CN110501328B - 用于单道扫描icp光谱仪的光栅驱动模块及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块及控制方法，包括固定壳体以及控制单元，在固定壳体内设置力矩电机，力矩电机上设置平面光栅以及圆光栅，在固定壳体上设置读数头；控制方法，S1、控制单元得到平面光栅的目标位置；S2、平面光栅将其实际位置发送至控制单元；S3、控制单元规划出最优路径；S4、控制单元启动力矩电机并按照最优路径转动；S5、力矩电机停机。通过将原有的机械驱动替换为力矩电机的驱动，减少机械磨损从而影响转动精度；而力矩电机本身的特点，能够实现机器的快速响应及快速分析，提高ICP光谱仪的转动精度，提升其使用寿命。

Description

用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块及控制方法

技术领域

本发明涉及ICP光谱仪制造技术领域，尤其是涉及一种用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块及控制方法。

背景技术

扫描型ICP发射光谱仪的光学系统有Ebert-Fastic和Czerny-Turner两种，而多数平面光栅扫描型ICP发射光谱仪都采用Czerny-Turner光学系统。根据Czerny-Turner光学系统的原理，为了达到找寻分光后的分析谱线，必须使光栅角度作相应的精确变化。为了提高光栅旋转台转动的精密度，常见的光栅旋转台转动方式有两种：螺纹螺杆传动机构方式和蜗轮蜗杆驱动方式。虽然这两种光栅驱动机构的定位精度都能达到仪器需求的不大于0.001nm，但是它们都属于常规的机械传动装置，是牺牲转动速度来达到转动精度，而且长期使用还会受到机械磨损的影响，限制了仪器的分析速度，特别是分析元素过多的情况下。

为了提高仪器的分析速度，需要在保证光栅转动定位精度的情况下，寻找一种新的能够快速旋转光栅的驱动机构，最好能够不采用常规的机械传动装置，消除机械磨损的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够消除机械磨损并能快速响应的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块及控制方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块，包括固定壳体以及控制单元，在所述的固定壳体内设置力矩电机，所述的力矩电机上设置平面光栅以及圆光栅，在所述的固定壳体上设置与圆光栅配合的读数头，所述的力矩电机驱动平面光栅及圆光栅同步转动；读数头读取圆光栅转动的角度反馈至控制单元，控制单元控制力矩电机的启动与停止。

进一步具体的，所述的力矩电机采用无框力矩电机，所述的平面光栅与圆光栅均设置于无框力矩电机的转子上，所述的无框力矩电机的定子固定于固定壳体上。

进一步具体的，所述的平面光栅通过光栅固定台固定于无框力矩电机的转子上。

进一步具体的，所述的固定壳体包括壳本体、设置于壳本体顶部上的法兰盖，在所述的法兰盖中部开设通孔，所述的光栅固定台穿过通孔并与通孔之间形成间隙。

进一步具体的，所述的壳本体包括底部的大圆柱体、设置于大圆柱体上的小圆柱体以及设置于大圆柱体与小圆柱体内部的腔体，所述的无框力矩电机、平面光栅、圆光栅以及读数头设置腔体内，在所述的大圆柱体与小圆柱体之间形成台阶，在所述的台阶上设置固定孔，所述的固定孔通过螺栓连接到ICP光谱仪上。

进一步具体的，在所述的腔体内设置一环形槽，所述的无框力矩电机的定子卡设在环形槽内。

进一步具体的，所述的无框力矩电机的转子呈环状，在所述的转子内侧开设螺纹，在螺纹上设置固定件，所述的光栅固定台固定于固定件顶端，所述的圆光栅固定于固定件的底端。

一种基于上述用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，

S1、外部指令输入至控制单元，控制单元对相应指令进行分析，得到平面光栅的目标位置；

S2、平面光栅将其实际位置发送至控制单元；

S3、控制单元根据平面光栅的实际位置以及目标位置，规划出力矩电机转动的最优路径；

S4、控制单元发出指令信号至力矩电机，启动力矩电机并按照最优路径转动；

S5、当力矩电机转动至目标位置后，控制单元控制力矩电机停机。

进一步具体的，在步骤S3中规划出的路径为两条，控制单元选择转动时间最少的为最优路径。

进一步具体的，在步骤S5中读数头读取圆光栅的转动位置并将该位置信息反馈至控制单元，控制单元判断该位置信息是否为目标位置，若为目标位置即控制力矩电机停止运动，若不为目标位置控制单元不动作。

本发明的有益效果是：通过将原有的机械驱动替换为本案中的力矩电机的驱动，减少机械磨损从而影响转动精度；而力矩电机本身具有快速启动/停止和高加速度提供高力矩惯量比、低速运转精度高和无减速系统带来的齿隙误差等特点，能够实现机器的快速响应及快速分析，提高ICP光谱仪的转动精度，提升其使用寿命。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图；

图2是本发明控制方法步骤图。

图中：1、固定壳体； 2、力矩电机； 3、圆光栅； 4、读数头； 5、光栅固定台； 6、固定件； 7、轴承； 11、壳本体； 12、法兰盖； 21、定子； 22、转子； 111、大圆柱； 112、小圆柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示一种用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块，包括固定壳体1以及集成于ICP光谱仪内的控制单元（未图示），该控制单元为ICP光谱仪控制系统的一部分，在所述的固定壳体1内设置力矩电机2，所述的力矩电机2上设置平面光栅以及圆光栅3，在所述的固定壳体1上设置与圆光栅3配合的读数头4，所述的力矩电机2驱动平面光栅及圆光栅3同步转动；读数头4读取圆光栅3转动的角度反馈至控制单元，控制单元控制力矩电机2的启动与停止。

基于上述结构，在驱动平面光栅转动时，控制单元通过控制力矩电机2实现，如图2所示其控制步骤如下：

S1、外部指令输入至控制单元，控制单元对相应指令进行分析，得到平面光栅的目标位置；外部指令输入可以通过键盘、鼠标以及触摸屏进行，根据输入的外部指令，控制单元通过内嵌的软件进行分析，得到平面光栅的最终位置即目标位置。

S2、在进行目标位置确定的同时，平面光栅将其实际位置发送至控制单元，实际位置的确认可以通过两种方式，第一种通过对力矩电机2相对转动的角度进行判断，这需要控制单元内部存储力矩电机2每次转动的具体数值，通过计算得出相对位置；第二种通过读数头4与圆光栅3配合，读数头4直接读取圆光栅3的具体位置并反馈至控制单元，读数头4可以实时读取位置，也可以通过控制单元激发读取圆光栅3相对位置。

S3、控制单元根据平面光栅的实际位置以及目标位置，规划出力矩电机2转动的最优路径；力矩电机2的转动有两条路径，顺时针旋转及逆时针旋转，控制单元计算两条路径转动的具体时间，根据计算所得的具体时间，其路径选择方式有两种，根据力矩电机2启动到停止所花最少时间来确定，第一种当两条路径计算所得的具体时间大于力矩电机2启动到停止所花最少时间时，选择两条路径具体时间所花最少的路径为最优路径，而当两条路径所花时间一样时，控制单元判断两条路径均为最优路径并随机选取一条实行；第二种，当两条路径中其中一条计算所得的具体时间小于力矩电机2启动到停止所花最少时间时，控制单元选择所花时间最多的路径为最优路径。

S4、在选择出最优路径后，控制单元发出指令信号至力矩电机2，启动力矩电机2并按照最优路径转动；

S5、当力矩电机2转动至目标位置后，控制单元控制力矩电机2停机；根据步骤S2中两种控制力矩电机2的方式，相应的有两种停止力矩电机2转动的方式，第一种控制单元内部存储力矩电机2转动的角度进行控制；第二种读数头4读取圆光栅3的转动位置并将该位置信息反馈至控制单元，控制单元判断该位置信息是否为目标位置，若为目标位置即控制力矩电机2停止运动，若不为目标位置控制单元不动作。

进一步，上述所述的力矩电机2采用无框力矩电机，采用无框力矩电机可以提供更多的设备空间，方便对设备内部空间的利用，所述的平面光栅及圆光栅3固定于无框力矩电机的转子22上，所述的无框力矩电机的定子21固定于固定壳体1上；同时，为了方便对无框力矩电机定子21的固定及方便转动的输出，所述的固定壳体1包括壳本体11、设置于壳本体11顶部上的法兰盖12，在所述的法兰盖12中部开设通孔，所述的光栅固定台5穿过通孔并与通孔之间形成间隙，转子驱动光栅固定台5转动不会与间隙发生碰撞，转动顺畅；在此基础上所述的壳本体11包括底部的大圆柱体111、设置于大圆柱体111上的小圆柱体112以及设置于大圆柱体111与小圆柱体112内部的腔体，所述的无框力矩电机2、平面光栅、圆光栅3以及读数头4设置腔体内，同时在壳本体11上开设供线缆穿过的孔，用于给无框力矩电机的定子21供电以及将读数头4检测到圆光栅3位置信息输出至控制单元，在所述的大圆柱体111与小圆柱体112之间形成台阶，在所述的台阶上设置固定孔，所述的固定孔通过螺栓连接到ICP光谱仪上，方便进行固定。

进一步，为了将无框力矩电机2卡设在在腔体内，故在所述的腔体内设置一环形槽，所述的无框力矩电机的定子21卡设在环形槽内，法兰盖12的通孔小于腔体顶部可以限制转子22从腔体内跑出。所述的无框力矩电机的转子22呈环状，在所述的转子22内侧开设螺纹，在螺纹上设置固定件6，所述的光栅固定台5固定于固定件6顶端，所述的圆光栅3固定于固定件6的底端，在固定件6与壳本体11之间通过轴承7进行支撑并保证其旋转稳定。

综上，通过上述结构的设置替代原有的机械结构，通过采用力矩电机2减少了机械摩擦，提高转动精度的同时提高其使用寿命；在此结构的基础上通过系统实现的自动控制，通过内嵌软件对其最优路径进行选择，实现快速运动至目标位置，降低转动所花时间，在设备运行稳定的基础上提高效率。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，所述光栅驱动模块包括固定壳体（1）以及控制单元，其特征在于，在所述的固定壳体（1）内设置力矩电机（2），所述的力矩电机（2）上设置平面光栅以及圆光栅（3），在所述的固定壳体（1）上设置与圆光栅（3）配合的读数头（4），所述的力矩电机（2）驱动平面光栅及圆光栅（3）同步转动；读数头（4）读取圆光栅（3）转动的角度反馈至控制单元，控制单元控制力矩电机（2）的启动与停止；

控制方法为：

S1、外部指令输入至控制单元，控制单元对相应指令进行分析，得到平面光栅的目标位置；

S2、平面光栅将其实际位置发送至控制单元；

S3、控制单元根据平面光栅的实际位置以及目标位置，规划出力矩电机（2）转动的最优路径；力矩电机（2）的转动有两条路径，顺时针旋转及逆时针旋转；最优路径根据力矩电机（2）启动到停止所花最少时间来确定，当两条路径计算所得的具体时间大于力矩电机（2）启动到停止所花最少时间时，选择两条路径具体时间所花最少的路径为最优路径；当两条路径所花时间一样时，控制单元判断两条路径均为最优路径并随机选取一条实行；当两条路径中其中一条计算所得的具体时间小于力矩电机（2）启动到停止所花最少时间时，控制单元选择所花时间最多的路径为最优路径；

S4、控制单元发出指令信号至力矩电机，启动力矩电机（2）并按照最优路径转动；

S5、当力矩电机（2）转动至目标位置后，控制单元控制力矩电机（2）停机。

2.根据权利要求1所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，所述的力矩电机（2）采用无框力矩电机，所述的平面光栅与圆光栅（3）均设置于无框力矩电机的转子（22）上，所述的无框力矩电机的定子（21）固定于固定壳体（1）上。

3.根据权利要求2所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，所述的平面光栅通过光栅固定台（5）固定于无框力矩电机的转子（22）上。

4.根据权利要求3所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，所述的固定壳体（1）包括壳本体（11）、设置于壳本体（11）顶部上的法兰盖（12），在所述的法兰盖（12）中部开设通孔，所述的光栅固定台（5）穿过通孔并与通孔之间形成间隙。

5.根据权利要求4所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，所述的壳本体（11）包括底部的大圆柱体（111）、设置于大圆柱体（111）上的小圆柱体（112）以及设置于大圆柱体（111）与小圆柱体（112）内部的腔体，所述的无框力矩电机、平面光栅、圆光栅（3）以及读数头（4）设置腔体内，在所述的大圆柱体（111）与小圆柱体（112）之间形成台阶，在所述的台阶上设置固定孔，所述的固定孔通过螺栓连接到ICP光谱仪上。

6.根据权利要求5所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，在所述的腔体内设置一环形槽，所述的无框力矩电机的定子（21）卡设在环形槽内。

7.根据权利要求3所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，所述的无框力矩电机的转子（22）呈环状，在所述的转子（22）内侧开设螺纹，在螺纹上设置固定件（6），所述的光栅固定台（5）固定于固定件（6）顶端，所述的圆光栅（3）固定于固定件（6）的底端。

8.根据权利要求1所述的用于单道扫描ICP光谱仪的光栅驱动模块的控制方法，其特征在于，在步骤S5中读数头（4）读取圆光栅（3）的转动位置并将该位置信息反馈至控制单元，控制单元判断该位置信息是否为目标位置，若为目标位置即控制力矩电机（2）停止运动，若不为目标位置控制单元不动作。