电脑验光仪三维平动稳定性设计与研究

摘要：文章对提高电脑验光仪三维平动的稳定性进行了设计与研究。结果表明，所设计的电脑验光仪不但能三维同时移动，且定位准确、快捷、平稳，在手动或是自动模式状态下都能保证移动自如平稳，能使被测者在轻松状态下进行眼部检测。

关键词：电脑验光仪；三维平动；稳定性；离散化

文章编号：2096-4137（2017）07-045-04 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2017.07.10

目前的电脑验光仪采用客观测量方式，将红外图像投射到人眼底，在人眼视网膜上产生散射图像，通过分析CCD采集到的测量图像，客观地计算出眼睛的屈光度。在测量时，操作者用手轻轻控制仪器的前、后、左、右、上、下的移动，捕捉被测者眼睛的瞳孔，對准眼球瞳孔后，按下测量键，测量结果会立即显示在屏幕上。在测量过程中，电脑验光仪的准确性受到很多因素的影响，例如被测者的头和眼睛配合不好，动来动去，眼注视验光仪内目标不够集中，以致放松调节不够，必然影响屈光度检测结果的准确性，甚至重复检查的度数差异较大，尤其是儿童患者。因此，验光师在熟练操作仪器的同时，只有时刻关注被测者的配合状况，快速完成捕捉、对准、按键等一系列操作，才能获得准确的测量结果。

针对以上情况，本文设计了一种三维平动很稳定的电脑验光仪，很好地解决了大多数验光仪底板移动模式普遍存在的重而不稳的问题，能够快速准确地进行全自动检测，各部件运行平稳，且操作简单。

1 电脑验光仪结构设计

图1为电脑验光仪结构原理图，包括底座总成5。底座总成5的平台上还设置着控制总成2、屏幕总成1。底座总成5的前端设置着头托总成4。头托总成4和控制总成2之间设置三维平动总成6。由控制总成2完成双眼的自动或手控检测。结构3为检测总成。

1.1 三维平动总成结构设计

图2为三维平动总成侧视图，图3为三维平动总成局部剖视图。三维平动总成底部为升降部件，升降部件上设置前后移动部件和左右移动部件，左右移动部件的上部设置检测总成。升降部件由定向机构和动力机构使前后移动部件做垂直升降运动。

如图2和图3所示，前后移动部件包括前后移动底板61和步进电机63。前后移动底板61上设置着前后移动芯轴66、前后平移螺杆70和前后移动底座62。前后移动底座62中的前直线轴承座67的两端都设有直线轴承。后直线轴承座65中设有一个直线轴承，呈梯形分布的直线轴承套在前后移动芯轴66中。步进电机63和前后平移螺杆70组合而成的移动机构带动前后移动部件做前后平移动。

左右移动部件包括设置在前后移动座62上的左右移动芯轴64和左右移动座69，左右移动芯轴64由芯轴压板68固定，左右移动座69中的前直线轴承座的两端也都设有直线轴承，后直线轴承座中设有一个直线轴承，同样成梯形分布的直线轴承套在左右移动芯轴64中。步进电机63和左右平移螺杆79组合而成的移动机构带动左右移动部件做左右平行移运动。

升降部件包括升降主轴72和固定在底板78上的立柱77，升降主轴72插在立柱77内的直线轴承中，升降主轴72上端设置前后移动部件，压板紧固在升降主轴72的底部，由定向机构和动力机构使前后移动部件做垂直升降运动。

定向机构包括升降定位板，升降定位板71上设有两个通孔，第一通孔套在立柱77内的直线轴承中固定，第二通孔通过升降定位座73固定直线轴承，升降定位轴74穿设在该直线轴承中，升降定位轴74的上端固定在前后移动的底板中。

动力机构包括升降控制装置75和推杆电机76，推杆电机76的上端与升降主轴72连接，推杆电机76的下端与底板78连接，升降控制装置75控制推杆电机的工作。

1.2 头托总成结构设计

如图4所示，头托总成包括以下零部件：头托架41、下巴托42、导向块43、升降杆44、升降极限控制装置45、定位轴承46、升降螺杆47、电机48。其中，导向块43固定在头托架41中，升降杆44插在导向块43的轴承中，其上部连接着下巴托42，其下部由升降螺杆47、定位轴承46、电机48组合而成的传动部件带动做升降运动，由升降极限控制装置45控制其运动范围。

2 步进电机分析及控制总成设计

2.1 步进电机的工作原理

步进电机的工作方式与一般电机不同，工作方式采用脉冲控制。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度时，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

2.2 电脑验光仪步进电机分析

步进电机63和推杆电机76是一种永磁感应式步进电机。永磁感应式步进电机具有步角小、输出力矩大、动态性能好等特点，在本设计中作为测量装置三维移动的有效执行机构。其中步进电机63实现测量装置前、后、左、右的移动，推杆电机76实现测量装置的上下移动。根据各方向移动电机负载的区别，分别选用不同转矩（带载能力）的步进电机。（标定左右移动为X轴方向，前后移动为Y轴方向，上下移动为Z轴方向）其中，X轴和Y轴负载基本相同所以本设计使用57BYG系列步进电机，而Z轴需要带动整个检测总成的移动，所以本设计使用86BYG系列高转矩步进电机。

2.3 加减速曲线模拟与离散化

如图5所示，电脑验光仪的控制总成包括电气控制硬件部分和电气控制算法软件部分，电气控制硬件部分是以高性能微控制器结合恒流斩波式两相步进电机细分驱动集成芯片的方式实现对步进电机的驱动，微控制器输入脉冲和电平信号来控制步进电机的运行步数和方向；电气控制的算法，其采用S型曲线加减速控制方法模拟出加减速S型曲线，再由离散算法对加减速曲线进行离散化，使步进电机最终的减速曲线成阶梯变化形状，根据测量装置移动的目标值和当前位置的差值确定本次步进电机运行过程的最高速度Vmax和加速时间T，由算法模拟出对应的速度变化阶梯曲线，并计算出各个离散点的频率和执行步数，然后按频率参数配置微控制器内部的PWM功能模块输出对应频率的方波信号，并在输出过程中累计电机执行步数，在当前频率点的执行步数计满后跳转到下一个频率点进行相同流程，在完成所有频率点脉冲的输出后步进电机到达指定位置。

为克服步进电机运行过程中启停冲击大，运行过程中振动大、噪声大，频繁换向时的稳定性差等缺点，电脑验光仪的软件控制算法上采用数控机床系统中常用的S型曲线加减速控制方法以平滑步进电机加减速过程。

2.3.1 加减速曲线模拟

如图6所示，采用该控制方法使电机速度呈S型曲线形状变化。电机按S型速度曲线变化运行一般经历加加速、减加速、匀速、加减速、减减速5个过程，且各个速度变化过程中的加加速度值恒定。

若V0=0，且最高速度和加速時间分别是Vmax和T，可由式（6）解得：A1

通过以上公式可模拟出加速度曲线。

2.3.2 加减速曲线离散化

实际对电机进行数字控制时需要对加减速曲线进行离散化，使步进电机最终的加减速曲线成阶梯变化形状，如图8所示：

加减速曲线离散化具体方法如下：

（1）将加速上升的时间T均匀的离散成n段（n为正整数），则每一档速度运行时间为 。

（2）加速过程中第i档的速度如下：

（3）加速过程中第i档速度的输入脉冲频率的计算。例如，本设计使用的步进电机步距角为1.8°，则步进电机运行一周所需要执行的步数是，设步进电机驱动器的细分数为Sv，则第i档速度的输入脉冲频率如下：

（4）加速完成的执行步数。

第i档速度执行的步数如下：

完成加速需要执行的总步数是。减速是加速的逆过程，其离散步骤与上述步骤一致。

首先，根据步进电机运行的目标值和当前的差值确定本次运行过程的最高速度Vmax和加速时间T，由算法模拟出对应的速度变化阶梯曲线，并计算出各个离散点的频率和执行步数。然后，按频率参数配置微控制器内部的PWM功能模块输出对应频率的方波信号，并在输出过程中累计电机执行步数。在当前频率点的执行步数计满后跳转到下一个频率点进行相同的流程（配置PWM功能模块输出相应频率的信号并判断电机执行步数），在完成所有频率点脉冲的输出后步进电机到达指定位置。

3 检测装置移动方式分析

头托总成的设计使得瞳孔位置只会在一定范围内变化，所以在检测装置的移动上可以采用以下两种方式进行定位：第一种是控制X轴、Y轴、Z轴的步进电机同时移动；第二种是将X轴、Y轴、Z轴分别按照先后次序依次进行定位。为使仪器能够保持长期平稳低震的运行，本设计采用第二种方式，驱动器根据测量装置计算出的瞳孔焦点的三维坐标位置信息依次移动各轴步进电机使测量装置最终到达准确的测量位置，由于瞳孔（待测物焦点）变化空间有限，使得空间三维坐标变化范围较小，所以使得测量装置可以极快地到达瞳孔位置进行测量。

4 结语

为解决部分验光仪底板移动模式普遍存在的重而不稳的问题，本文对电脑验光仪三维平动的稳定性进行了设计与研究。设计的电脑验光仪包括底座总成、控制总成、屏幕总成、头拖总成、三维平动总成、控制总成。研究结果过表明，本文设计的电脑验光仪不但能三维同时移动，且定位准确、快捷、平稳；同时，无论电脑验光仪是在手动模式下，还是在自动模式状态下，都能保证移动自如平稳，使被测者能在轻松状态下进行眼部检测。

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（作者张玉民供职于宁波明星

科技发展有限公司技术部）

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