一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，包括電機、高精度滾珠絲杠、高精度滾珠絲杠下支承、支撐桿、壓電陶瓷、三角式激光發射裝置、高精度滾珠絲杠螺母、高精度滾珠絲杠上支承和臺板。與現有技術相比，本發明在總體機械結構方面本技術采用了雙聯控制的方案使得平臺具有在保證高精度的要求下同時還能有較低的成本，而且避免了直流電機在驅動時產生的震顫。本發明中利用的自動定位系統比現行技術更加穩定，不需要計算機的對比計算，尤其是本發明的結構簡單、成本低、剛度高、可靠性高、使用方便，具有推廣的價值。
【專利說明】一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種精密定位對焦設備，尤其涉及一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺。
【背景技術】
[0002]東京工業大學研制了具有納米級分辨率的一維直線電機驅動超精密工作臺，它采用氣浮導軌導向，行程300mm，導軌的垂直剛度600N/um，水平剛度220N/um。工作臺重19.6kg，全部采用氧化鋁陶瓷材料。直線電機馳動力160N，最大加速度6.4m/s2,最大速度320mm/s。反饋測量系統采用激光干涉儀，激光干涉儀的分辨率為0.63nm。控制系統采用帶前饋補償的PID控制器。它最大的特點是配置了一部電流變阻尼器，可以主動控制系統的動靜態特性。系統可以實現2nm的步進定位。
[0003]住友重工公司開發的直線電機驅動的X-Y工作臺具有快速運動響應。2.54_的步進運動只需37ms就可使定位誤差在IOum以內。快速響應對于激光加工和半導體生產是非常關鍵的。德國PI公司所生產的自聚焦測量組件系統，自動聚焦測量，光學儀器，粗糙度測量儀，德國PI自聚焦測量組件系統微型自調焦激光傳感器適用替代現有傳統的位移和粗糙度測頭。它可以進行快速非接觸式表面輪廓和粗糙度測量以及精密位移的測量。激光測量光束借助于一個物鏡聚焦于物體表面。由于物鏡的位置是被連續調整的，因而激光束的焦點總是與物體表面重合。
[0004]大行程精密對焦平臺，國內多所科研院所已經做了大量的研究，江光儀器廠改造的顯微鏡平臺，其控制系統能實現載物臺的三維驅動，但不能實現精確定位，重復性差，實現以游戲桿為輔助控制設備，但不能做到變速控制，實際操作不方便:未提供自動搜索、聚焦功能；南京航空航天大學的在NHIS金相圖像自動分析系統中采用步進電機控制載物臺，提出并實現了灰度直方圖梯度自動聚焦算法；2002年，武漢大學測試中心成功地使用“PC控制卡+步進電機”的方式對一臺國產顯微鏡和一臺進口顯微鏡的載物臺進行了自動化改造，同時使用“CCD+視頻采集卡+步進電機的方式”對自動聚焦系統進行了改造，雖然載物臺采用齒輪齒條的傳動方式，降低了改造難度，其精度受到限制，但整個系統改造取得較好成果。清華大學等單位研制的線寬測量儀，在顯微系統的設計上采用了偏心光束法，其調焦范圍為10um，調焦精度達到了 1.9nm.此外，四川大學，北京航空航天大學，重慶大學等對顯微鏡的自動化改造都做了大量的研究。南京紅綠藍公司致力于顯微鏡自動平臺研發，圖像分析系統和控制軟件系統的開發，目前取得了豐碩的成果。
[0005]現行技術中與本技術最接近的是廣州中國科學院工業技術研究院發明的一種激光加工初始位置自動的對焦定位方法。其主要原理是激光器發出的光束經激光加工頭的光路系統投射在被加工工件的表面形成光斑，移動激光加工頭，同時用攝像頭實時采集光斑圖像，在通過計算機對比光斑圖像的屬性來找出位于焦平面的光斑圖像，然后根據該光斑圖像所對應的激光加工頭的移動距離，移動激光加工頭，對焦工作完成，然后，通過計算機確定加工初始點的中心與光斑中心之間的位置關系，根據該位置關系移動激光加工頭，從而獲得加工初始位置的精確定位。與現行技術相比，本發明對加工初始位置的對焦和定位精確性高，能滿足精加工要求。
[0006]常規的激光對焦方法包括:燒斑法、紅外攝像法、小孔成像法。傳統運動平臺中對焦精確度不夠高，容易產生誤對焦；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]現有技術大多數有對焦穩定性不強的缺點，而且容易受到環境和硬件中各種噪聲的影響；如控制鏡頭移動的電機存在誤差，鏡頭移動存在慣性，硬件驅動存在時間延遲，這就造成對焦速度達不到要求，即使最先進的技術智能化程度和實時性也有待提高，在現有技術中需要通過計算機采集、對比光斑圖像，費時費力、行程不夠，難以滿足精密工程的需要；在激光加工工件時，都需要IOOmm的豎直方向行程，一般的精密平臺都難以滿足這個要求，因此存在改進空間。

【發明內容】

[0008]本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺。
[0009]本發明通過以下技術方案來實現上述目的:
[0010]本發明包括電機、高精度滾珠絲杠、高精度滾珠絲杠下支承、支撐桿、壓電陶瓷、三角式激光發射裝置、高精度滾珠絲杠螺母、高精度滾珠絲杠上支承和臺板，所述電機的轉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置有滑軌，所述臺板設置于所述高精度滾珠絲杠上支承上，所述壓電陶瓷設置于所述臺板內側，所述三角式激光發射裝置設置于所述高精度滾珠絲杠上支承的上方且正對所述臺板的上端面。
[0011]進一步，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部均設置有交叉滾子軸承；所述高精度滾珠絲杠螺母的外圍套裝有連接臺；所述電機的轉軸與所述高精度滾珠絲杠的下端之間通過聯軸器連接。
[0012]具體地，所述三角式激光發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相互貫穿連接的箱體，所述聚焦透鏡設置于其中一個箱體內并靠近另外一個箱體的連接處，所述小半透鏡設置于安裝所述聚焦透鏡的箱體內并位于箱體內的上方，所述大半透鏡設置于另外一個箱體內的中心位置。
[0013]本發明的有益效果在于:
[0014]本發明是一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，與現有技術相比，本發明在總體機械結構方面本技術采用了雙聯控制的方案使得平臺具有在保證高精度的要求下同時還能有較低的成本，而且避免了直流電機在驅動時產生的震顫。本發明中利用的自動定位系統比現行技術更加穩定，不需要計算機的對比計算，尤其是本發明的結構簡單、成本低、剛度高、可靠性高、使用方便，具有推廣的價值。【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發明所述自動對焦高精度大行程精密定位工作臺的主視圖；
[0016]圖2是本發明所述自動對焦高精度大行程精密定位工作臺的側視圖；
[0017]圖3是本發明所述自動對焦高精度大行程精密定位工作臺中的局部剖視圖；
[0018]圖4是本發明所述自動對焦高精度大行程精密定位工作臺中三角式激光發射裝置的結構示意圖；
[0019]圖5是本發明所述自動對焦高精度大行程精密定位工作臺中三角式激光發射裝置的光學原理圖。
[0020]圖中:1-電機、2-聯軸器、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、8-三角式激光發射裝置、9-交叉滾子軸承、10-高精度滾珠絲杠螺母、11-連接臺、12-高精度滾珠絲杠上支承、13-臺板、14-鏡頭箱體、15-小半透鏡、16-聚焦透鏡、17-大半透鏡。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0022]如圖1至圖3所示:本發明包括電機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和臺板13，電機I的轉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上設置有滑軌7，臺板13設置于高精度滾珠絲杠上支承12上，壓電陶瓷6設置于臺板13內偵牝三角式激光發射裝置8設置于高精度滾珠絲杠上支承12的上方且正對臺板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的內部均設置有交叉滾子軸承9 ;高精度滾珠絲杠螺母10的外圍套裝有連接臺11 ;電機I的轉軸與高精度滾珠絲杠3的下端之間通過聯軸器2連接。
[0024]如圖4所示:三角式激光發射裝置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為兩個相互貫穿連接的箱體，聚焦透鏡16設置于其中一個箱體內并靠近另外一個箱體的連接處，小半透鏡15設置于安裝聚焦透鏡16的箱體內并位于箱體內的上方，大半透鏡17設置于另外一個箱體內的中心位置。
[0025]如圖1至圖3所示:本發明采用電機與機械傳動加壓電驅動的雙聯驅動方式，所謂的雙聯驅動方式就是將兩種或者兩種以上的驅動方式同時使用，并對他們進行相應的并聯控制。這樣可以使臺板13具有較大的行程與很高的精度。并且在絲杠的兩端應用交叉滾子軸承9，提高傳送精度，減少周期性不均勻載荷對軸承的傷害。Z方向工作過程是，電機收到信號轉動并帶動滾珠絲杠一起轉動，這樣滾珠絲杠螺母就可以上下直線運動。本發明主要對平臺進行快速的大行程的移動；高精度微位移系統主要進行臺板13的微量位移，使臺板13的整體位移精度達到了所要求的精度。
[0026]如圖3所示:本發明中應用交叉滾子軸承9，由于滾柱為交叉排列，因此只用I套交叉滾子軸承9就可承受各個方向的負荷，與傳統型號相比，剛性提高3-4倍。同時，因交叉滾子軸承9內圈或外圈是兩分割的構造，軸承間隙可調整，即使被施加預載，也能獲得高精度地旋轉運動。交叉滾子軸承9具有出色的旋轉精度，操作安裝簡單，承受較大的軸向和徑向負荷。
[0027]如圖5所示:本發明采用三角式激光發射裝置8，在斜光學入射法中，入射光線與被測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，由被測物面漫反射后，不再有確定的方向，經過接收透鏡L會聚后將光點A成像在平行于透鏡的一維PSD面上的A’點。通過透鏡成像可以準確的計算出光點的位置。假設光束i與透鏡的主光軸相交于位于M平面上的O點，稱M平面為零參考平面，O點在像屏上的像點是O’點。根據三角形相似原理，可以從O’點與A’點的位移計算出物體上A點相對于零參考平面M的位移量來。從激光發射器(圖中未示出)發射出來的SOOnm光束經過大半透鏡17擋去了一半，剩下的光束在聚焦透鏡16的作用變為平行光后投射到被檢測的物體表面。如果系統對焦完成，激光剛好在被測物體表面聚焦。聚焦后的光束，在被測物體的表面發生了反射，反射光線經過聚焦透鏡16的聚焦作用投射到CCD檢測屏(圖中未示出)上，如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點處，投影在CCD檢測屏上的就是一個光點；如果被檢測物體處于聚焦點的上方，在檢測屏就會檢測到一個右半圓的光斑，反之出現一個左半圓的光斑。假設可見光獲得最清晰的圖像時，激光剛好在被檢測物體表面聚焦，如果系統發生離焦，CCD檢測到一個半圓的光斑，其中離焦量和光斑的直徑大小成線性關系。系統上離焦時z>0，則Rx>0，產生上半圓；當下離焦時在z〈0，則Rx〈0，產生下半圓。系統的聚焦原理是通過檢測投射到CCD傳感器形成一個半圓狀的光斑，系統通過檢測的是上半圓還是下半圓可以辨別對焦系統處于上離焦還是下離焦。根據圖5中的三角測距光學原理分析出半圓的質心到半圓圓心的距離與系統物鏡在被檢測物體表面的離焦量數學關系。在數學分析下確定系統離焦方向和離焦距離，通過信號輸出控制電機的快速轉動到目標位置，從而實現系統對焦，
[0028]本發明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動范圍，又能實現精密定位，充分利用交叉滾子軸承和滾珠絲杠的旋轉精度高的特性。
【權利要求】
1.一種自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，其特征在于:包括電機、高精度滾珠絲杠、高精度滾珠絲杠下支承、支撐桿、壓電陶瓷、三角式激光發射裝置、高精度滾珠絲杠螺母、高精度滾珠絲杠上支承和臺板，所述電機的轉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置有滑軌，所述臺板設置于所述高精度滾珠絲杠上支承上，所述壓電陶瓷設置于所述臺板內側，所述三角式激光發射裝置設置于所述高精度滾珠絲杠上支承的上方且正對所述臺板的上端面。
2.根據權利要求1所述的自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，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部均設置有交叉滾子軸承。
3.根據權利要求1所述的自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，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。
4.根據權利要求1所述的自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，其特征在于:所述電機的轉軸與所述高精度滾珠絲杠的下端之間通過聯軸器連接。
5.根據權利要求1所述的自動對焦高精度大行程精密定位工作臺，其特征在于:所述三角式激光發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相互貫穿連接的箱體，所述聚焦透鏡設置于其中一個箱體內并靠近另外一個箱體的連接處，所述小半透鏡設置于安裝所述聚焦透鏡的箱體內并位于箱體內的上方，所述大半透鏡設置于另外一個箱體內的中心位置。
【文檔編號】B23K26/08GK103801824SQ201410064226
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】李從生, 王延深, 馮薇薇, 雷巖 申請人:哈爾濱工業大學（威海）