CN103399585B - 光栅刻划刀调整装置及其方法 - Google Patents

Abstract

光栅刻划刀调整装置及其方法属于光栅刻划机械自动控制领域，目的在于实现高精度、高性能光栅的刻制。本发明的压电陶瓷设于承载座上，刀架定位安装头与压电陶瓷的输出端连接，刀架位于刀架定位安装头的下方，测量装置固定于承载座，n个封闭力机构设于承载座和刀架定位安装头之间，抬落刀机构安装在刀架定位安装头上，实现刀架的抬起和落下；压电陶瓷和测量装置与数据采集控制模块连接，数据采集控制模块控制压电陶瓷驱动刀架定位安装头产生位移量，调节刀架的运行误差。本发明压电陶瓷执行微定位时的负载质量较轻，提高了动态调节带宽和动态精度，降低了金刚石刻刀相对光栅基底间的误差，实现高精度、高性能光栅的刻制。

Description

光栅刻划刀调整装置及其方法

技术领域

本发明属于光栅刻划机械自动控制领域，具体涉及一种用于调整光栅刻划刀运行误差的光栅刻划刀调整装置及其方法。

背景技术

光栅刻划的主要原理是利用金刚石刻刀在表面镀有铝或金等膜层的光栅基底上挤压出一系列具有微观结构的等间距槽形。任意两个相邻刻槽间距的一致性，以及相邻刻槽沿刻槽方向不同位置处间距的一致性直接决定了刻划光栅的波前质量、鬼线强度和杂散光强度等性能指标，因此，高性能刻划光栅的制作对金刚石刻刀与光栅基底间的定位精度要求较高。

现有技术中，光电控制式光栅刻划机利用精度较高的测量设备测量出分度系统中承载光栅基底的工作台相对刻划系统中安装金刚石刻刀的复合刀架间的实时误差，并利用工作台在线补偿该误差，从而提高金刚石刻刀相对光栅基底间的定位精度；刻划过程中，一般采用具备微定位功能且分辨率、精度较高的工作台以补偿机械加工、运行精度引起的刻槽误差；当光栅尺寸增大时承载光栅基底的工作台尺寸及负荷能力必须增大，而大尺寸、重载荷工作台难以实现高分辨率及高精度的微定位控制，也就难以快速动态补偿刻划机运行时产生的金刚石刻刀相对光栅基底间的误差，不利于高精度、高性能光栅的刻制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光栅刻划刀调整装置及其方法，减小现有技术存在的快速动态补偿刻划机运行时产生的金刚石刻刀相对光栅基底间的误差，实现高精度、高性能光栅的刻制。

为实现上述目的，本发明的一种光栅刻划刀调整装置包括承载座、压电陶瓷、刀架定位安装头、刀架、测量装置、抬落刀机构、封闭力机构和数据采集控制模块；所述压电陶瓷设于所述承载座上，所述刀架定位安装头与所述压电陶瓷的输出端连接，所述刀架位于所述刀架定位安装头的下方，所述测量装置固定于所述承载座，对光栅基底和刀架定位安装头的相对位移进行测量，所述n个封闭力机构设于所述承载座和所述刀架定位安装头之间，所述抬落刀机构安装在所述刀架定位安装头上，实现刀架的抬起和落下；所述压电陶瓷和所述测量装置与数据采集控制模块连接，所述数据采集控制模块控制所述压电陶瓷驱动所述刀架定位安装头产生位移量，调节所述刀架的运行误差。

所述抬落刀机构包括压电陶瓷电机、抬刀钩、电机限位板、霍尔元件和转接件，所述压电陶瓷电机设于所述刀架定位安装头，所述电机限位板设于压电陶瓷电机动子顶端，所述抬刀钩通过转接件设于压电陶瓷电机动子底部，所述霍尔元件设于所述刀架定位安装头上，用于触发输出抬刀刀位信号以指示抬落刀机构的抬落刀状态。

所述封闭力机构包括封闭螺纹杆、第一封闭磁铁和第二封闭磁铁，所述封闭螺纹杆设于所述承载座上，所述第一封闭磁铁设于所述封闭螺纹杆端面，所述第二封闭磁铁设于所述刀架定位安装头上，所述第一封闭磁铁和所述第二封闭磁铁产生磁力。

所述n的取值为3。

所述测量装置固定于所述承载座，对光栅基底和刀架定位安装头的相对位移进行测量具体为：所述测量装置为干涉计，第二反射镜通过调整架设置在所述刀架定位安装头上，第一反射镜设置在光栅基底上，干涉计发出的两束光分别经第二反射镜和第一反射镜的反射后合并，得到光栅基底和刀架定位安装头的相对位移。

所述刀架定位安装头的材料为铟钢，所述刀架的材料为铟钢。

基于光栅刻划刀调整装置的刻划方法，包括以下步骤：

步骤一：通过测量装置测量第一反射镜和第二反射镜之间的相对位移变化量，数据采集控制模块实时采集该相对位移变化量Δd；

步骤二：数据采集控制模块根据步骤一中得到的相对位移变化量Δd通过公式（1）计算出所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的位移误差e；

e=Δd-cN（1）

其中：c为光栅常数，N为光栅实时刻槽数；

步骤三：数据采集控制模块采用控制算法，根据误差e计算得到压电陶瓷误差补偿量l；

步骤四：通过数据采集控制模块控制压电陶瓷驱动刀架定位安装头执行误差补偿量l，进行高精度定位；

步骤五：通过数据采集控制模块判断是否完成整块光栅刻划，如果判断结果为否，则重复执行步骤一到步骤四；如果判断结果为是，则完成整个过程。

所述控制算法具体为神经网络、全状态反馈算法或PID控制算法。

本发明的有益效果为：本发明提出的光栅刻划刀调整装置由压电陶瓷直接驱动承载刀架的刀架定位安装头，实现金刚石刻刀的微定位，所述压电陶瓷执行微定位时的负载质量较轻，提高了动态调节带宽和动态精度，并提高了微定位控制的分辨率和精度，降低了金刚石刻刀相对光栅基底间的误差，实现高精度、高性能光栅的刻制。

附图说明

图1为本发明的光栅刻划刀调整装置结构示意图；

图2为本发明的光栅刻划刀调整装置结构俯视图；

图3为本发明的光栅刻划刀调整方法流程图；

其中：1、承载座，2、压电陶瓷，3、刀架定位安装头，4、刀架，5、测量装置，501、干涉计，502、第二反射镜，6、抬落刀机构，601、压电陶瓷电机，602、抬刀钩，603、电机限位板，604、霍尔元件，605、转接件，7、第一封闭力机构，701、封闭螺纹杆，702、第一封闭磁铁，703、第二封闭磁铁，8、第二封闭力机构，9、第三封闭力机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图2，本发明的一种光栅刻划刀调整装置包括承载座1、压电陶瓷2、刀架定位安装头3、刀架4、测量装置5、抬落刀机构6、封闭力机构和数据采集控制模块；所述压电陶瓷2设于所述承载座1上，所述刀架定位安装头3与所述压电陶瓷2的输出端连接，所述刀架4位于所述刀架定位安装头3的下方，所述测量装置5固定于所述承载座1，对光栅基底和刀架定位安装头3的相对位移进行测量，所述封闭力机构设于所述承载座1和所述刀架定位安装头3之间，所述抬落刀机构6安装在所述刀架定位安装头3上，实现刀架4的抬起和落下；所述压电陶瓷2和所述所述测量装置5与数据采集控制模块连接，所述数据采集控制模块控制所述压电陶瓷2驱动所述刀架定位安装头3产生位移量，调节所述刀架4的运行误差。

所述抬落刀机构6包括压电陶瓷电机601、抬刀钩602、电机限位板603、霍尔元件604和转接件605，所述压电陶瓷电机601设于所述刀架定位安装头3，所述电机限位板603设于压电陶瓷电机601动子顶端，所述抬刀钩602通过转接件605设于压电陶瓷电机601动子底部，所述霍尔元件604设于所述刀架定位安装头3；当所述压电陶瓷电机601初始上电时，压电陶瓷电机601动子向上移动，直至所述电机限位板603触发所述霍尔元件604的信号时，压电陶瓷电机601动子停止移动并以此位置为压电陶瓷电机601的零位。当所述压电陶瓷电机601的动子向下移动时，所述抬刀钩602带动所述刀架4上的金刚石刻刀向下移动完成落刀功能；金刚石刻刀落刀后，当所述压电陶瓷电机601的动子向上移动时，所述抬刀钩602带动所述刀架4上的金刚石刻刀向上移动完成抬刀功能，所述霍尔元件604设于所述刀架定位安装头3上，用于触发输出抬刀到位信号以指示抬落刀机构6的抬落刀状态。

所述封闭力机构包括结构相同的第一封闭力机构7、第二封闭力机构8和第三封闭力机构9；所述第一封闭力机构7位于所述刀架定位安装头3上端与所述承载座1连接；所述第二封闭力机构8和第三封闭力机构9位于所述刀架定位安装头3的左侧与所述承载座1连接，所述第二封闭力机构8和第三封闭力机构9关于所述压电陶瓷2对称。

所述第一封闭力机构7包括封闭螺纹杆701、第一封闭磁铁702和第二封闭磁铁703，所述封闭螺纹杆701设于所述承载座1上，所述第一封闭磁铁702设于所述封闭螺纹杆701端面，所述第二封闭磁铁703设于所述刀架定位安装头3上，所述第一封闭磁铁702和所述第二封闭磁铁703产生磁力。

所述测量装置5固定于所述承载座1，对光栅基底和刀架定位安装头3的相对位移进行测量具体为：所述测量装置5为干涉计501，第二反射镜502通过调整架设置在所述刀架定位安装头3上，第一反射镜设置在光栅基底上，干涉计501发出的两束光分别经第二反射镜502和第一反射镜的反射后合并，得到光栅基底和刀架定位安装头3的相对位移。

所述刀架定位安装头3的材料为铟钢，所述刀架4的材料为铟钢。

参见附图3，基于光栅刻划刀调整装置的刻划方法，包括以下步骤：

步骤一：通过测量装置5测量第一反射镜和第二反射镜502之间的相对位移变化量，数据采集控制模块实时采集该相对位移变化量Δd；

步骤二：数据采集控制模块根据步骤一中得到的相对位移变化量Δd通过公式（1）计算出所述第一反射镜和所述第二反射镜502之间的位移误差e；

e=Δd-cN（1）

其中：c为光栅常数，N为光栅实时刻槽数；

步骤三：数据采集控制模块采用控制算法，根据误差e计算得到压电陶瓷2误差补偿量l；

步骤四：通过数据采集控制模块控制压电陶瓷2驱动刀架定位安装头3执行误差补偿量l，进行高精度定位；

步骤五：在刻划300mm的光栅时，通过数据采集控制模块判断刻划宽度是否是300mm，如果判断结果为否，则重复执行步骤一到步骤四；如果判断结果为是，则完成整个过程。

所述控制算法具体为神经网络、全状态反馈算法或PID控制算法。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.光栅刻划刀调整装置，其特征在于，包括承载座(1)、压电陶瓷(2)、刀架定位安装头(3)、刀架(4)、测量装置(5)、抬落刀机构(6)、封闭力机构和数据采集控制模块；

所述压电陶瓷(2)设于所述承载座(1)上，所述刀架定位安装头(3)与所述压电陶瓷(2)的输出端连接，所述刀架(4)位于所述刀架定位安装头(3)的下方，所述测量装置(5)固定于所述承载座(1)，对光栅基底和刀架定位安装头(3)的相对位移进行测量，n个所述封闭力机构设于所述承载座(1)和所述刀架定位安装头(3)之间，所述抬落刀机构(6)安装在所述刀架定位安装头(3)上，实现刀架(4)的抬起和落下；

所述压电陶瓷(2)和所述测量装置(5)与数据采集控制模块连接，所述数据采集控制模块控制所述压电陶瓷(2)驱动所述刀架定位安装头(3)产生位移量，调节所述刀架(4)的运行误差；

所述测量装置(5)固定于所述承载座(1)，对光栅基底和刀架定位安装头(3)的相对位移进行测量具体为：所述测量装置(5)为干涉计(501)，第二反射镜(502)通过调整架设置在所述刀架定位安装头(3)上，第一反射镜设置在光栅基底上，干涉计(501)发出的两束光分别经第二反射镜(502)和第一反射镜的反射后合并，得到光栅基底和刀架定位安装头(3)的相对位移。

2.根据权利要求1所述的光栅刻划刀调整装置，其特征在于，所述抬落刀机构(6)包括压电陶瓷电机(601)、抬刀钩(602)、电机限位板(603)、霍尔元件(604)和转接件(605)，所述压电陶瓷电机(601)设于所述刀架定位安装头(3)，所述电机限位板(603)设于压电陶瓷电机(601)动子顶端，所述抬刀钩(602)通过转接件(605)设于压电陶瓷电机(601)动子底部，所述霍尔元件(604)设于所述刀架定位安装头(3)上，用于触发输出抬刀刀位信号以指示抬落刀机构(6)的抬落刀状态。

3.根据权利要求1所述的光栅刻划刀调整装置，其特征在于，所述封闭力机构包括封闭螺纹杆(701)、第一封闭磁铁(702)和第二封闭磁铁(703)，所述封闭螺纹杆(701)设于所述承载座(1)上，所述第一封闭磁铁(702)设于所述封闭螺纹杆(701)端面，所述第二封闭磁铁(703)设于所述刀架定位安装头(3)上，所述第一封闭磁铁(702)和所述第二封闭磁铁(703)产生磁力。

4.根据权利要求1所述的光栅刻划刀调整装置，其特征在于，所述n的取值为3。

5.根据权利要求1所述的光栅刻划刀调整装置，其特征在于，所述刀架定位安装头(3)的材料为铟钢，所述刀架(4)的材料为铟钢。

6.根据权利要求1所述的光栅刻划刀调整装置的刻划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过测量装置(5)测量第一反射镜和第二反射镜(502)之间的相对位移变化量，数据采集控制模块实时采集该相对位移变化量Δd；

步骤二：数据采集控制模块根据步骤一中得到的相对位移变化量Δd通过公式(一)计算出所述第一反射镜和所述第二反射镜(502)之间的位移误差e；

e＝Δd-cN(一)

其中：c为光栅常数，N为光栅实时刻槽数；

步骤三：数据采集控制模块采用控制算法，根据误差e计算得到压电陶瓷(2)误差补偿量l；

步骤四：通过数据采集控制模块控制压电陶瓷(2)驱动刀架定位安装头(3)执行误差补偿量l，进行高精度定位；

步骤五：通过数据采集控制模块判断是否完成整块光栅刻划，如果判断结果为否，则重复执行步骤一到步骤四；如果判断结果为是，则完成整个过程。

7.根据权利要求6所述的光栅刻划刀调整装置的刻划方法，其特征在于，步骤三种所述的控制算法具体为神经网络、全状态反馈算法或PID控制算法。