3 位置信息存儲

X25045帶串行EEPROM的CPU監(jiān)控器，有看門狗功能，可用于監(jiān)控單片機是否正常運行，還具有上電復位、保存參數(shù)和電壓監(jiān)測功能[6]。

MCU實時將平臺空間位置存儲在X25045非易失性存儲器（EEPROM）中，實現(xiàn)掉電位置參數(shù)保存，開機位置自動讀取并送顯示。

3.4 上位機

上位機能夠?qū)崟r顯示工況數(shù)據(jù)[7]，其界面如圖5所示。上位機能將溫度、開關(guān)機位置等數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，方便排查檢修。上位機設(shè)定兩種工作狀態(tài)，監(jiān)測狀態(tài)和調(diào)控狀態(tài)。監(jiān)測狀態(tài)下，位置調(diào)控功能不可用，切換至調(diào)控狀態(tài)，可進行位置調(diào)控，將炬管移動至設(shè)定位置。上位機兼具報警功能，在溫度過高、單片機工作異常和位移超程等情況下，報警并彈窗，指示燈由綠色變?yōu)榧t色，如圖6所示。消除錯誤操作，報警指示等恢復綠色。

圖5 控制界面

圖6 報警提示

4 結(jié)束語

根據(jù)ICP設(shè)備對其炬管的功能和技術(shù)要求，在傳統(tǒng)的三維移動方案的基礎(chǔ)上進行再設(shè)計，并根據(jù)控制系統(tǒng)原理進行了上位機設(shè)計，使該三維移動平臺滿足ICP炬管的位置調(diào)控要求。由于該設(shè)備負載相對較大，工作環(huán)境溫度變化較大，零部件的剛度、熱變形等因素對設(shè)備的影響還需要進一步研究。目前，設(shè)備雖處于實驗調(diào)試階段，但是為后期ICP炬管移動臺的優(yōu)化設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。

[1]吉愛紅，汪 煒，陸俊華.三坐標精密移動平臺的研制[J].機械，2004，31（10）：54-55.

[2]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計.8版[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊（新版）第二卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊（新版）第三卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]周杏鵬，仇國富.現(xiàn)代檢測技術(shù).2版[M].北京：高等教育出版社，2010.

[6]李海龍，劉 江.可編程看門狗監(jiān)控EEPROM芯片X25045及其應(yīng)用[J].科技資訊，2009，（32）：18-19.

[7]張 輝，李榮利，王和平.Visual Basic串口通信及編程實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.