CN102136300A - 三段组合式超精密定位台及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密机械加工的技术领域，提出一种超精密定位台，以及将粗定位、精定位和超精定位相结合的三段组合式定位方法。其中，粗定位采用计算机视觉定位方法，定位台在较大的工作行程范围内大部驱动粗定位机构移动，快速完成粗定位；精定位采用粗光栅定位方法，计算机再依据粗光栅产生的莫尔信号大小和极性，判断出位置偏差，以较快速度驱动粗定位机构移动，完成精定位；超精定位采用细光栅定位方法，采用压电陶瓷微位移驱动器，以确保高的定位精度。本发明采用三段组合式定位方法，并利用大步快速驱动与精密驱动相结合的定位，可使超精密定位台在较大的工作行程内实现高精度定位的同时，又能大大缩短定位时间，实现高速定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于计算机视觉技术与光栅检测技术相结合的组合式超精密定位台及其定位方法，属于精密机械加工技术领域。
背景技术
超精密定位技术是当前国际科技界研究的重点之一，在微型机械制造、超精密加工、高清晰显示器件、微电子制造、微型机械零件的操作和装配、生物工程等领域具有广泛的应用，其技术涉及到激光理论、精密测量、精密机械、计算机技术、伺服驱动、智能控制等多门学科。
随着工业生产自动化程度的提高，对精密定位技术的开发应用正提出越来越迫切的要求。例如，随着超大规模集成电路的高集成化，要求对应制造设备的定位装置具有越来越高的定位精度，以1Gbit的DRAM为例，其最小线宽0.15μm，则要求装置的定位精度必须达到最小线宽的1/10，即15nm左右。在机械加工非圆球面时，为了得到精确形状和高质量的表面，对加工工程中刀具相对工件的运动精度提出了严格的要求，需要结构小巧、在平面内有较大行程的超精密定位台。目前，国内已研制出行程在几十～几百微米、定位精度±0.05μm的精密定位台。但行程在几十毫米的精密定位台研制得还比较少，而且定位速度也较低，但从实际应用来看，低速、小行程的精密定位台存在很大的局限性，难以满足精密工程领域的实际需要。
由于精密定位的定位精度与工作行程是一对矛盾体，工作行程越大，则定位精度越低。采用激光光栅定位尽管具有很高的定位精度，但其工作行程比较小，仅为一个光栅常数。而基于计算机视觉的图像定位，尽管工作行程比较大，但其定位精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现大行程、高精度、高速度的超精密定位台，以及利用该定位台进行定位的方法。
为实现上述发明目的，本发明超精密定位台所采取的技术方案为：
三段组合式超精密定位台，包括计算机视觉检测系统、粗光栅检测系统、细光栅检测系统、光电检测电路、粗定位机构、微定位机构、驱动系统和微机控制系统等，定位台以微型计算机为控制核心，采用CCD和激光莫尔传感器检测位置偏差；微定位机构包括微动台和微位移驱动器，其中，微位移驱动器采用压电陶瓷微位移驱动器，由压电陶瓷和柔性铰链机构组成；所述微定位机构附着在粗定位机构上，以实现末端执行机构的高精度定位。
利用上述超精密定位台，本发明的定位方法所采取的技术方案为：
三段组合式超精密定位台的定位方法，包括粗定位、精定位和超精定位的三段组合式定位，具体步骤如下：
（1）采用基于计算机视觉的图像定位技术：计算机通过CCD对定位板上的定位标记进行图像检测，确定两定位板之间的位置偏差，再发出相应指令，大步驱动粗定位机构，快速完成粗定位；
（2）采用基于激光莫尔信号的粗光栅定位技术：采用差动光栅结构，利用光电转换器件检测激光经粗光栅衍射后其零次衍射光光强，即零次莫尔光强，则可确定两光栅间的相对位移，计算机再驱动粗定位机构，进入设定的位置偏差范围内，完成精定位；
（3）采用细光栅定位方法：步骤（2）完成后，采用细光栅结构，计算机依据细光栅产生的莫尔信号大小和极性，驱动微定位机构移动，完成超精密定位。
本发明将基于计算机视觉的图像定位方法和激光光栅定位技术相结合，采用三段组合式定位控制，可使精密定位装置在较大的工作行程内实现高精度定位。此外，本发明实现了大步快速驱动与精密驱动相结合的定位，从而使精密定位装置在实现高精度的同时，又能大大缩短定位时间，实现高速定位。
附图说明
图1是本发明三段组合式超精密定位台的结构框图。
图2是本发明三段组合式超精密定位台的图像定位示意图。
图3（a）是本发明实施例中采用的差动光栅结构图，（b）图是差动莫尔信号曲线图。
图4是本发明实施例中采用的粗光栅和细光栅结构图。
图5是本发明实施例中采用组合式超精密定位方法的实验结果，（a）精定位步骤下得到的实验曲线，（b）超精定位步骤下得到的实验曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，结合附图，作进一步的详细描述如下。
本发明的组合式超精密定位台如图1所示，包括激光光栅检测系统、计算机视觉检测系统、光电检测电路、粗定位机构、微定位机构、驱动系统和微机控制系统等，以实现粗定位、精定位和超精定位相结合的三段组合式定位。
粗定位机构完成粗定位的步骤，可实现横向运动、纵向运动和平面旋转运动，即实现X、Y、θ三个方向的运动，其中直线运动采用脉冲细分式驱动高精度步进电机控制，并通过精密丝杠机构将细分后步进电机的微小角度转化为微米级的线性位移，直线位移分辨率为0.3μm。而粗定位机构做平面旋转运动的旋转台采用蜗轮蜗杆传动机构，并采用脉冲细分式驱动步进电机，通过蜗轮蜗杆机构将细分后步进电机的转角转化为粗定位机构的旋转角度，旋转角位移分辨率为1.8μrad。
微定位机构完成超精定位的步骤，它附着在大行程的粗定位机构上，其参考位置是以粗定位机构为参考，实现末端执行机构的高精度定位，进而补偿由大行程造成的位移精度误差，提高分辨率，微动机构采用压电陶瓷微位移驱动器，压电陶瓷的特点是体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大，因此可以进一步提高定位装置的定位精度和可靠性，压电驱动器由压电陶瓷和柔性铰链机构组成。微定位机构的微动台也可以实现X、Y、θ三个方向的微位移运动，移动范围25μm，直线位移和角位移分辨率分别为2nm和10-7rad。
利用本发明超精密定位台进行定位，包括粗定位、精定位和超精定位三个步骤：
（1）粗定位：采用计算机视觉定位方法，如图2，图像检测系统对定位板上的定位标记进行检测，计算机根据检测到的CCD信号，进行图像处理和模式识别，判断出定位台的位置偏差，再发出指令，大步驱动粗定位机构移动，快速完成粗定位，粗定位精度为±500μm，其工作行程60mm。
（2）精定位：粗定位完成后，进入粗光栅工作行程，粗光栅的光栅常数为1000μm，激光经光栅衍射后其各次衍射光光强（莫尔信号）随两片光栅的相对位移呈周期性变化，特别是在定位点附近近似呈线性关系，因此通过光电转换器件检测莫尔光光强，即可确定两光栅间的相对位移，计算机再以较快速度驱动定位台进入设定的位置偏差范围内，完成精定位。
为了有效提高莫尔信号的灵敏度和定位精度，本实施例利用差动式精密定位方法，设置两组分别错开+d/4和-d/4光栅，d为光栅的光栅常数, 见图3（a）。当激光经过这两组光栅时，可以获得相位相差180度的两个莫尔信号I1和I2 ，如图3（b）所示，取两个莫尔信号的差值Sd=I1-I2（即差动莫尔信号）为控制信号。差动莫尔信号Sd可将反映位移变化的光强值有效放大一倍，特别是在定位点点附近差动莫尔信号的变化率很陡，微小位移便会导致大的光强变化，极大地提高了位置检测信号的灵敏度，且在零点附近光强变化与光栅移动的位移量成线性关系，可以定量地获得位置偏差的大小及位置偏离的方向。差动莫尔信号随两光栅的相对位移呈周期性变化，在一个位移周期内，差动信号为零的点（即两组莫尔信号的交点）设置为定位点，此时位移偏差为零。精定位控制时，将一片光栅固定，另一片光栅由工控机根据差动莫尔信号的大小和正负精密驱动，控制范围为精密定位点两侧±d/2（d为光栅常数）。精定位工作行程为1000μm，精度为±0.5μm，实验结果如图5（a）所示。
（3）超精定位：精定位完成后，进入细光栅工作行程，细光栅的光栅常数为25μm，计算机再依据细光栅产生的莫尔信号大小和极性，驱动精定位机构移动，完成超精密定位，工作行程25μm，精度为±10nm，实验结果如图5（b）所示。
通过上述三个步骤，本发明的超精密定位台能在较大的工作行程内，快速实现高精度定位。
Claims (3)
1.三段组合式超精密定位台，包括计算机视觉检测系统、粗光栅检测系统、细光栅检测系统、光电检测电路、粗定位机构、微定位机构、驱动系统和微机控制系统等，其特征在于：定位台以微型计算机为控制核心，采用CCD和激光莫尔传感器检测位置偏差；微定位机构包括微动台和微位移驱动器，其中，微位移驱动器采用压电陶瓷微位移驱动器，由压电陶瓷和柔性铰链机构组成；所述微定位机构附着在粗定位机构上，以实现末端执行机构的高精度定位。
2. 利用如权利要求1所述的三段组合式超精密定位台的定位方法，其特征在于，所述方法包括粗定位、精定位和超精定位的三段组合式定位，具体步骤如下：
（1）采用基于计算机视觉的图像定位技术：计算机通过CCD对定位板上的定位标记进行图像检测，确定两定位板之间的位置偏差，再发出相应指令，大步驱动粗定位机构，快速完成粗定位；
（2）采用基于激光莫尔信号的粗光栅定位技术：采用差动光栅结构，利用光电转换器件检测激光经粗光栅衍射后其零次衍射光光强，即零次莫尔光强，则可确定两光栅间的相对位移，计算机再驱动粗定位机构，进入设定的位置偏差范围内，完成精定位；
（3）采用细光栅定位方法：步骤（2）完成后，采用细光栅结构，计算机依据细光栅产生的莫尔信号大小和极性，驱动微定位机构移动，完成超精密定位。
3. 根据权利要求2所述的三段组合式超精密定位方法，其特征在于：所述步骤（1）和（2）中，粗定位机构可实现横向运动、纵向运动和平面旋转运动，其中，粗定位机构的直线运动采用脉冲细分式驱动高精度步进电机控制，并通过精密丝杠机构将细分后步进电机的微小角度转化为微米级的线性位移；所述粗定位机构的旋转运动采用脉冲细分式驱动步进电机，并采用蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆机构将细分后步进电机的转角转化为粗定位机构的旋转角度。
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