專(zhuān)利名稱(chēng)：一種精密自動(dòng)定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及精密自動(dòng)定位技術(shù)，特別適用于調(diào)整機(jī)構(gòu)或位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精密自動(dòng)定位。
英國(guó)RANK TAYLOR HOBSON公司生產(chǎn)的TALYSUSF5和TALYSUSF6型輪廓儀上驅(qū)動(dòng)箱的定位是接觸式自動(dòng)定位，即通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)箱，先以60毫米／秒的速度下行5秒鐘，然后以200毫米／秒繼續(xù)下行；當(dāng)驅(qū)動(dòng)箱上的電感測(cè)頭(針狀)下壓到工件表面，至測(cè)頭被壓在測(cè)量范圍的中點(diǎn)時(shí)，電感頭輸出電壓為零狀(OV)，此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)箱停止運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，這種定位方式中的測(cè)頭與工件一定要接觸才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位的目的，容易產(chǎn)生壓痕(刻痕)。同時(shí)，這種輪廓儀的驅(qū)動(dòng)箱運(yùn)動(dòng)速度較快，影響定位精度。另外，輪廓儀上設(shè)有手動(dòng)微調(diào)裝置，微調(diào)部分靠手工完成，不僅效率低，而且容易受操作者主觀因素的影響。
根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是提供一種非接觸式精密自動(dòng)定位裝置。
本實(shí)用新型的目的，是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。它由(一)非接觸式光學(xué)定位傳感頭。(二)傳感頭運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)定位控制器和(三)傳感頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。(一)在非接觸式光學(xué)定位傳感頭中，保護(hù)玻璃接受由激光器發(fā)出的激光束，經(jīng)其后面的擴(kuò)束透鏡、反光鏡、分光鏡及顯微物鏡，聚焦后射至定位基準(zhǔn)面上。在基準(zhǔn)面上產(chǎn)生的反射光，經(jīng)原顯微物鏡后由原分光鏡反射形成一束與激光束平行的光束，它經(jīng)由凸透鏡、凹透鏡匯聚到柱面鏡。在柱面鏡后設(shè)有四象限光電接收器，它可接收到激光光斑并進(jìn)行光電變換，隨著顯微物鏡與被測(cè)表面之間的距離變化，上述光斑的形狀也將發(fā)生變化。此光信號(hào)經(jīng)接收器光電變換及模擬運(yùn)算。放大后，輸出電壓信號(hào)V(X)。V(X)隨定位基準(zhǔn)面與顯微物鏡焦點(diǎn)相對(duì)位置X的改變而變化，其特性曲線(xiàn)如圖1所示。圖中X＜0表示物鏡焦點(diǎn)在定位基準(zhǔn)面之外，X＝0表示焦點(diǎn)在基準(zhǔn)面上，X＞0表示焦點(diǎn)在基準(zhǔn)之后。(二)傳感頭運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)定位控制器，其電原理圖如圖4所示，進(jìn)入控制器的信號(hào)V(X)分為三路；第一路產(chǎn)生傳感頭運(yùn)動(dòng)反向的控制信號(hào)；第二路產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的定位信號(hào)；第三路產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的變速信號(hào)。上述三路分別由三個(gè)可調(diào)比較限的遲滯比較器完成所需邏輯變換處理。其次，第一、第二路的輸出邏輯信號(hào)被送入數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)對(duì)其輸入的兩路不同邏輯信號(hào)的組合，輸出控制信號(hào)并送入控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器，以實(shí)現(xiàn)傳感頭的進(jìn)、退及停機(jī)定位。前述第三路的輸出送至V／F變換器，并使V／F變換器根據(jù)傳感頭的運(yùn)動(dòng)位置，給出兩種時(shí)鐘頻率送至上述環(huán)形分配器，從而控制傳感頭的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)傳感頭高速接近定位基準(zhǔn)面，繼而在低速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精確地定位。(三)傳感頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖5所示，傳感頭安裝在螺旋斜面微動(dòng)機(jī)構(gòu)的支承滑板上，滑板采用滾動(dòng)導(dǎo)軌以確保傳感頭微動(dòng)的靈敏性。運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，按前述控制邏輯運(yùn)行，且每步距角α°的傳感頭位移當(dāng)量為△X＝α°·p·k／360°，式中p為驅(qū)動(dòng)絲桿螺距，k為斜塊的斜度。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于①實(shí)現(xiàn)非接觸定位，避免定位基準(zhǔn)面的磨損或變形，特別適用于以工件自身作為定位基準(zhǔn)面的場(chǎng)合。②可在焦點(diǎn)定位。很多場(chǎng)合中要使運(yùn)動(dòng)件定位在光路的焦點(diǎn)上，此時(shí)根據(jù)本實(shí)用新型的定位技術(shù)，可將焦點(diǎn)之反射光引入本裝置(此時(shí)，則可省去本裝置之光源)完成定位。③定位控制自動(dòng)化程度高，定位穩(wěn)定可靠，④定位精度高。⑤自動(dòng)定位控制器能完成傳感頭減速后通過(guò)定位點(diǎn)，然后回復(fù)定位點(diǎn)的自動(dòng)定位，控制消除空程間隙對(duì)定位可靠性的影響。


如下圖1為V－X特性曲線(xiàn)圖圖2 光學(xué)定位傳感頭結(jié)構(gòu)原理圖圖3 高精度低漂移模擬運(yùn)算及放大電原理圖圖4 非接觸式精密自動(dòng)定位裝置自動(dòng)定位控制器電原理圖圖5 傳感頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)由以下一種實(shí)施例及有關(guān)附圖予以描述。
圖2所示為非接觸式光學(xué)定位傳感頭中實(shí)現(xiàn)象散原理檢測(cè)定位信號(hào)的一種光路結(jié)構(gòu)原理圖。由激光器1射出的激光束經(jīng)保護(hù)玻璃2、擴(kuò)束透鏡3至反光鏡4，反射光束通過(guò)分光鏡5進(jìn)入顯微物鏡6，經(jīng)聚焦射至定位基準(zhǔn)面7上并產(chǎn)生反射光束，該光束仍經(jīng)顯微物鏡6，在分光鏡5作反射，經(jīng)由凸透鏡8、凹透鏡9匯聚到柱面鏡10，在柱面鏡10的后面設(shè)有四個(gè)象限的光電接收器11，它使接收到的激光光斑直徑可在1.5毫米以上，并分四個(gè)象限分別進(jìn)行光電變換，使顯微透鏡6與被測(cè)表面7之間相對(duì)距離X的變化變?yōu)樗南笙薰怆娊邮掌?1接收到的光斑形狀的變化，從而改變四個(gè)象限內(nèi)的光電流。如圖3所示，圖中11即為上述四象限光電接收器，其中PIN1、PIN2、PIN3和PIN4分別為均布在四個(gè)象限的接收器，從四個(gè)象限輸出的光電流分別經(jīng)過(guò)A1、A2、A3和A4四個(gè)高精度低漂移微電流電壓放大器進(jìn)行放大，并分別經(jīng)低通濾波器B1、B2、B3和B4濾波，然后經(jīng)精密差動(dòng)放大器C1和C2進(jìn)入加法器D，它們使低通濾波后送出的電壓信號(hào)V1、V2、V3和V4完成下列運(yùn)算，并輸出電壓信號(hào)V(X)＝(V1－V2)＋(V3－V4)＝(V1＋V3)－(V2＋V4)。V(X)特性曲線(xiàn)如圖1所示，它是形成控制信號(hào)的依據(jù)，其反映傳感頭位置X變化的重復(fù)性精度可達(dá)0.03μm。圖4為傳感頭運(yùn)動(dòng)控制器電原理圖。圖中集成電路IC1、IC2和IC3為比較器，分別接成遲滯比較電路；IC4為跟隨器，起隔離作用；IC5為四位二通德數(shù)據(jù)選擇器；IC6為V／F變換器；IC7為YB014步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源部分，線(xiàn)圈A、B、C、D為步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)繞組。由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳感頭運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的精密螺旋斜面微動(dòng)裝置，構(gòu)成傳感頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖5(a)及5(b)所示。步進(jìn)電機(jī)12按前述控制器的要求回轉(zhuǎn)，通過(guò)聯(lián)軸節(jié)13帶動(dòng)精密絲桿14轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝在斜塊24上的精密螺母15將絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)樾眽K的移動(dòng)。斜塊在滑臺(tái)16和導(dǎo)向塊18構(gòu)成的導(dǎo)槽中移動(dòng)時(shí)，其斜面推動(dòng)滑板23沿精密滾珠軌道22移動(dòng)，導(dǎo)軌安裝在支架21上。傳感頭20安裝在滑板23上，隨滑板移動(dòng)，從而改變其與定位基準(zhǔn)面19的位置。位置17使滑板23與滑板24保持良好的接觸。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的螺旋機(jī)構(gòu)是可換式的，斜塊斜面的斜度為1／20，步進(jìn)電機(jī)步距角為0.9°，當(dāng)采用螺距為1毫米的螺旋機(jī)構(gòu)時(shí)，每步距角的傳感頭當(dāng)量位移△X＝0.125μm，定位精度達(dá)±0.0625μm。
權(quán)利要求1.一種精密自動(dòng)定位裝置，其特征為它由非接觸式光學(xué)定位傳感頭、傳感頭運(yùn)動(dòng)自動(dòng)定位控制器和傳感頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，所述非接觸式光學(xué)定位傳感頭，通過(guò)裝于其內(nèi)的四個(gè)象限的光電接收器(11)與傳感頭運(yùn)動(dòng)自動(dòng)定位控制器連接，該控制器內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與步進(jìn)電機(jī)(12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位裝置，其特征為非接觸式光學(xué)定位傳感頭中包括由激光器(1)發(fā)出的激光束作為光源，經(jīng)保護(hù)玻璃(2)和擴(kuò)束透鏡(3)，由反光鏡(4)反射至分光鏡(5)形成相互垂直的兩光束，一束光經(jīng)凸透鏡(8)、凹透鏡(9)、柱面鏡(10)進(jìn)入的象限光電接收器(11)，另一束光直接進(jìn)入顯微物鏡(6)。
專(zhuān)利摘要這種非接觸式的精密自動(dòng)定位裝置特別適用于調(diào)整機(jī)構(gòu)或位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精密自動(dòng)定位。它由非接觸式光學(xué)定位傳感頭、傳感頭運(yùn)動(dòng)自動(dòng)定位控制器和傳感頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，進(jìn)行非接觸式定位。其中，光學(xué)定位傳感頭由激光器、各種透鏡、反射鏡、分光鏡，顯微物鏡、柱面鏡和四象限光電接收器等組成。該裝置可避免定位基準(zhǔn)面的磨損或變形，定位控制用自動(dòng)化程度高，定位穩(wěn)定可靠，精度高，定位位置信號(hào)檢測(cè)重復(fù)精度為0.03μm。
文檔編號(hào)G01B21/02GK2110207SQ9122318
公開(kāi)日1992年7月15日 申請(qǐng)日期1991年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月13日
發(fā)明者楊曙光, 徐振高, 陳濤, 陳家璧, 李 柱 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)