张 强，王福明，郭彦青，孟烈钢
（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）
摘要：针对显微镜手动调焦复杂，较难得到最佳状态下的图像的现状，提出了一种自动对焦系统。该系统既可以实现x轴、y轴的单独运动，也可以实现x轴、y轴的联动控制，调焦电机控制检测平台z方向的移动以达到对焦的功能。该系统通过步进电机控制器进行精确控制，其X -Y定位精度达到0.002 mm，对焦定位精度为25nm。通过大量实验，表明该系统能可靠运行，可为类似应用提供一定参考。
关键词：显微镜；自动对焦；运动控制；设计中图分类号：TH742
0 引言
随着电子控制技术、计算机技术的飞速发展，光学仪器正朝着自动化、智能化的方向发展。显微镜是现阶段一种应用非常广泛的光学仪器，它通过光学系统的作用放大被观察的对象，并对微观组织结构进行显示，从微观形态来认识和研究对象的特性。目前，它已广泛地应用于生物学、病理学、细胞组织学和遗传基因等各领域。
但是，在应用显微镜对微观场景进行显微观察及监测时，如果仅依靠操作人员的主观判断来完成显微镜的调焦，则很容易带来一定的人为误差，而且自动化程度低。本文将自动对焦技术应用于光学显微镜中，该系统能够在较短的时间内实现显微镜的自动对焦，并且能够达到一定的精度要求，大大方便了用户使用。
1显微镜自动对焦系统总体设计方案
显微镜自动对焦系统要求X轴、Y轴、Z轴能够实现单独运动、联动、加速、减速等动作，并且要保证工作平台的平稳以及满足精度要求，因此选用步进电机作为驱动机构。由于直接用步进电机驱动机构无法满足精度要求，还需要采用步进电机驱动器细分及功率放大处理，通过步进电机控制器进行精确的控制。显微镜自动对焦系统整体方案如图1所示。
电源滤波、明纬电源、空气开关设备为整个系统提供电源和保护，通过上位机发送运动信息到运动控制卡，由运动控制卡进行加速、减速、正转、反转、精确定位等控制，步进电机驱动器根据接收到的控制信息驱动步进电机进行动作。具体控制方案如图2所示。
2 X-Y工作平台设计
2.1 确定系统脉冲当量
根据设计要求X-Y平台的定位精度为0.005mm，X轴.Y轴可单独运行也可联动，X轴、Y轴具有极限位置保护功能，系统最大速度为1 m／min。依据系统定位精度要求，系统工作时，一个进给指令对应的工作台位移量应小于等于工作台的位置精度。由于工作台的定位精度为0. 005 mm，因此选定系统脉冲当量为0. 005 mm/pulse。
2.2 系统工作时载荷计算
显微镜的工作平台为电机带动的丝杠螺母结构．其结构示意图如图3所示。
由于工作台工作时只是带动平台移动，不产生附加的力矩，因此在静态时系统的工作载荷Fm(N)为：
系统的蛀大动载荷Q(N)为：
2.3电机步进角计算
由图3可知，电机经带轮(1：1)将力矩传递到丝杠螺母中，则其传递比为：
2 4等效转动惯量计算
为精确求解步进电机的对应参数，还需计算整个系统的等效转动惯量J q(g．cm3)
其中：J0为步进电机轴的转动惯量，常见42步进电机的转动惯量为60g．cm2；J1为主动带轮转动惯量．取值为10 g.cm2；J2为从动带轮转动惯量，取值为10 g·cm2；J3为滚珠丝杠的转动惯量，取值为10 g．cm2；Z1为主动轮齿数；Z2为从动轮齿数；M为移动部件的质量，取值为80 kg。且传动比为1．则Z1=Z2，代入计算得J q=62. 56 kg．cm2。
2 .5步进电机的选用
2.5 1 步进电机启动力矩的计算
设步进电机的等效负载力矩为T7．驱动力为Fm，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：
其中：η为机械传动的效率，取值0 4。将相关数值代人计算得T’=5 5 N．cm。
考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：
2 S 2加减速力矩计算
系统的最大速度为1 m／min，加减速时问取为5s．则加减速所需力矩Ta(N．m)近似计算为：
取启动力矩和加减速力矩的最大值0 11 N．m作为步进电机的力矩选择依据。
2 5 3步进电机的最高工作频率
为使电机不产生失步，空载启动频率要小于最高运行频率fmax，同时电机最大静转矩要足够火，依据以上汁算可选择步进电机的型号为E28H-17-05-A06。
3硬件电路设计
根据任务要求设计电路，实现X轴、Y轴、Z轴的精确控制．经过对系统进行理论分析后得到器件的选择方案，设汁出整个系统硬件的连接方案．如图4所示。
整个系统硬件由计算机、运动控制采集卡、步进电机驱动器、X轴Y轴操作平台及手动操作装置、供电设备和继电器保护环节组成。
3 .1供电环节
为保证系统的正常运转，稳定安全的电力系统是基础。由于显微镜系统是一个非常精细的系统．外界的一丝干扰都可能耐其产生较大的影响，导致系统不能正常工作甚至破坏系统，为此设计了电源系统如陶5所示。
3. 2 Z轴方向的控制电路
Z轴电机采用35步进电机，驱动载物台上下运动，以实现自动对焦。Z轴控制电路如图6所示。
3.3 显微镜自动控制箱
为实现显微镜的控制，我们设计了自动控制箱，如图7所示。
4软件设计
采用VC++6.0开发了DLL文件，可为上位机软件（自动调焦程序）提供硬件驱动支持。开发DLL文件时用MFC类库编写，在源文件里有一个继承CWinCPP的类。我们编写Mot_Driver. cpp程序为DLL提供初始函数，供DLL调用。在Mot_Driver. cpp中定义的接口函数如下：
通过对以上函数的调用，系统完成对电机的控制。在上位机中可通过DLL驱动编程，完成系统各项参数的设置。
5结束语
根据设计要求，经过严谨的理论分析和计算，设计了显微镜自动对焦系统的硬件结构，并进行了器件选型。利用PCI-1240运动控制卡能够方便准确地传递上位机的控制要求。利用DM320C步进电机驱动器可以实现步进电机的精确控制，满足X-y平台0.002 mm的精度要求。选择的X-y平台E28H47-05-A06步进电机及Z轴35步进电机均能满足力矩要求。
