一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，包括電機(jī)、高精度滾珠絲杠、高精度滾珠絲杠下支承、支撐桿、壓電陶瓷、三角式激光發(fā)射裝置、高精度滾珠絲杠螺母、高精度滾珠絲杠上支承和臺(tái)板。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在總體機(jī)械結(jié)構(gòu)方面本技術(shù)采用了雙聯(lián)控制的方案使得平臺(tái)具有在保證高精度的要求下同時(shí)還能有較低的成本，而且避免了直流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震顫。本實(shí)用新型中利用的自動(dòng)定位系統(tǒng)比現(xiàn)行技術(shù)更加穩(wěn)定，不需要計(jì)算機(jī)的對(duì)比計(jì)算，尤其是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、剛度高、可靠性高、使用方便，具有推廣的價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種精密定位對(duì)焦設(shè)備，尤其涉及一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]東京工業(yè)大學(xué)研制了具有納米級(jí)分辨率的一維直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)超精密工作臺(tái)，它采用氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向，行程300mm，導(dǎo)軌的垂直剛度600N/um，水平剛度220N/um。工作臺(tái)重19.6kg，全部采用氧化鋁陶瓷材料。直線電機(jī)馳動(dòng)力160N，最大加速度6.4m/s2,最大速度320mm/s。反饋測(cè)量系統(tǒng)采用激光干涉儀，激光干涉儀的分辨率為0.63nm?？刂葡到y(tǒng)采用帶前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制器。它最大的特點(diǎn)是配置了一部電流變阻尼器，可以主動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2nm的步進(jìn)定位。
[0003]住友重工公司開(kāi)發(fā)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)具有快速運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。2.54_的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)只需37ms就可使定位誤差在IOum以內(nèi)?？焖夙憫?yīng)對(duì)于激光加工和半導(dǎo)體生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。德國(guó)PI公司所生產(chǎn)的自聚焦測(cè)量組件系統(tǒng)，自動(dòng)聚焦測(cè)量，光學(xué)儀器，粗糙度測(cè)量?jī)x，德國(guó)PI自聚焦測(cè)量組件系統(tǒng)微型自調(diào)焦激光傳感器適用替代現(xiàn)有傳統(tǒng)的位移和粗糙度測(cè)頭。它可以進(jìn)行快速非接觸式表面輪廓和粗糙度測(cè)量以及精密位移的測(cè)量。激光測(cè)量光束借助于一個(gè)物鏡聚焦于物體表面。由于物鏡的位置是被連續(xù)調(diào)整的，因而激光束的焦點(diǎn)總是與物體表面重合。
[0004]大行程精密對(duì)焦平臺(tái)，國(guó)內(nèi)多所科研院所已經(jīng)做了大量的研究，江光儀器廠改造的顯微鏡平臺(tái)，其控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的三維驅(qū)動(dòng)，但不能實(shí)現(xiàn)精確定位，重復(fù)性差，實(shí)現(xiàn)以游戲桿為輔助控制設(shè)備，但不能做到變速控制，實(shí)際操作不方便:未提供自動(dòng)搜索、聚焦功能；南京航空航天大學(xué)的在NHIS金相圖像自動(dòng)分析系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)控制載物臺(tái)，提出并實(shí)現(xiàn)了灰度直方圖梯度自動(dòng)聚焦算法；2002年，武漢大學(xué)測(cè)試中心成功地使用“PC控制卡+步進(jìn)電機(jī)”的方式對(duì)一臺(tái)國(guó)產(chǎn)顯微鏡和一臺(tái)進(jìn)口顯微鏡的載物臺(tái)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，同時(shí)使用“CCD+視頻采集卡+步進(jìn)電機(jī)的方式”對(duì)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)進(jìn)行了改造，雖然載物臺(tái)采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式，降低了改造難度，其精度受到限制，但整個(gè)系統(tǒng)改造取得較好成果。清華大學(xué)等單位研制的線寬測(cè)量?jī)x，在顯微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了偏心光束法，其調(diào)焦范圍為10um，調(diào)焦精度達(dá)到了 1.9nm.此外，四川大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，重慶大學(xué)等對(duì)顯微鏡的自動(dòng)化改造都做了大量的研究。南京紅綠藍(lán)公司致力于顯微鏡自動(dòng)平臺(tái)研發(fā)，圖像分析系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，目前取得了豐碩的成果。
[0005]現(xiàn)行技術(shù)中與本技術(shù)最接近的是廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院實(shí)用新型的一種激光加工初始位置自動(dòng)的對(duì)焦定位方法。其主要原理是激光器發(fā)出的光束經(jīng)激光加工頭的光路系統(tǒng)投射在被加工工件的表面形成光斑，移動(dòng)激光加工頭，同時(shí)用攝像頭實(shí)時(shí)采集光斑圖像，在通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)比光斑圖像的屬性來(lái)找出位于焦平面的光斑圖像，然后根據(jù)該光斑圖像所對(duì)應(yīng)的激光加工頭的移動(dòng)距離，移動(dòng)激光加工頭，對(duì)焦工作完成，然后，通過(guò)計(jì)算機(jī)確定加工初始點(diǎn)的中心與光斑中心之間的位置關(guān)系，根據(jù)該位置關(guān)系移動(dòng)激光加工頭，從而獲得加工初始位置的精確定位。與現(xiàn)行技術(shù)相比，本實(shí)用新型對(duì)加工初始位置的對(duì)焦和定位精確性高，能滿足精加工要求。
[0006]常規(guī)的激光對(duì)焦方法包括:燒斑法、紅外攝像法、小孔成像法。傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中對(duì)焦精確度不夠高，容易產(chǎn)生誤對(duì)焦；在很多的激光加工工藝中需要擁有0.0lum的加工定位精度。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)大多數(shù)有對(duì)焦穩(wěn)定性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，而且容易受到環(huán)境和硬件中各種噪聲的影響；如控制鏡頭移動(dòng)的電機(jī)存在誤差，鏡頭移動(dòng)存在慣性，硬件驅(qū)動(dòng)存在時(shí)間延遲，這就造成對(duì)焦速度達(dá)不到要求，即使最先進(jìn)的技術(shù)智能化程度和實(shí)時(shí)性也有待提高，在現(xiàn)有技術(shù)中需要通過(guò)計(jì)算機(jī)采集、對(duì)比光斑圖像，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、行程不夠，難以滿足精密工程的需要；在激光加工工件時(shí)，都需要IOOmm的豎直方向行程，一般的精密平臺(tái)都難以滿足這個(gè)要求，因此存在改進(jìn)空間。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)。
[0009]本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0010]本實(shí)用新型包括電機(jī)、高精度滾珠絲杠、高精度滾珠絲杠下支承、支撐桿、壓電陶瓷、三角式激光發(fā)射裝置、高精度滾珠絲杠螺母、高精度滾珠絲杠上支承和臺(tái)板，所述電機(jī)的轉(zhuǎn)軸以豎直向上的方向與所述高精度滾珠絲杠的下端連接，所述高精度滾珠絲杠下支承套裝于所述高精度滾珠絲杠的下段，所述高精度滾珠絲杠螺母套裝于所述高精度滾珠絲杠的中段，所述高精度滾珠絲杠上支承套裝于所述高精度滾珠絲杠的上段，所述支撐桿設(shè)置于所述高精度滾珠絲杠上支承與所述高精度滾珠絲杠下支承之間，所述高精度滾珠絲杠上設(shè)置有滑軌，所述臺(tái)板設(shè)置于所述高精度滾珠絲杠上支承上，所述壓電陶瓷設(shè)置于所述臺(tái)板內(nèi)側(cè)，所述三角式激光發(fā)射裝置設(shè)置于所述高精度滾珠絲杠上支承的上方且正對(duì)所述臺(tái)板的上端面。
[0011]進(jìn)一步，所述高精度滾珠絲杠下支承和所述高精度滾珠絲杠上支承的內(nèi)部均設(shè)置有交叉滾子軸承；所述高精度滾珠絲杠螺母的外圍套裝有連接臺(tái)；所述電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與所述高精度滾珠絲杠的下端之間通過(guò)聯(lián)軸器連接。
[0012]具體地，所述三角式激光發(fā)射裝置包括鏡頭箱體、小半透鏡、聚焦透鏡和大半透鏡，所述鏡頭箱體為兩個(gè)相互貫穿連接的箱體，所述聚焦透鏡設(shè)置于其中一個(gè)箱體內(nèi)并靠近另外一個(gè)箱體的連接處，所述小半透鏡設(shè)置于安裝所述聚焦透鏡的箱體內(nèi)并位于箱體內(nèi)的上方，所述大半透鏡設(shè)置于另外一個(gè)箱體內(nèi)的中心位置。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0014]本實(shí)用新型是一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在總體機(jī)械結(jié)構(gòu)方面本技術(shù)采用了雙聯(lián)控制的方案使得平臺(tái)具有在保證高精度的要求下同時(shí)還能有較低的成本，而且避免了直流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震顫。本實(shí)用新型中利用的自動(dòng)定位系統(tǒng)比現(xiàn)行技術(shù)更加穩(wěn)定，不需要計(jì)算機(jī)的對(duì)比計(jì)算，尤其是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、剛度高、可靠性高、使用方便，具有推廣的價(jià)值?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型所述自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)的主視圖；
[0016]圖2是本實(shí)用新型所述自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)的側(cè)視圖；
[0017]圖3是本實(shí)用新型所述自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)中的局部剖視圖；
[0018]圖4是本實(shí)用新型所述自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)中三角式激光發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5是本實(shí)用新型所述自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)中三角式激光發(fā)射裝置的光學(xué)原理圖。
[0020]圖中:1-電機(jī)、2-聯(lián)軸器、3-高精度滾珠絲杠、4-高精度滾珠絲杠下支承、5-支撐桿、6-壓電陶瓷、7-滑軌、8-三角式激光發(fā)射裝置、9-交叉滾子軸承、10-高精度滾珠絲杠螺母、11-連接臺(tái)、12-高精度滾珠絲杠上支承、13-臺(tái)板、14-鏡頭箱體、15-小半透鏡、16-聚焦透鏡、17-大半透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0022]如圖1至圖3所示:本實(shí)用新型包括電機(jī)1、高精度滾珠絲杠3、高精度滾珠絲杠下支承4、支撐桿5、壓電陶瓷6、三角式激光發(fā)射裝置8、高精度滾珠絲杠螺母10、高精度滾珠絲杠上支承12和臺(tái)板13，電機(jī)I的轉(zhuǎn)軸以豎直向上的方向與高精度滾珠絲杠3的下端連接，高精度滾珠絲杠下支承4套裝于高精度滾珠絲杠3的下段，高精度滾珠絲杠螺母10套裝于高精度滾珠絲杠3的中段，高精度滾珠絲杠上支承12套裝于高精度滾珠絲杠3的上段，支撐桿5設(shè)置于高精度滾珠絲杠上支承12與高精度滾珠絲杠下支承4之間，高精度滾珠絲杠3上設(shè)置有滑軌7，臺(tái)板13設(shè)置于高精度滾珠絲杠上支承12上，壓電陶瓷6設(shè)置于臺(tái)板13內(nèi)側(cè)，三角式激光發(fā)射裝置8設(shè)置于高精度滾珠絲杠上支承12的上方且正對(duì)臺(tái)板13的上端面。
[0023]如圖1至圖3所示:高精度滾珠絲杠下支承4和高精度滾珠絲杠上支承12的內(nèi)部均設(shè)置有交叉滾子軸承9 ;高精度滾珠絲杠螺母10的外圍套裝有連接臺(tái)11 ;電機(jī)I的轉(zhuǎn)軸與高精度滾珠絲杠3的下端之間通過(guò)聯(lián)軸器2連接。
[0024]如圖4所示:三角式激光發(fā)射裝置8包括鏡頭箱體14、小半透鏡15、聚焦透鏡16和大半透鏡17，鏡頭箱體14為兩個(gè)相互貫穿連接的箱體，聚焦透鏡16設(shè)置于其中一個(gè)箱體內(nèi)并靠近另外一個(gè)箱體的連接處，小半透鏡15設(shè)置于安裝聚焦透鏡16的箱體內(nèi)并位于箱體內(nèi)的上方，大半透鏡17設(shè)置于另外一個(gè)箱體內(nèi)的中心位置。
[0025]如圖1至圖3所示:本實(shí)用新型采用電機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)加壓電驅(qū)動(dòng)的雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，所謂的雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式就是將兩種或者兩種以上的驅(qū)動(dòng)方式同時(shí)使用，并對(duì)他們進(jìn)行相應(yīng)的并聯(lián)控制。這樣可以使臺(tái)板13具有較大的行程與很高的精度。并且在絲杠的兩端應(yīng)用交叉滾子軸承9，提高傳送精度，減少周期性不均勻載荷對(duì)軸承的傷害。Z方向工作過(guò)程是，電機(jī)收到信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滾珠絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣滾珠絲杠螺母就可以上下直線運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型主要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行快速的大行程的移動(dòng)；高精度微位移系統(tǒng)主要進(jìn)行臺(tái)板13的微量位移，使臺(tái)板13的整體位移精度達(dá)到了所要求的精度。
[0026]如圖3所示:本實(shí)用新型中應(yīng)用交叉滾子軸承9，由于滾柱為交叉排列，因此只用I套交叉滾子軸承9就可承受各個(gè)方向的負(fù)荷，與傳統(tǒng)型號(hào)相比，剛性提高3-4倍。同時(shí)，因交叉滾子軸承9內(nèi)圈或外圈是兩分割的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整，即使被施加預(yù)載，也能獲得高精度地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。交叉滾子軸承9具有出色的旋轉(zhuǎn)精度，操作安裝簡(jiǎn)單，承受較大的軸向和徑向負(fù)荷。
[0027]如圖5所示:本實(shí)用新型采用三角式激光發(fā)射裝置8，在斜光學(xué)入射法中，入射光線與被測(cè)物體表面法線成一夾角，激光光束沿平行于透鏡L的方向入射到具有一定粗糙度的M平面上的A點(diǎn)，由被測(cè)物面漫反射后，不再有確定的方向，經(jīng)過(guò)接收透鏡L會(huì)聚后將光點(diǎn)A成像在平行于透鏡的一維PSD面上的A’點(diǎn)。通過(guò)透鏡成像可以準(zhǔn)確的計(jì)算出光點(diǎn)的位置。假設(shè)光束i與透鏡的主光軸相交于位于M平面上的O點(diǎn)，稱M平面為零參考平面，O點(diǎn)在像屏上的像點(diǎn)是O’點(diǎn)。根據(jù)三角形相似原理，可以從O’點(diǎn)與A’點(diǎn)的位移計(jì)算出物體上A點(diǎn)相對(duì)于零參考平面M的位移量來(lái)。從激光發(fā)射器(圖中未示出)發(fā)射出來(lái)的800nm光束經(jīng)過(guò)大半透鏡17擋去了一半，剩下的光束在聚焦透鏡16的作用變?yōu)槠叫泄夂笸渡涞奖粰z測(cè)的物體表面。如果系統(tǒng)對(duì)焦完成，激光剛好在被測(cè)物體表面聚焦。聚焦后的光束，在被測(cè)物體的表面發(fā)生了反射，反射光線經(jīng)過(guò)聚焦透鏡16的聚焦作用投射到CCD檢測(cè)屏(圖中未示出)上，如果被檢測(cè)物體表面剛好處于聚焦點(diǎn)處，投影在CCD檢測(cè)屏上的就是一個(gè)光點(diǎn)；如果被檢測(cè)物體處于聚焦點(diǎn)的上方，在檢測(cè)屏就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)右半圓的光斑，反之出現(xiàn)一個(gè)左半圓的光斑。假設(shè)可見(jiàn)光獲得最清晰的圖像時(shí)，激光剛好在被檢測(cè)物體表面聚焦，如果系統(tǒng)發(fā)生離焦，CCD檢測(cè)到一個(gè)半圓的光斑，其中離焦量和光斑的直徑大小成線性關(guān)系。系統(tǒng)上離焦時(shí)z>0，則Rx>0，產(chǎn)生上半圓；當(dāng)下離焦時(shí)在z〈0，則Rx〈0，產(chǎn)生下半圓。系統(tǒng)的聚焦原理是通過(guò)檢測(cè)投射到CCD傳感器形成一個(gè)半圓狀的光斑，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)的是上半圓還是下半圓可以辨別對(duì)焦系統(tǒng)處于上離焦還是下離焦。根據(jù)圖5中的三角測(cè)距光學(xué)原理分析出半圓的質(zhì)心到半圓圓心的距離與系統(tǒng)物鏡在被檢測(cè)物體表面的離焦量數(shù)學(xué)關(guān)系。在數(shù)學(xué)分析下確定系統(tǒng)離焦方向和離焦距離，通過(guò)信號(hào)輸出控制電機(jī)的快速轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)焦，
[0028]本實(shí)用新型采用滾珠絲杠與交叉滾子軸承相配合，既保證了大行程的加工運(yùn)動(dòng)范圍，又能實(shí)現(xiàn)精密定位，充分利用交叉滾子軸承和滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)精度高的特性。
【權(quán)利要求】
1.一種自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，其特征在于:包括電機(jī)、高精度滾珠絲杠、高精度滾珠絲杠下支承、支撐桿、壓電陶瓷、三角式激光發(fā)射裝置、高精度滾珠絲杠螺母、高精度滾珠絲杠上支承和臺(tái)板，所述電機(jī)的轉(zhuǎn)軸以豎直向上的方向與所述高精度滾珠絲杠的下端連接，所述高精度滾珠絲杠下支承套裝于所述高精度滾珠絲杠的下段，所述高精度滾珠絲杠螺母套裝于所述高精度滾珠絲杠的中段，所述高精度滾珠絲杠上支承套裝于所述高精度滾珠絲杠的上段，所述支撐桿設(shè)置于所述高精度滾珠絲杠上支承與所述高精度滾珠絲杠下支承之間，所述高精度滾珠絲杠上設(shè)置有滑軌，所述臺(tái)板設(shè)置于所述高精度滾珠絲杠上支承上，所述壓電陶瓷設(shè)置于所述臺(tái)板內(nèi)側(cè)，所述三角式激光發(fā)射裝置設(shè)置于所述高精度滾珠絲杠上支承的上方且正對(duì)所述臺(tái)板的上端面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，其特征在于:所述高精度滾珠絲杠下支承和所述高精度滾珠絲杠上支承的內(nèi)部均設(shè)置有交叉滾子軸承。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，其特征在于:所述高精度滾珠絲杠螺母的外圍套裝有連接臺(tái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，其特征在于:所述電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與所述高精度滾珠絲杠的下端之間通過(guò)聯(lián)軸器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)焦高精度大行程精密定位工作臺(tái)，其特征在于:所述三角式激光發(fā)射裝置包括鏡頭箱體、小半透鏡、聚焦透鏡和大半透鏡，所述鏡頭箱體為兩個(gè)相互貫穿連接的箱體，所述聚焦透鏡設(shè)置于其中一個(gè)箱體內(nèi)并靠近另外一個(gè)箱體的連接處，所述小半透鏡設(shè)置于安裝所述聚焦透鏡的箱體內(nèi)并位于箱體內(nèi)的上方，所述大半透鏡設(shè)置于另外一個(gè)箱體內(nèi)的中心位置。
【文檔編號(hào)】B23K26/08GK203725980SQ201420081663
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】李從生, 馮薇薇, 王延深, 雷巖 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）