三段組合式超精密定位臺及其定位方法
2024-01-29 23:09:15
專利名稱：三段組合式超精密定位臺及其定位方法
技術領域：
本發明涉及一種基於計算機視覺技術與光柵檢測技術相結合的組合式超精密定 位臺及其定位方法，屬於精密機械加工技術領域。
背景技術：
超精密定位技術是當前國際科技界研究的重點之一，在微型機械製造、超精密加 工、高清晰顯示器件、微電子製造、微型機械零件的操作和裝配、生物工程等領域具有廣泛 的應用，其技術涉及到雷射理論、精密測量、精密機械、計算機技術、伺服驅動、智能控制等 多門學科。隨著工業生產自動化程度的提高，對精密定位技術的開發應用正提出越來越迫切 的要求。例如，隨著超大規模集成電路的高集成化，要求對應製造設備的定位裝置具有越 來越高的定位精度，以Kbit的DRAM為例，其最小線寬0. 15// ，則要求裝置的定位精度必 須達到最小線寬的1/10，S卩15nm左右。在機械加工非圓球面時，為了得到精確形狀和高質 量的表面，對加工工程中刀具相對工件的運動精度提出了嚴格的要求，需要結構小巧、在平 面內有較大行程的超精密定位臺。目前，國內已研製出行程在幾十 幾百微米、定位精度 士0. 05// 的精密定位臺。但行程在幾十毫米的精密定位臺研製得還比較少，而且定位速度 也較低，但從實際應用來看，低速、小行程的精密定位臺存在很大的局限性，難以滿足精密 工程領域的實際需要。由於精密定位的定位精度與工作行程是一對矛盾體，工作行程越大，則定位精度 越低。採用雷射光柵定位儘管具有很高的定位精度，但其工作行程比較小，僅為一個光柵常 數。而基於計算機視覺的圖像定位，儘管工作行程比較大，但其定位精度較低。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠實現大行程、高精度、高速度的超精密定位臺，以 及利用該定位臺進行定位的方法。為實現上述發明目的，本發明超精密定位臺所採取的技術方案為
三段組合式超精密定位臺，包括計算機視覺檢測系統、粗光柵檢測系統、細光柵檢測系 統、光電檢測電路、粗定位機構、微定位機構、驅動系統和微機控制系統等，定位臺以微型計 算機為控制核心，採用CCD和雷射莫爾傳感器檢測位置偏差；微定位機構包括微動臺和微 位移驅動器，其中，微位移驅動器採用壓電陶瓷微位移驅動器，由壓電陶瓷和柔性鉸鏈機構 組成；所述微定位機構附著在粗定位機構上，以實現末端執行機構的高精度定位。利用上述超精密定位臺，本發明的定位方法所採取的技術方案為
三段組合式超精密定位臺的定位方法，包括粗定位、精定位和超精定位的三段組合式 定位，具體步驟如下
(1)採用基於計算機視覺的圖像定位技術計算機通過C⑶對定位板上的定位標記進 行圖像檢測，確定兩定位板之間的位置偏差，再發出相應指令，大步驅動粗定位機構，快速完成粗定位；
(2)採用基於雷射莫爾信號的粗光柵定位技術採用差動光柵結構，利用光電轉換器件 檢測雷射經粗光柵衍射後其零次衍射光光強，即零次莫爾光強，則可確定兩光柵間的相對 位移，計算機再驅動粗定位機構，進入設定的位置偏差範圍內，完成精定位；
(3)採用細光柵定位方法步驟(2)完成後，採用細光柵結構，計算機依據細光柵產生 的莫爾信號大小和極性，驅動微定位機構移動，完成超精密定位。本發明將基於計算機視覺的圖像定位方法和雷射光柵定位技術相結合，採用三段 組合式定位控制，可使精密定位裝置在較大的工作行程內實現高精度定位。此外，本發明實 現了大步快速驅動與精密驅動相結合的定位，從而使精密定位裝置在實現高精度的同時， 又能大大縮短定位時間，實現高速定位。
圖1是本發明三段組合式超精密定位臺的結構框圖。圖2是本發明三段組合式超精密定位臺的圖像定位示意圖。圖3 (a)是本發明實施例中採用的差動光柵結構圖，(b)圖是差動莫爾信號曲線 圖。圖4是本發明實施例中採用的粗光柵和細光柵結構圖。圖5是本發明實施例中採用組合式超精密定位方法的實驗結果，(a)精定位步驟 下得到的實驗曲線，(b)超精定位步驟下得到的實驗曲線。
具體實施例方式為了更好的理解本發明的技術方案，結合附圖，作進一步的詳細描述如下。本發明的組合式超精密定位臺如圖1所示，包括雷射光柵檢測系統、計算機視覺 檢測系統、光電檢測電路、粗定位機構、微定位機構、驅動系統和微機控制系統等，以實現粗 定位、精定位和超精定位相結合的三段組合式定位。粗定位機構完成粗定位的步驟，可實現橫向運動、縱向運動和平面旋轉運動，即實 現Χ、γ、θ三個方向的運動，其中直線運動採用脈衝細分式驅動高精度步進電機控制，並通 過精密絲槓機構將細分後步進電機的微小角度轉化為微米級的線性位移，直線位移解析度 為0. 3 μ m。而粗定位機構做平面旋轉運動的旋轉臺採用蝸輪蝸杆傳動機構，並採用脈衝細 分式驅動步進電機，通過蝸輪蝸杆機構將細分後步進電機的轉角轉化為粗定位機構的旋轉 角度，旋轉角位移解析度為l.Syrad。微定位機構完成超精定位的步驟，它附著在大行程的粗定位機構上，其參考位置 是以粗定位機構為參考，實現末端執行機構的高精度定位，進而補償由大行程造成的位移 精度誤差，提高解析度，微動機構採用壓電陶瓷微位移驅動器，壓電陶瓷的特點是體積小、 位移解析度高、響應速度快、輸出力大，因此可以進一步提高定位裝置的定位精度和可靠 性，壓電驅動器由壓電陶瓷和柔性鉸鏈機構組成。微定位機構的微動臺也可以實現Χ、γ、θ 三個方向的微位移運動，移動範圍25 μ m，直線位移和角位移解析度分別為2nm和lO—Yad。利用本發明超精密定位臺進行定位，包括粗定位、精定位和超精定位三個步驟 (1)粗定位採用計算機視覺定位方法，如圖2，圖像檢測系統對定位板上的定位標記進行檢測，計算機根據檢測到的CCD信號，進行圖像處理和模式識別，判斷出定位臺的位置 偏差，再發出指令，大步驅動粗定位機構移動，快速完成粗定位，粗定位精度為士 500 μ m，其 工作行程60mm。(2)精定位粗定位完成後，進入粗光柵工作行程，粗光柵的光柵常數為1000 μ m， 雷射經光柵衍射後其各次衍射光光強(莫爾信號)隨兩片光柵的相對位移呈周期性變化，特 別是在定位點附近近似呈線性關係，因此通過光電轉換器件檢測莫爾光光強，即可確定兩 光柵間的相對位移，計算機再以較快速度驅動定位臺進入設定的位置偏差範圍內，完成精 定位。為了有效提高莫爾信號的靈敏度和定位精度，本實施例利用差動式精密定位方 法，設置兩組分別錯開+d/4和-d/4光柵，d為光柵的光柵常數，見圖3 (a)。當雷射經過 這兩組光柵時，可以獲得相位相差180度的兩個莫爾信號I1和I2，如圖3(b)所示，取兩個 莫爾信號的差值I=I1-I2 (即差動莫爾信號)為控制信號。差動莫爾信號&可將反映位移 變化的光強值有效放大一倍，特別是在定位點點附近差動莫爾信號的變化率很陡，微小位 移便會導致大的光強變化，極大地提高了位置檢測信號的靈敏度，且在零點附近光強變化 與光柵移動的位移量成線性關係，可以定量地獲得位置偏差的大小及位置偏離的方向。差 動莫爾信號隨兩光柵的相對位移呈周期性變化，在一個位移周期內，差動信號為零的點(即 兩組莫爾信號的交點)設置為定位點，此時位移偏差為零。精定位控制時，將一片光柵固定， 另一片光柵由工控機根據差動莫爾信號的大小和正負精密驅動，控制範圍為精密定位點兩 側士d/2 (d為光柵常數)。精定位工作行程為ΙΟΟΟμπι，精度為士0.5μπι，實驗結果如圖5 (a)所示。(3)超精定位精定位完成後，進入細光柵工作行程，細光柵的光柵常數為25 μ m， 計算機再依據細光柵產生的莫爾信號大小和極性，驅動精定位機構移動，完成超精密定位， 工作行程25 μ m，精度為士 lOnm，實驗結果如圖5 (b)所示。通過上述三個步驟，本發明的超精密定位臺能在較大的工作行程內，快速實現高 精度定位。
權利要求
1.三段組合式超精密定位臺，包括計算機視覺檢測系統、粗光柵檢測系統、細光柵檢測 系統、光電檢測電路、粗定位機構、微定位機構、驅動系統和微機控制系統等，其特徵在於 定位臺以微型計算機為控制核心，採用CCD和雷射莫爾傳感器檢測位置偏差；微定位機構 包括微動臺和微位移驅動器，其中，微位移驅動器採用壓電陶瓷微位移驅動器，由壓電陶瓷 和柔性鉸鏈機構組成；所述微定位機構附著在粗定位機構上，以實現末端執行機構的高精 度定位。
2.利用如權利要求1所述的三段組合式超精密定位臺的定位方法，其特徵在於，所述 方法包括粗定位、精定位和超精定位的三段組合式定位，具體步驟如下(1)採用基於計算機視覺的圖像定位技術計算機通過C⑶對定位板上的定位標記進 行圖像檢測，確定兩定位板之間的位置偏差，再發出相應指令，大步驅動粗定位機構，快速 完成粗定位；(2)採用基於雷射莫爾信號的粗光柵定位技術採用差動光柵結構，利用光電轉換器件 檢測雷射經粗光柵衍射後其零次衍射光光強，即零次莫爾光強，則可確定兩光柵間的相對 位移，計算機再驅動粗定位機構，進入設定的位置偏差範圍內，完成精定位；(3)採用細光柵定位方法步驟(2)完成後，採用細光柵結構，計算機依據細光柵產生 的莫爾信號大小和極性，驅動微定位機構移動，完成超精密定位。
3.根據權利要求2所述的三段組合式超精密定位方法，其特徵在於所述步驟(1)和 (2)中，粗定位機構可實現橫向運動、縱向運動和平面旋轉運動，其中，粗定位機構的直線運 動採用脈衝細分式驅動高精度步進電機控制，並通過精密絲槓機構將細分後步進電機的微 小角度轉化為微米級的線性位移；所述粗定位機構的旋轉運動採用脈衝細分式驅動步進電 機，並採用蝸輪蝸杆傳動機構，蝸輪蝸杆機構將細分後步進電機的轉角轉化為粗定位機構 的旋轉角度。
全文摘要
本發明涉及精密機械加工的技術領域，提出一種超精密定位臺，以及將粗定位、精定位和超精定位相結合的三段組合式定位方法。其中，粗定位採用計算機視覺定位方法，定位臺在較大的工作行程範圍內大部驅動粗定位機構移動，快速完成粗定位；精定位採用粗光柵定位方法，計算機再依據粗光柵產生的莫爾信號大小和極性，判斷出位置偏差，以較快速度驅動粗定位機構移動，完成精定位；超精定位採用細光柵定位方法，採用壓電陶瓷微位移驅動器，以確保高的定位精度。本發明採用三段組合式定位方法，並利用大步快速驅動與精密驅動相結合的定位，可使超精密定位臺在較大的工作行程內實現高精度定位的同時，又能大大縮短定位時間，實現高速定位。
文檔編號G12B5/00GK102136300SQ20111003535
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月10日 優先權日2011年2月10日
發明者劉京南, 張金龍, 徐慧, 楊安康 申請人:南京師範大學