專利名稱：三段組合式超精密定位臺及其定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與光柵檢測技術(shù)相結(jié)合的組合式超精密定 位臺及其定位方法，屬于精密機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超精密定位技術(shù)是當(dāng)前國際科技界研究的重點(diǎn)之一，在微型機(jī)械制造、超精密加 工、高清晰顯示器件、微電子制造、微型機(jī)械零件的操作和裝配、生物工程等領(lǐng)域具有廣泛 的應(yīng)用，其技術(shù)涉及到激光理論、精密測量、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、伺服驅(qū)動、智能控制等 多門學(xué)科。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高，對精密定位技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用正提出越來越迫切 的要求。例如，隨著超大規(guī)模集成電路的高集成化，要求對應(yīng)制造設(shè)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(dá)到最小線寬的1/10，S卩15nm左右。在機(jī)械加工非圓球面時(shí)，為了得到精確形狀和高質(zhì) 量的表面，對加工工程中刀具相對工件的運(yùn)動精度提出了嚴(yán)格的要求，需要結(jié)構(gòu)小巧、在平 面內(nèi)有較大行程的超精密定位臺。目前，國內(nèi)已研制出行程在幾十 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制得還比較少，而且定位速度 也較低，但從實(shí)際應(yīng)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(lǐng)域的實(shí)際需要。由于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。采用激光光柵定位盡管具有很高的定位精度，但其工作行程比較小，僅為一個(gè)光柵常 數(shù)。而基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像定位，盡管工作行程比較大，但其定位精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)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(jìn)行定位的方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明超精密定位臺所采取的技術(shù)方案為
三段組合式超精密定位臺，包括計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)、粗光柵檢測系統(tǒng)、細(xì)光柵檢測系 統(tǒng)、光電檢測電路、粗定位機(jī)構(gòu)、微定位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)等，定位臺以微型計(jì) 算機(jī)為控制核心，采用CCD和激光莫爾傳感器檢測位置偏差；微定位機(jī)構(gòu)包括微動臺和微 位移驅(qū)動器，其中，微位移驅(qū)動器采用壓電陶瓷微位移驅(qū)動器，由壓電陶瓷和柔性鉸鏈機(jī)構(gòu) 組成；所述微定位機(jī)構(gòu)附著在粗定位機(jī)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度定位。利用上述超精密定位臺，本發(fā)明的定位方法所采取的技術(shù)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)采用基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像定位技術(shù)計(jì)算機(jī)通過C⑶對定位板上的定位標(biāo)記進(jìn) 行圖像檢測，確定兩定位板之間的位置偏差，再發(fā)出相應(yīng)指令，大步驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)，快速完成粗定位；
(2)采用基于激光莫爾信號的粗光柵定位技術(shù)采用差動光柵結(jié)構(gòu)，利用光電轉(zhuǎn)換器件 檢測激光經(jīng)粗光柵衍射后其零次衍射光光強(qiáng)，即零次莫爾光強(qiáng)，則可確定兩光柵間的相對 位移，計(jì)算機(jī)再驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)，進(jìn)入設(shè)定的位置偏差范圍內(nèi)，完成精定位；
(3)采用細(xì)光柵定位方法步驟(2)完成后，采用細(xì)光柵結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)依據(jù)細(xì)光柵產(chǎn)生 的莫爾信號大小和極性，驅(qū)動微定位機(jī)構(gòu)移動，完成超精密定位。本發(fā)明將基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像定位方法和激光光柵定位技術(shù)相結(jié)合，采用三段 組合式定位控制，可使精密定位裝置在較大的工作行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度定位。此外，本發(fā)明實(shí) 現(xiàn)了大步快速驅(qū)動與精密驅(qū)動相結(jié)合的定位，從而使精密定位裝置在實(shí)現(xiàn)高精度的同時(shí)， 又能大大縮短定位時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高速定位。


圖1是本發(fā)明三段組合式超精密定位臺的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)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(fā)明實(shí)施例中采用的差動光柵結(jié)構(gòu)圖，(b)圖是差動莫爾信號曲線 圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例中采用的粗光柵和細(xì)光柵結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例中采用組合式超精密定位方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，(a)精定位步驟 下得到的實(shí)驗(yàn)曲線，(b)超精定位步驟下得到的實(shí)驗(yàn)曲線。
具體實(shí)施例方式為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合附圖，作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如下。本發(fā)明的組合式超精密定位臺如圖1所示，包括激光光柵檢測系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)視覺 檢測系統(tǒng)、光電檢測電路、粗定位機(jī)構(gòu)、微定位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)粗 定位、精定位和超精定位相結(jié)合的三段組合式定位。粗定位機(jī)構(gòu)完成粗定位的步驟，可實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動、縱向運(yùn)動和平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即實(shí) 現(xiàn)Χ、γ、θ三個(gè)方向的運(yùn)動，其中直線運(yùn)動采用脈沖細(xì)分式驅(qū)動高精度步進(jìn)電機(jī)控制，并通 過精密絲杠機(jī)構(gòu)將細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)的微小角度轉(zhuǎn)化為微米級的線性位移，直線位移分辨率 為0. 3 μ m。而粗定位機(jī)構(gòu)做平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)臺采用蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，并采用脈沖細(xì) 分式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)將細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為粗定位機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn) 角度，旋轉(zhuǎn)角位移分辨率為l.Syrad。微定位機(jī)構(gòu)完成超精定位的步驟，它附著在大行程的粗定位機(jī)構(gòu)上，其參考位置 是以粗定位機(jī)構(gòu)為參考，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度定位，進(jìn)而補(bǔ)償由大行程造成的位移 精度誤差，提高分辨率，微動機(jī)構(gòu)采用壓電陶瓷微位移驅(qū)動器，壓電陶瓷的特點(diǎn)是體積小、 位移分辨率高、響應(yīng)速度快、輸出力大，因此可以進(jìn)一步提高定位裝置的定位精度和可靠 性，壓電驅(qū)動器由壓電陶瓷和柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)組成。微定位機(jī)構(gòu)的微動臺也可以實(shí)現(xiàn)Χ、γ、θ 三個(gè)方向的微位移運(yùn)動，移動范圍25 μ m，直線位移和角位移分辨率分別為2nm和lO—Yad。利用本發(fā)明超精密定位臺進(jìn)行定位，包括粗定位、精定位和超精定位三個(gè)步驟 (1)粗定位采用計(jì)算機(jī)視覺定位方法，如圖2，圖像檢測系統(tǒng)對定位板上的定位標(biāo)記進(jìn)行檢測，計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測到的CCD信號，進(jìn)行圖像處理和模式識別，判斷出定位臺的位置 偏差，再發(fā)出指令，大步驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)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)精定位粗定位完成后，進(jìn)入粗光柵工作行程，粗光柵的光柵常數(shù)為1000 μ m， 激光經(jīng)光柵衍射后其各次衍射光光強(qiáng)(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(diǎn)附近近似呈線性關(guān)系，因此通過光電轉(zhuǎn)換器件檢測莫爾光光強(qiáng)，即可確定兩 光柵間的相對位移，計(jì)算機(jī)再以較快速度驅(qū)動定位臺進(jìn)入設(shè)定的位置偏差范圍內(nèi)，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(shí)施例利用差動式精密定位方 法，設(shè)置兩組分別錯(cuò)開+d/4和-d/4光柵，d為光柵的光柵常數(shù)，見圖3 (a)。當(dāng)激光經(jīng)過 這兩組光柵時(shí)，可以獲得相位相差180度的兩個(gè)莫爾信號I1和I2，如圖3(b)所示，取兩個(gè) 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(qiáng)值有效放大一倍，特別是在定位點(diǎn)點(diǎn)附近差動莫爾信號的變化率很陡，微小位 移便會導(dǎo)致大的光強(qiáng)變化，極大地提高了位置檢測信號的靈敏度，且在零點(diǎn)附近光強(qiáng)變化 與光柵移動的位移量成線性關(guān)系，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(gè)位移周期內(nèi)，差動信號為零的點(diǎn)(即 兩組莫爾信號的交點(diǎn))設(shè)置為定位點(diǎn)，此時(shí)位移偏差為零。精定位控制時(shí)，將一片光柵固定， 另一片光柵由工控機(jī)根據(jù)差動莫爾信號的大小和正負(fù)精密驅(qū)動，控制范圍為精密定位點(diǎn)兩 側(cè)士d/2 (d為光柵常數(shù))。精定位工作行程為ΙΟΟΟμπι，精度為士0.5μπι，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 (a)所示。(3)超精定位精定位完成后，進(jìn)入細(xì)光柵工作行程，細(xì)光柵的光柵常數(shù)為25 μ m， 計(jì)算機(jī)再依據(jù)細(xì)光柵產(chǎn)生的莫爾信號大小和極性，驅(qū)動精定位機(jī)構(gòu)移動，完成超精密定位， 工作行程25 μ m，精度為士 lOnm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 (b)所示。通過上述三個(gè)步驟，本發(fā)明的超精密定位臺能在較大的工作行程內(nèi)，快速實(shí)現(xiàn)高 精度定位。
權(quán)利要求
1.三段組合式超精密定位臺，包括計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)、粗光柵檢測系統(tǒng)、細(xì)光柵檢測 系統(tǒng)、光電檢測電路、粗定位機(jī)構(gòu)、微定位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)等，其特征在于 定位臺以微型計(jì)算機(jī)為控制核心，采用CCD和激光莫爾傳感器檢測位置偏差；微定位機(jī)構(gòu) 包括微動臺和微位移驅(qū)動器，其中，微位移驅(qū)動器采用壓電陶瓷微位移驅(qū)動器，由壓電陶瓷 和柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)組成；所述微定位機(jī)構(gòu)附著在粗定位機(jī)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精 度定位。
2.利用如權(quán)利要求1所述的三段組合式超精密定位臺的定位方法，其特征在于，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)采用基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像定位技術(shù)計(jì)算機(jī)通過C⑶對定位板上的定位標(biāo)記進(jìn) 行圖像檢測，確定兩定位板之間的位置偏差，再發(fā)出相應(yīng)指令，大步驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)，快速 完成粗定位；(2)采用基于激光莫爾信號的粗光柵定位技術(shù)采用差動光柵結(jié)構(gòu)，利用光電轉(zhuǎn)換器件 檢測激光經(jīng)粗光柵衍射后其零次衍射光光強(qiáng)，即零次莫爾光強(qiáng)，則可確定兩光柵間的相對 位移，計(jì)算機(jī)再驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)，進(jìn)入設(shè)定的位置偏差范圍內(nèi)，完成精定位；(3)采用細(xì)光柵定位方法步驟(2)完成后，采用細(xì)光柵結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)依據(jù)細(xì)光柵產(chǎn)生 的莫爾信號大小和極性，驅(qū)動微定位機(jī)構(gòu)移動，完成超精密定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三段組合式超精密定位方法，其特征在于所述步驟(1)和 (2)中，粗定位機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動、縱向運(yùn)動和平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其中，粗定位機(jī)構(gòu)的直線運(yùn) 動采用脈沖細(xì)分式驅(qū)動高精度步進(jìn)電機(jī)控制，并通過精密絲杠機(jī)構(gòu)將細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)的微 小角度轉(zhuǎn)化為微米級的線性位移；所述粗定位機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動采用脈沖細(xì)分式驅(qū)動步進(jìn)電 機(jī)，并采用蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)將細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為粗定位機(jī)構(gòu) 的旋轉(zhuǎn)角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及精密機(jī)械加工的技術(shù)領(lǐng)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(jié)合的三段組合式定位方法。其中，粗定位采用計(jì)算機(jī)視覺定位方法，定位臺在較大的工作行程范圍內(nèi)大部驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)移動，快速完成粗定位；精定位采用粗光柵定位方法，計(jì)算機(jī)再依據(jù)粗光柵產(chǎn)生的莫爾信號大小和極性，判斷出位置偏差，以較快速度驅(qū)動粗定位機(jī)構(gòu)移動，完成精定位；超精定位采用細(xì)光柵定位方法，采用壓電陶瓷微位移驅(qū)動器，以確保高的定位精度。本發(fā)明采用三段組合式定位方法，并利用大步快速驅(qū)動與精密驅(qū)動相結(jié)合的定位，可使超精密定位臺在較大的工作行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度定位的同時(shí)，又能大大縮短定位時(shí)間，實(shí)現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者劉京南, 張金龍, 徐慧, 楊安康 申請人:南京師范大學(xué)