蔡麗枝

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

0　引言

光照度是光度計(jì)量中最主要的基本技術(shù)指標(biāo)之一，我國(guó)于1982年就建立了光照度國(guó)家基準(zhǔn)，用于復(fù)現(xiàn)和保存光照度單位量值，并通過光照度工作基準(zhǔn)及照度一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向全國(guó)廣泛開展量值傳遞[1]。光照度計(jì)檢定裝置主要由光度測(cè)量裝置即光學(xué)軌道、光闌、滑車、光照度計(jì)裝夾裝置、發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈、直流穩(wěn)壓電源及電測(cè)儀表等組成[2]。目前，我國(guó)各省市計(jì)量部門使用的光照度計(jì)檢定裝置大都是手工操作，由檢定人員推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)燈滑車和光闌滑車在光學(xué)軌道上移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)燈與被檢光照度計(jì)的距離。根據(jù)光照度計(jì)檢定規(guī)程要求，每只照度計(jì)需要檢定十幾個(gè)光照度值，按照距離平方反比定律計(jì)算出十幾個(gè)位置距離,在光學(xué)軌道上要改變標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲面到光度頭之間的距離十幾次，這樣的檢定方法非常耗時(shí)、耗力，檢定效率低，因此，研制一條自動(dòng)光學(xué)軌道勢(shì)在必行。筆者研究設(shè)計(jì)了一條6m的自動(dòng)光學(xué)軌道，該自動(dòng)光學(xué)軌道采用IMAC-400運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行多軸控制，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)燈滑車自動(dòng)位移到檢定照度值對(duì)應(yīng)的位置上，使光照度計(jì)接收到多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光照度值，標(biāo)準(zhǔn)燈前的光闌滑車可與標(biāo)準(zhǔn)燈同時(shí)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)位移，并設(shè)計(jì)有手動(dòng)控制桿進(jìn)行控制微調(diào)光闌的位置。

1　IMAC-400控制器

IMAC-400控制器是由美國(guó)Delat Tau公司開發(fā)的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。它以Motorola DSP數(shù)字信號(hào)處理器為核心,提供了運(yùn)動(dòng)控制、內(nèi)務(wù)處理以及同PC機(jī)交互等全功能運(yùn)動(dòng)控制體系，能同時(shí)控制4個(gè)軸運(yùn)動(dòng),適用于各種工況的高性能、高可靠性的運(yùn)動(dòng)控制解決方案[3]。IMAC-400的CPU與軸是通過特殊設(shè)計(jì)的門陣列ICs(即DSPGATE) 來(lái)實(shí)現(xiàn)接口的。每一個(gè)ICs能夠控制4個(gè)模擬輸出通道、4個(gè)作為輸入的編碼器和4個(gè)來(lái)自附件的模擬驅(qū)動(dòng)輸入。IMAC-400軟件擁有一套功能強(qiáng)大的調(diào)試工具軟件，使得系統(tǒng)設(shè)置變得更簡(jiǎn)單，這些程序可以對(duì)電動(dòng)機(jī)伺服參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。IMAC-400控制器還提供含速度和加速度前饋的PID控制，用戶可以通過自動(dòng)和手動(dòng)方式調(diào)節(jié)PID參數(shù)，從而很好地解決大部分系統(tǒng)特性問題，可大大提高控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2　自動(dòng)光學(xué)軌道控制系統(tǒng)及原理

該自動(dòng)軌道絕大部分工作是通過IMAC-400控制器的PMAC卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如磁柵尺及伺服電機(jī)碼盤信號(hào)的采集與處理、伺服電機(jī)控制和誤差補(bǔ)償?shù)?。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由4部分組成: 滑行定位執(zhí)行裝置、伺服控制器、檢測(cè)反饋裝置、限位開關(guān)。上位機(jī)(PC機(jī))通過IMAC-400控制器的軟件PEWIN界面發(fā)送目標(biāo)位移量或指令給IMAC-400控制器，IMAC-400控制器按設(shè)定的參數(shù)或運(yùn)行預(yù)先編寫的運(yùn)動(dòng)程序來(lái)控制滑行定位執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位，同時(shí)檢測(cè)反饋裝置(磁柵尺)不斷地檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈滑車在光學(xué)軌道上的實(shí)際位置，并實(shí)時(shí)地將檢測(cè)信號(hào)反饋回IMAC-400控制器，直到滿足標(biāo)準(zhǔn)燈滑車的定位準(zhǔn)確度要求。自動(dòng)光學(xué)軌道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要硬件包括:控制計(jì)算機(jī)、IMAC-400多軸控制器、富士伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)軌道、滑行定位執(zhí)行裝置、磁柵尺和霍爾限位開關(guān)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．1　滑行定位執(zhí)行裝置

滑行定位執(zhí)行裝置作為光學(xué)軌道的機(jī)械部件，是將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為光學(xué)軌道上標(biāo)準(zhǔn)燈滑車和光闌滑車的直線運(yùn)動(dòng)的變換裝置。本系統(tǒng)采用的方案是伺服電機(jī)加上減速機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠通過絲杠螺母帶動(dòng)滑車往返運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)燈滑車和光闌滑車的移動(dòng)及定位。由于6m長(zhǎng)的尺寸限制不能采用空心管加工絲杠，設(shè)計(jì)采用了6m實(shí)心棒料，這樣使得絲杠的自重比較高，要求每隔1m做一個(gè)滾柱支撐，因此絲杠螺母就不能采用全螺母，也不能裝上滾珠，而只能采用3/4螺母，并且對(duì)絲杠的牙深和牙型精度有很高的要求。設(shè)計(jì)采用4mm深的梯形牙，牙距6mm。圖2為自動(dòng)光學(xué)軌道的實(shí)物圖。

圖2　自動(dòng)光學(xué)軌道的實(shí)物圖

2．2　伺服控制部分

伺服控制部分主要由PC機(jī)、IMAC-400控制器的PMAC卡以及相應(yīng)的通信、控制軟件組成。IMAC-400控制器的PMAC卡為伺服控制核心，該部分主要完成滑行位置信號(hào)的控制、采樣處理、誤差計(jì)算、誤差補(bǔ)償以及對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)。在以PMAC卡為核心控制器的伺服系統(tǒng)中,用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的要求來(lái)調(diào)整伺服系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，IMAC-400控制器配置的軟件PEWIN為用戶提供了一個(gè)非常方便的工具，即通過分析系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和正弦響應(yīng)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)特性，調(diào)整控制環(huán)的步驟一般是先采用自動(dòng)調(diào)整方法找到一組較為合適的參數(shù)，粗調(diào)一次，然后用手動(dòng)細(xì)微調(diào)整的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精調(diào)，脈沖響應(yīng)過程主要用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D等參數(shù)，而正弦波響應(yīng)主要是用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，涉及到的參數(shù)主要是速度和加速度前饋[5]。

PMAC卡作為全數(shù)字伺服系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件技術(shù)，采用新的控制方法改善系統(tǒng)的性能，引入了前饋控制，實(shí)際上構(gòu)成了具有反饋-前饋的復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使位置跟蹤滯后誤差大為減小，提高了位置控制精度。這種系統(tǒng)在理論上可以完全消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差、速度誤差、加速度誤差以及外界擾動(dòng)引起的誤差，即實(shí)現(xiàn)完全的“無(wú)誤差調(diào)節(jié)”。

2．3　信號(hào)檢測(cè)部分

要構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在線檢測(cè)裝置是必不可少的[6]。所謂閉環(huán)控制就是把碼盤信號(hào)作為速度環(huán)反饋，把磁柵信號(hào)作為位置環(huán)反饋。考慮到系統(tǒng)的長(zhǎng)度有6m，位置控制準(zhǔn)確度要達(dá)到0.2mm的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用的是德國(guó)ELGO磁柵尺作為在線檢測(cè)裝置，完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)燈滑車位移信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。磁柵尺的測(cè)量分辨力為0.01mm，測(cè)量重復(fù)性為0.01mm，測(cè)量準(zhǔn)確度為±(0.025+0.02×L)mm，L為測(cè)量長(zhǎng)度，單位為m，6m的測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.145mm，輸出信號(hào)為0～5V TTL方波信號(hào)。IMAC-400控制器的ENC口可接收0～5V TTL的方波信號(hào)作為閉環(huán)反饋控制信號(hào)。

3　自動(dòng)光學(xué)軌道測(cè)試數(shù)據(jù)分析

為了測(cè)試自動(dòng)光學(xué)軌道實(shí)際定位的準(zhǔn)確度，采用激光干涉儀XL-80來(lái)測(cè)試自動(dòng)光學(xué)軌道中標(biāo)準(zhǔn)燈滑車的移動(dòng)定位準(zhǔn)確度。根據(jù)光照度計(jì)檢定的要求，標(biāo)準(zhǔn)燈滑車需在光學(xué)軌道上自動(dòng)位移到多個(gè)位置，使光照度計(jì)探測(cè)器接收多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)照度值。按實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算在50lx、80lx、100lx、150lx、200lx、500lx、800lx、1000lx、1500lx光照度值檢定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置值，調(diào)節(jié)好起始零位后，其對(duì)應(yīng)位置值如表1所示。由自動(dòng)系統(tǒng)控制標(biāo)準(zhǔn)燈滑車位移，采用激光干涉儀同步測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)燈滑車的實(shí)際位移。標(biāo)準(zhǔn)燈位移控制的定位準(zhǔn)確度和重復(fù)性如圖3和圖4所示。

表1標(biāo)準(zhǔn)照度值對(duì)應(yīng)的位置值

標(biāo)準(zhǔn)照度值(lx)150010008005002001501008050對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)燈位置(mm)18　9203　0321　4618　41442　81789　72371　82746　13685　5

圖3　標(biāo)準(zhǔn)燈定位準(zhǔn)確度

圖4　標(biāo)準(zhǔn)燈滑車定位重復(fù)性

4　結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)研制的自動(dòng)光學(xué)軌道是利用IMAC-400控制器控制伺服電機(jī)和減速機(jī)，通過絲杠和絲杠螺母帶動(dòng)滑車移動(dòng)，利用磁柵尺實(shí)現(xiàn)反饋控制和測(cè)量準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)燈的精確定位和光闌的移動(dòng)。由實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，自動(dòng)光學(xué)軌道在閉環(huán)控制情況下，標(biāo)準(zhǔn)燈滑車定位誤差小于0.2mm，定位重復(fù)性小于0.02mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)的控制目的，滿足了光照度計(jì)檢定過程的要求。

[1]姜曉梅,馬燕,劉慧.高照度標(biāo)準(zhǔn)裝置和量值傳遞方法的研究[J]．計(jì)量學(xué)報(bào)，2009，6A(30)

[2]姜曉梅,高執(zhí)中.JJG 245—2005光照度計(jì)檢定規(guī)程.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005

[3]趙偉強(qiáng),劉慧,劉建,等.基于6030電機(jī)控制卡的LED分布光度計(jì)小型化研究[J].計(jì)量技術(shù)，2011(1)

[4]沈燦鋼,陳岳林,孫寧.基于PMAC和安川伺服電機(jī)的一維精密定位控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2005，32(9)

[5]歐陽(yáng)航空,陸林海,華曉青.基于PMAC的精密定位系統(tǒng)研究[J].機(jī)電一體化,2005(1)

[6]米鳳文,戴旭涵.0.1μm 大行程精密定位控制系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1998,21(1)