ICP炬管三维移动平台及控制系统设计

陈 琪，连磊磊，刘丽娟，李 涛

（1.中国地质大学（武汉）机电学院，湖北 武汉 430074；2.武汉军械士官学校地炮系，湖北 武汉 430075）

0 引言

为使ICP分析结果具有高的灵敏度和精确度，等离子体炬管需准确移动至工作位置，为此需要一种能够实现其三维空间精确移动的装置。该装置需有足够的承载能力、运动平稳性和移动精度；同时需配备能够显示平台空间位置，便于调控的控制系统。因此，对ICP炬管三维移动平台及平台控制系统进行了设计。

1 移动平台的整体设计

移动平台整体设计机构简单，结构紧凑，工作可靠，具有良好的自锁特性和工艺特性。移动平台的整体设计如图1所示。

图1 移动平台的整体设计

三维移动平台采用步进电机驱动，导向轴导向，通过螺旋传动，将回转运动转变为各向平台直线运动。移动平台能够实现X，Y，Z3个方向上的精密移动，工作台根据实际设计需求，单个方向的行程为150mm×50mm×20mm。X方向行程最大，置于底层，Y移动台在X移动台之上，Z移动台位于顶层作为承载平台。其中X，Y方向采用滚珠丝杆传动，实现水平面150mm×50mm的移动行程，Z方向采用螺旋升降机构，实现平台的20mm升降需求。平台单方向移动精度为0.05mm。控制系统能够实时采集移动平台工况信息，由上位机显示、调控和预警。

2 移动平台各向结构设计

移动平台每个方向均由独立的传动系统、导向系统与驱动系统组成[1]，便于实现单向调控。

2.1 传动系统

3个方向均采用螺旋传动副，将回转运动转变为平台的直线运动[2]。

X，Y方向承载平台的主要负载，所需推力较大，采用滚珠丝杆传动，以减少摩擦阻力。其传动原理如图2所示。滚珠丝杆不承受径向载荷，平台自重所产生径向载荷主要由导向轴承担，滚珠丝杆传动运动更加平稳。步进电机与丝杆通过联轴器连接，将转动力矩传递给滚珠丝杆，使丝杆转动，带动平台平动。移动平台在该方向上的摩擦阻力及电机提供的保持力矩能防止滚珠丝杆逆袭运动，使定位准确。

图2 X，Y方向传动原理

根据设计需求，Z向行程短。为使空间配置紧凑，Z向采用带轮传动与螺旋传动的复合传动方案。其传动原理图如图3所示。电机通过带传动将转动力传递给齿轮螺母，齿轮螺母转动带动螺杆移动，实现平台的升降运动。为保证Z向的精度和自锁要求，螺旋副采用梯形螺纹、单线螺纹设计，利用载物台自重实现自锁。Z向螺杆承受平台重力，为减小其磨损和应力变形，采用四根支撑弹簧承载载物台部分重力，同时减小步进电机启动力矩。

图3 Z方向传动原理

滚珠丝杆精度等级C5，其300mm行程变动量为0.023mm[3]。根据设计行程可推算，各方向传动精度大于0.015mm。同步齿形带传动精度为0.025mm，系统整体机械传动精度为0.04mm。

2.2 导向系统

系统X，Y方向采用直线轴承和圆柱导向轴构成的圆柱形滚动直线导轨套副[4]作为一对导向部件配合使用，获得高精度的平稳运动。直线轴承滚珠与导轨轴外圆点接触，许用载荷较小，需进行校核。选用滚动直线导轨套副型号为GTBt13，其额定动载荷Ca为260N，额定静载荷Coa为480N。整机设计质量约为10kg，X平台的负重约为8kg，各向均能够满足直线轴承额定载荷要求。因X，Y方向导向轴承担平台自重产生的负载，故导向轴表面采用硬化处理，提高其表面接触强度和耐磨性。Z方向用4根平行的导向轴套与圆柱导杆滑动配合导向。

2.3 驱动系统

移动平台采用步进电机作为驱动源。在步进电机的驱动下，移动平台的螺旋运动转变为直线运动。步进电机采用永磁感应式步进电机，选用型号为42BYG系列二相步进电机，静力矩0.21～0.45N·m，其步进角1.8°。X，Y方向步进电机所提供力矩主要克服平台丝杆副与直线导轨副所产生的摩擦阻力，Z方向步进电机所提供的转矩主要克服载物台自重及Z向摩擦阻力。为减小步进电机Z向启动力矩，采用四根支撑弹簧承载载物台部分重力。X，Y方向电机与丝杆通过联轴器连接，传动比为1∶1，X，Y方向的脉冲当量为0.025mm，Z轴方向电机与丝杆通过齿形带联接，传动比为2∶1，脉冲当量为0.013mm。控制精度可达0.025mm。步进电机满足移动平台移动精度和定位控制需求。

3 控制系统设计

控制系统分为下位机和上位机两部分。下位机硬件电路由为温度检测模块、位置检测模块、步进电机驱动模块、位置信息存储模块组成。上位机部分则作为终端实时显示下位机所得数据，并将数据存储在数据库中。

控制系统主要实现对移动平台外部环境温度和平台空间位置的实时监控和预警，保证工作台各部件处于额定工作温度下，各向位移量处于合理范围内，以确保平台工作正常，移动平稳可靠。同时控制系统具备数据实时存取，实现关机位置即时保存，开机位置自动显示。其原理简图如图4所示。

图4 控制系统

3.1 温度检测

为保证带轮不受热变形，电机处于正常工作状态，其工作环境温度应不大于60℃。温度传感器安置于移动平台的工作空间内部，实时采集外部环境温度信号。设备采用DS18B20数字化温度传感器，其采用“一线制”串行通信协议，引脚少，无需A／D转换器等外围器件，电路得到简化。其温度测量范围-55～125℃，满足系统测温要求。MCU将其发送至PC机显示，同时与设定安全温度（60℃）对比，实现工况温度自动对比报警功能。

3.2 位置检测与调控

3个方向的位移采用数字式角编码器进行测量。数字式角编码器是一种常用的测量角位移的数字式测量装置[5]。测量时，编码器的轴与丝杆轴连接，并将转轴的角位移用脉冲形式表示，通过计数装置对脉冲进行加或减的运算，配合零位基准，实现角位移测量。根据丝杆的直径和导程，角位移经MCU处理后可转化为直线位移量，实现其各个方向上的位移测量。

同时，根据位移调控需求，PC机可向MCU发出指令，MCU向步进电机发送相应的脉冲数控制步进电机运动，带动平台移动。角编码器经计数器计数，MCU处理后，将平台实际位移量反馈至PC机，从而实现位移闭环反馈控制，提高控制精度。

3.3 位置信息存储

X25045带串行EEPROM的CPU监控器，有看门狗功能，可用于监控单片机是否正常运行，还具有上电复位、保存参数和电压监测功能[6]。

MCU实时将平台空间位置存储在X25045非易失性存储器（EEPROM）中，实现掉电位置参数保存，开机位置自动读取并送显示。

3.4 上位机

上位机能够实时显示工况数据[7]，其界面如图5所示。上位机能将温度、开关机位置等数据存储在数据库内，方便排查检修。上位机设定两种工作状态，监测状态和调控状态。监测状态下，位置调控功能不可用，切换至调控状态，可进行位置调控，将炬管移动至设定位置。上位机兼具报警功能，在温度过高、单片机工作异常和位移超程等情况下，报警并弹窗，指示灯由绿色变为红色，如图6所示。消除错误操作，报警指示等恢复绿色。

图5 控制界面

图6 报警提示

4 结束语

根据ICP设备对其炬管的功能和技术要求，在传统的三维移动方案的基础上进行再设计，并根据控制系统原理进行了上位机设计，使该三维移动平台满足ICP炬管的位置调控要求。由于该设备负载相对较大，工作环境温度变化较大，零部件的刚度、热变形等因素对设备的影响还需要进一步研究。目前，设备虽处于实验调试阶段，但是为后期ICP炬管移动台的优化设计提供了设计依据。

[1]吉爱红，汪 炜，陆俊华.三坐标精密移动平台的研制[J].机械，2004，31（10）：54-55.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计.8版[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）第二卷[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）第三卷[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]周杏鹏，仇国富.现代检测技术.2版[M].北京：高等教育出版社，2010.

[6]李海龙，刘 江.可编程看门狗监控EEPROM芯片X25045及其应用[J].科技资讯，2009，（32）：18-19.

[7]张 辉，李荣利，王和平.Visual Basic串口通信及编程实例[M].北京：化学工业出版社，2011.