顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*
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張 強(qiáng)，王福明，郭彥青，孟烈鋼
（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）
摘要：針對(duì)顯微鏡手動(dòng)調(diào)焦復(fù)雜，較難得到最佳狀態(tài)下的圖像的現(xiàn)狀，提出了一種自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)x軸、y軸的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)x軸、y軸的聯(lián)動(dòng)控制，調(diào)焦電機(jī)控制檢測(cè)平臺(tái)z方向的移動(dòng)以達(dá)到對(duì)焦的功能。該系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行精確控制，其X -Y定位精度達(dá)到0.002 mm，對(duì)焦定位精度為25nm。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，表明該系統(tǒng)能可靠運(yùn)行，可為類似應(yīng)用提供一定參考。
關(guān)鍵詞：顯微鏡；自動(dòng)對(duì)焦；運(yùn)動(dòng)控制；設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TH742
0 引言
隨著電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)儀器正朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。顯微鏡是現(xiàn)階段一種應(yīng)用非常廣泛的光學(xué)儀器，它通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的作用放大被觀察的對(duì)象，并對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯示，從微觀形態(tài)來(lái)認(rèn)識(shí)和研究對(duì)象的特性。目前，它已廣泛地應(yīng)用于生物學(xué)、病理學(xué)、細(xì)胞組織學(xué)和遺傳基因等各領(lǐng)域。
但是，在應(yīng)用顯微鏡對(duì)微觀場(chǎng)景進(jìn)行顯微觀察及監(jiān)測(cè)時(shí)，如果僅依靠操作人員的主觀判斷來(lái)完成顯微鏡的調(diào)焦，則很容易帶來(lái)一定的人為誤差，而且自動(dòng)化程度低。本文將自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)顯微鏡中，該系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯微鏡的自動(dòng)對(duì)焦，并且能夠達(dá)到一定的精度要求，大大方便了用戶使用。
1顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)要求X軸、Y軸、Z軸能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、加速、減速等動(dòng)作，并且要保證工作平臺(tái)的平穩(wěn)以及滿足精度要求，因此選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于直接用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足精度要求，還需要采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分及功率放大處理，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行精確的控制。顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)整體方案如圖1所示。
電源濾波、明緯電源、空氣開(kāi)關(guān)設(shè)備為整個(gè)系統(tǒng)提供電源和保護(hù)，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息到運(yùn)動(dòng)控制卡，由運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、精確定位等控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的控制信息驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。具體控制方案如圖2所示。
2 X-Y工作平臺(tái)設(shè)計(jì)
2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
根據(jù)設(shè)計(jì)要求X-Y平臺(tái)的定位精度為0.005mm，X軸.Y軸可單獨(dú)運(yùn)行也可聯(lián)動(dòng)，X軸、Y軸具有極限位置保護(hù)功能，系統(tǒng)最大速度為1 m／min。依據(jù)系統(tǒng)定位精度要求，系統(tǒng)工作時(shí)，一個(gè)進(jìn)給指令對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)位移量應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度。由于工作臺(tái)的定位精度為0. 005 mm，因此選定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0. 005 mm/pulse。
2.2 系統(tǒng)工作時(shí)載荷計(jì)算
顯微鏡的工作平臺(tái)為電機(jī)帶動(dòng)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)．其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
由于工作臺(tái)工作時(shí)只是帶動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，不產(chǎn)生附加的力矩，因此在靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)的工作載荷Fm(N)為：
系統(tǒng)的蛀大動(dòng)載荷Q(N)為：
2.3電機(jī)步進(jìn)角計(jì)算
由圖3可知，電機(jī)經(jīng)帶輪(1：1)將力矩傳遞到絲杠螺母中，則其傳遞比為：
2 4等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
為精確求解步進(jìn)電機(jī)的對(duì)應(yīng)參數(shù)，還需計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J q(g．cm3)
其中：J0為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常見(jiàn)42步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為60g．cm2；J1為主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量．取值為10 g.cm2；J2為從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為10 g·cm2；J3為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為10 g．cm2；Z1為主動(dòng)輪齒數(shù)；Z2為從動(dòng)輪齒數(shù)；M為移動(dòng)部件的質(zhì)量，取值為80 kg。且傳動(dòng)比為1．則Z1=Z2，代入計(jì)算得J q=62. 56 kg．cm2。
2 .5步進(jìn)電機(jī)的選用
2.5 1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為T7．驅(qū)動(dòng)力為Fm，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
其中：η為機(jī)械傳動(dòng)的效率，取值0 4。將相關(guān)數(shù)值代人計(jì)算得T’=5 5 N．cm。
考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
2 S 2加減速力矩計(jì)算
系統(tǒng)的最大速度為1 m／min，加減速時(shí)問(wèn)取為5s．則加減速所需力矩Ta(N．m)近似計(jì)算為：
取啟動(dòng)力矩和加減速力矩的最大值0 11 N．m作為步進(jìn)電機(jī)的力矩選擇依據(jù)。
2 5 3步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步，空載啟動(dòng)頻率要小于最高運(yùn)行頻率fmax，同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠火，依據(jù)以上汁算可選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為E28H-17-05-A06。
3硬件電路設(shè)計(jì)
根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)電路，實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸的精確控制．經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析后得到器件的選擇方案，設(shè)汁出整個(gè)系統(tǒng)硬件的連接方案．如圖4所示。
整個(gè)系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制采集卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、X軸Y軸操作平臺(tái)及手動(dòng)操作裝置、供電設(shè)備和繼電器保護(hù)環(huán)節(jié)組成。
3 .1供電環(huán)節(jié)
為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定安全的電力系統(tǒng)是基礎(chǔ)。由于顯微鏡系統(tǒng)是一個(gè)非常精細(xì)的系統(tǒng)．外界的一絲干擾都可能耐其產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作甚至破壞系統(tǒng)，為此設(shè)計(jì)了電源系統(tǒng)如陶5所示。
3. 2 Z軸方向的控制電路
Z軸電機(jī)采用35步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。Z軸控制電路如圖6所示。
3.3 顯微鏡自動(dòng)控制箱
為實(shí)現(xiàn)顯微鏡的控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)控制箱，如圖7所示。
4軟件設(shè)計(jì)
采用VC++6.0開(kāi)發(fā)了DLL文件，可為上位機(jī)軟件（自動(dòng)調(diào)焦程序）提供硬件驅(qū)動(dòng)支持。開(kāi)發(fā)DLL文件時(shí)用MFC類庫(kù)編寫(xiě)，在源文件里有一個(gè)繼承CWinCPP的類。我們編寫(xiě)Mot_Driver. cpp程序?yàn)镈LL提供初始函數(shù)，供DLL調(diào)用。在Mot_Driver. cpp中定義的接口函數(shù)如下：
通過(guò)對(duì)以上函數(shù)的調(diào)用，系統(tǒng)完成對(duì)電機(jī)的控制。在上位機(jī)中可通過(guò)DLL驅(qū)動(dòng)編程，完成系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置。
5結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治龊陀?jì)算，設(shè)計(jì)了顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了器件選型。利用PCI-1240運(yùn)動(dòng)控制卡能夠方便準(zhǔn)確地傳遞上位機(jī)的控制要求。利用DM320C步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，滿足X-y平臺(tái)0.002 mm的精度要求。選擇的X-y平臺(tái)E28H47-05-A06步進(jìn)電機(jī)及Z軸35步進(jìn)電機(jī)均能滿足力矩要求。
