一种自动对焦高精度大行程精密定位工作台

摘要

本发明公开了一种自动对焦高精度大行程精密定位工作台，包括电机、高精度滚珠丝杠、高精度滚珠丝杠下支承、支撑杆、压电陶瓷、三角式激光发射装置、高精度滚珠丝杠螺母、高精度滚珠丝杠上支承和台板。与现有技术相比，本发明在总体机械结构方面本技术采用了双联控制的方案使得平台具有在保证高精度的要求下同时还能有较低的成本，而且避免了直流电机在驱动时产生的震颤。本发明中利用的自动定位系统比现行技术更加稳定，不需要计算机的对比计算，尤其是本发明的结构简单、成本低、刚度高、可靠性高、使用方便，具有推广的价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密定位对焦设备，尤其涉及一种自动对焦高精度大行程 精密定位工作台。

背景技术

东京工业大学研制了具有纳米级分辨率的一维直线电机驱动超精密工作 台，它采用气浮导轨导向，行程300mm，导轨的垂直刚度600N/um，水平刚度220 N/um。工作台重19.6kg，全部采用氧化铝陶瓷材料。直线电机驰动力160N，最 大加速度6.4m/s2，最大速度320mm/s。反馈测量系统采用激光干涉仪，激光干 涉仪的分辨率为0.63nm。控制系统采用带前馈补偿的PID控制器。它最大的特 点是配置了一部电流变阻尼器，可以主动控制系统的动静态特性。系统可以实 现2nm的步进定位。

住友重工公司开发的直线电机驱动的X-Y工作台具有快速运动响应。2.54mm 的步进运动只需37ms就可使定位误差在10um以内。快速响应对于激光加工和 半导体生产是非常关键的。德国PI公司所生产的自聚焦测量组件系统，自动聚 焦测量，光学仪器，粗糙度测量仪，德国PI自聚焦测量组件系统微型自调焦 激光传感器适用替代现有传统的位移和粗糙度测头。它可以进行快速非接触式 表面轮廓和粗糙度测量以及精密位移的测量。激光测量光束借助于一个物镜聚 焦于物体表面。由于物镜的位置是被连续调整的，因而激光束的焦点总是与物 体表面重合。

大行程精密对焦平台，国内多所科研院所已经做了大量的研究，江光仪器 厂改造的显微镜平台，其控制系统能实现载物台的三维驱动，但不能实现精确 定位，重复性差，实现以游戏杆为辅助控制设备，但不能做到变速控制，实际 操作不方便：未提供自动搜索、聚焦功能；南京航空航天大学的在NHIS金相图 像自动分析系统中采用步进电机控制载物台，提出并实现了灰度直方图梯度自 动聚焦算法；2002年，武汉大学测试中心成功地使用“PC控制卡+步进电机” 的方式对一台国产显微镜和一台进口显微镜的载物台进行了自动化改造，同时 使用“CCD+视频采集卡+步进电机的方式”对自动聚焦系统进行了改造，虽然载 物台采用齿轮齿条的传动方式，降低了改造难度，其精度受到限制，但整个系 统改造取得较好成果。清华大学等单位研制的线宽测量仪，在显微系统的设计 上采用了偏心光束法，其调焦范围为10um，调焦精度达到了1.9nm.此外，四 川大学，北京航空航天大学，重庆大学等对显微镜的自动化改造都做了大量的 研究。南京红绿蓝公司致力于显微镜自动平台研发，图像分析系统和控制软件 系统的开发，目前取得了丰硕的成果。

现行技术中与本技术最接近的是广州中国科学院工业技术研究院发明的一 种激光加工初始位置自动的对焦定位方法。其主要原理是激光器发出的光束经 激光加工头的光路系统投射在被加工工件的表面形成光斑，移动激光加工头， 同时用摄像头实时采集光斑图像，在通过计算机对比光斑图像的属性来找出位 于焦平面的光斑图像，然后根据该光斑图像所对应的激光加工头的移动距离， 移动激光加工头，对焦工作完成，然后，通过计算机确定加工初始点的中心与 光斑中心之间的位置关系，根据该位置关系移动激光加工头，从而获得加工初 始位置的精确定位。与现行技术相比，本发明对加工初始位置的对焦和定位精 确性高，能满足精加工要求。

常规的激光对焦方法包括：烧斑法、红外摄像法、小孔成像法。传统运动 平台中对焦精确度不够高，容易产生误对焦；在很多的激光加工工艺中需要拥 有0.01um的加工定位精度。

现有技术大多数有对焦稳定性不强的缺点，而且容易受到环境和硬件中各 种噪声的影响；如控制镜头移动的电机存在误差，镜头移动存在惯性，硬件驱 动存在时间延迟，这就造成对焦速度达不到要求，即使最先进的技术智能化程 度和实时性也有待提高，在现有技术中需要通过计算机采集、对比光斑图像， 费时费力、行程不够，难以满足精密工程的需要；在激光加工工件时，都需要 100mm的竖直方向行程，一般的精密平台都难以满足这个要求，因此存在改进空 间。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种自动对焦高精度大行程 精密定位工作台。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括电机、高精度滚珠丝杠、高精度滚珠丝杠下支承、支撑杆、压 电陶瓷、三角式激光发射装置、高精度滚珠丝杠螺母、高精度滚珠丝杠上支承 和台板，所述电机的转轴以竖直向上的方向与所述高精度滚珠丝杠的下端连接， 所述高精度滚珠丝杠下支承套装于所述高精度滚珠丝杠的下段，所述高精度滚 珠丝杠螺母套装于所述高精度滚珠丝杠的中段，所述高精度滚珠丝杠上支承套 装于所述高精度滚珠丝杠的上段，所述支撑杆设置于所述高精度滚珠丝杠上支 承与所述高精度滚珠丝杠下支承之间，所述高精度滚珠丝杠上设置有滑轨，所 述台板设置于所述高精度滚珠丝杠上支承上，所述压电陶瓷设置于所述台板内 侧，所述三角式激光发射装置设置于所述高精度滚珠丝杠上支承的上方且正对 所述台板的上端面。

进一步，所述高精度滚珠丝杠下支承和所述高精度滚珠丝杠上支承的内部 均设置有交叉滚子轴承；所述高精度滚珠丝杠螺母的外围套装有连接台；所述 电机的转轴与所述高精度滚珠丝杠的下端之间通过联轴器连接。

具体地，所述三角式激光发射装置包括镜头箱体、小半透镜、聚焦透镜和 大半透镜，所述镜头箱体为两个相互贯穿连接的箱体，所述聚焦透镜设置于其 中一个箱体内并靠近另外一个箱体的连接处，所述小半透镜设置于安装所述聚 焦透镜的箱体内并位于箱体内的上方，所述大半透镜设置于另外一个箱体内的 中心位置。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种自动对焦高精度大行程精密定位工作台，与现有技术相比， 本发明在总体机械结构方面本技术采用了双联控制的方案使得平台具有在保证 高精度的要求下同时还能有较低的成本，而且避免了直流电机在驱动时产生的 震颤。本发明中利用的自动定位系统比现行技术更加稳定，不需要计算机的对 比计算，尤其是本发明的结构简单、成本低、刚度高、可靠性高、使用方便， 具有推广的价值。

附图说明

图1是本发明所述自动对焦高精度大行程精密定位工作台的主视图；

图2是本发明所述自动对焦高精度大行程精密定位工作台的侧视图；

图3是本发明所述自动对焦高精度大行程精密定位工作台中的局部剖视图；

图4是本发明所述自动对焦高精度大行程精密定位工作台中三角式激光发 射装置的结构示意图;

图5是本发明所述自动对焦高精度大行程精密定位工作台中三角式激光发 射装置的光学原理图。

图中：1-电机、2-联轴器、3-高精度滚珠丝杠、4-高精度滚珠丝杠下支承、 5-支撑杆、6-压电陶瓷、7-滑轨、8-三角式激光发射装置、9-交叉滚子轴承、10- 高精度滚珠丝杠螺母、11-连接台、12-高精度滚珠丝杠上支承、13-台板、14-镜 头箱体、15-小半透镜、16-聚焦透镜、17-大半透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图3所示：本发明包括电机1、高精度滚珠丝杠3、高精度滚珠丝 杠下支承4、支撑杆5、压电陶瓷6、三角式激光发射装置8、高精度滚珠丝杠 螺母10、高精度滚珠丝杠上支承12和台板13，电机1的转轴以竖直向上的方 向与高精度滚珠丝杠3的下端连接，高精度滚珠丝杠下支承4套装于高精度滚 珠丝杠3的下段，高精度滚珠丝杠螺母10套装于高精度滚珠丝杠3的中段，高 精度滚珠丝杠上支承12套装于高精度滚珠丝杠3的上段，支撑杆5设置于高精 度滚珠丝杠上支承12与高精度滚珠丝杠下支承4之间，高精度滚珠丝杠3上设 置有滑轨7，台板13设置于高精度滚珠丝杠上支承12上，压电陶瓷6设置于台 板13内侧，三角式激光发射装置8设置于高精度滚珠丝杠上支承12的上方且 正对台板13的上端面。

如图1至图3所示：高精度滚珠丝杠下支承4和高精度滚珠丝杠上支承12 的内部均设置有交叉滚子轴承9；高精度滚珠丝杠螺母10的外围套装有连接台 11；电机1的转轴与高精度滚珠丝杠3的下端之间通过联轴器2连接。

如图4所示：三角式激光发射装置8包括镜头箱体14、小半透镜15、聚焦 透镜16和大半透镜17，镜头箱体14为两个相互贯穿连接的箱体，聚焦透镜16 设置于其中一个箱体内并靠近另外一个箱体的连接处，小半透镜15设置于安装 聚焦透镜16的箱体内并位于箱体内的上方，大半透镜17设置于另外一个箱体 内的中心位置。

如图1至图3所示：本发明采用电机与机械传动加压电驱动的双联驱动方 式，所谓的双联驱动方式就是将两种或者两种以上的驱动方式同时使用，并对 他们进行相应的并联控制。这样可以使台板13具有较大的行程与很高的精度。 并且在丝杠的两端应用交叉滚子轴承9，提高传送精度，减少周期性不均匀载荷 对轴承的伤害。Z方向工作过程是，电机收到信号转动并带动滚珠丝杠一起转动， 这样滚珠丝杠螺母就可以上下直线运动。本发明主要对平台进行快速的大行程 的移动；高精度微位移系统主要进行台板13的微量位移，使台板13的整体位 移精度达到了所要求的精度。

如图3所示：本发明中应用交叉滚子轴承9，由于滚柱为交叉排列，因此只 用1套交叉滚子轴承9就可承受各个方向的负荷，与传统型号相比，刚性提高 3-4倍。同时，因交叉滚子轴承9内圈或外圈是两分割的构造，轴承间隙可调整， 即使被施加预载，也能获得高精度地旋转运动。交叉滚子轴承9具有出色的旋 转精度，操作安装简单，承受较大的轴向和径向负荷。

如图5所示：本发明采用三角式激光发射装置8，在斜光学入射法中，入射 光线与被测物体表面法线成一夹角，激光光束沿平行于透镜L的方向入射到具 有一定粗糙度的M平面上的A点，由被测物面漫反射后，不再有确定的方向， 经过接收透镜L会聚后将光点A成像在平行于透镜的一维PSD面上的A’点。 通过透镜成像可以准确的计算出光点的位置。假设光束i与透镜的主光轴相交于 位于M平面上的O点，称M平面为零参考平面，O点在像屏上的像点是O’ 点。根据三角形相似原理，可以从O’点与A’点的位移计算出物体上A点相 对于零参考平面M的位移量来。从激光发射器（图中未示出）发射出来的800nm 光束经过大半透镜17挡去了一半，剩下的光束在聚焦透镜16的作用变为平行 光后投射到被检测的物体表面。如果系统对焦完成，激光刚好在被测物体表面 聚焦。聚焦后的光束，在被测物体的表面发生了反射，反射光线经过聚焦透镜 16的聚焦作用投射到CCD检测屏（图中未示出）上，如果被检测物体表面刚好 处于聚焦点处，投影在CCD检测屏上的就是一个光点；如果被检测物体处于聚 焦点的上方，在检测屏就会检测到一个右半圆的光斑，反之出现一个左半圆的 光斑。假设可见光获得最清晰的图像时，激光刚好在被检测物体表面聚焦，如 果系统发生离焦，CCD检测到一个半圆的光斑，其中离焦量和光斑的直径大小 成线性关系。系统上离焦时z>0，则Rx>0，产生上半圆；当下离焦时在z<0， 则Rx<0，产生下半圆。系统的聚焦原理是通过检测投射到CCD传感器形成一 个半圆状的光斑，系统通过检测的是上半圆还是下半圆可以辨别对焦系统处于 上离焦还是下离焦。根据图5中的三角测距光学原理分析出半圆的质心到半圆 圆心的距离与系统物镜在被检测物体表面的离焦量数学关系。在数学分析下确 定系统离焦方向和离焦距离，通过信号输出控制电机的快速转动到目标位置， 从而实现系统对焦，

本发明采用滚珠丝杠与交叉滚子轴承相配合，既保证了大行程的加工运动 范围，又能实现精密定位，充分利用交叉滚子轴承和滚珠丝杠的旋转精度高的 特性。