一種新型三維精密工作臺的設(shè)計與應(yīng)用

黎 新 陳育榮 王生懷

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程系，湖北 十堰 442002)

0 引言

隨著精密加工及測試技術(shù)的迅速發(fā)展，精密定位的問題變得至關(guān)重要［1－2］。為更深入地研究物體表面形貌的特性與功能，對形貌的測量評定已由二維發(fā)展到三維，尺度也由微米發(fā)展到納米，測量范圍由小面積向大面積發(fā)展［3］。此外，微加工、微操作、微存儲也希望有盡可能大的工作范圍，以提高裝備的功能與效率。因此，研究大量程精密定位工作臺已成為各前沿學(xué)科的當(dāng)務(wù)之急。

本文所設(shè)計的精密三維位移工作臺可廣泛應(yīng)用于三維表面形貌的測量與評定、精密及超精密加工和半導(dǎo)體光刻等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的二維及三維工作臺相比，該精密三維位移工作臺具有高精度和大量程等優(yōu)點。它采用粗、精結(jié)合的定位機構(gòu)和自帶計量系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向(Z方向)的大量程位移掃描和水平方向(X-Y方向)的精確定位。

1 工作臺的結(jié)構(gòu)及原理

自帶計量系統(tǒng)的三維位移工作臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維位移工作臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the 3D displacement workbench

由圖1可知，工作臺由垂直掃描工作臺和X-Y二維工作臺組成，其中，垂直掃描工作臺被放置在X-Y二維工作臺之上。當(dāng)測量工件時，閉環(huán)控制系統(tǒng)控制二維工作臺的位移;同時，Z方向由伺服電機和壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動垂直掃描工作臺，以實現(xiàn)垂直方向上的精確定位。衍射光柵位移傳感器用于探測垂直掃描工作臺的垂直位移量。因此，在表面形貌測量過程中，實現(xiàn)了X-Y方向的精度定位和Z方向的垂直掃描。

1.1 垂直掃描工作臺原理

垂直掃描工作臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 垂直掃描工作臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the vertical scanning workbench

由圖2可知，計量型垂直掃描工作臺分為粗、精兩級驅(qū)動。精驅(qū)動由壓電陶瓷驅(qū)動器執(zhí)行，粗驅(qū)動由Z方向伺服電機和斜面導(dǎo)軌機構(gòu)組成。粗、精兩級驅(qū)動機構(gòu)之間安裝有精密滾動軸承，粗驅(qū)動機構(gòu)能推動精驅(qū)動機構(gòu)沿直線導(dǎo)軌在垂直方向上運動。精、粗驅(qū)動機構(gòu)的組合位移量由Z方向的衍射光柵計量系統(tǒng)進行計量［4－5］。定位時，首先由驅(qū)動電機進行粗定位驅(qū)動，然后再驅(qū)動壓電陶瓷按一定的算法進行精確定位。

斜面導(dǎo)軌的斜度為1∶10，升程為10 mm;絲杠螺距為1 mm;伺服電機的輸出為10000脈沖/轉(zhuǎn)，所以垂直位移為10 nm/步。粗、精驅(qū)動的位移量均由計量衍射光柵測量系統(tǒng)計量。衍射光柵測量系統(tǒng)光學(xué)原理圖如圖3所示。

圖3 衍射光柵測量系統(tǒng)光學(xué)原理圖Fig.3 Optical principle of the diffraction grating measurement system

由圖3可知，激光器發(fā)出的光入射到反射光柵，經(jīng)反射光柵一次衍射后形成+1級和－1級兩束衍射光，再通過置于兩側(cè)的直角棱鏡將+1級和－1級衍射光反射回光柵并匯聚于光柵上另一點;經(jīng)過二次衍射后，(+1，+1)級和(－1，－1)級兩束衍射光將在垂直于X軸放置的光電探測器上形成干涉條紋。當(dāng)光柵移動時，干涉條紋將發(fā)生相移，通過探測條紋的變化即可反映出物體的位移。衍射光柵測量系統(tǒng)采用1200線/mm的計量衍射光柵，經(jīng)兩次衍射以及對信號的20細分，可達5 nm的分辨率。

1.2 X-Y二維工作臺

X-Y二維工作臺的控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 X-Y二維工作臺控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of the X-Y 2D workbench

由圖4可知，X-Y二維工作臺的控制系統(tǒng)由目標(biāo)臺、精密陶瓷平板、伺服電機、衍射光柵位移傳感器、控制電路和計算機組成［6－7］。在X-Y工作臺的X方向，伺服電機通過聯(lián)軸節(jié)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動工作臺移動;同時，在工作臺的另一端，計量光柵接收目標(biāo)臺的位移信號，由電路對計量光柵的輸出信號進行細分、辨向和計數(shù)處理。在軟件中計算出工作臺的實際位移后，將實際位移與目標(biāo)位移量進行比較，采用二者之間的差值去控制步進電機的精確定位。在X-Y工作臺中，Y方向的驅(qū)動也與此相同。工作臺采用共運動基面設(shè)計，承載工件的工作臺在發(fā)生X、Y向移動時，始終貼著陶瓷精密平板上表面運動，使運動平面有較高的精度?？刂葡到y(tǒng)所采用的光柵尺(光柵測微傳感器)的測量范圍為0～50 mm，柵距為20 nm，其4倍頻脈沖分辨率為 5 μm。

1.3 光柵信號處理電路

光柵信號處理電路示意圖如圖5所示。

圖5 光柵信號處理電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the grating signal processing circuit

垂直掃描工作臺采用衍射光柵位移傳感器，二維工作臺采用計量光柵位移傳感器，其都基于莫爾光柵條紋原理。因此，其信號處理線路是相似的。

差分信號I1、I2與I3、I4由光電管探測器產(chǎn)生，經(jīng)過前置放大和整形處理后變?yōu)閮陕废嗖顬?0°的雙向正交方波信號A和B。一個周期方波信號對應(yīng)干涉條紋交替變化一次，對方波進行計數(shù)，可實現(xiàn)對位置的測量。對方波進行倍頻細分，可提高測量的分辨率。由于工作臺可以在正、反兩個方向移動，所以在進行計數(shù)和細分電路設(shè)計時，要綜合考慮辨向的問題。本系統(tǒng)所采用的四細分辨向電路中，輸入信號為具有90°相位差的兩路方波信號，這兩路信號在一個周期內(nèi)具有兩個上升沿和兩個下降沿，通過對邊沿的處理實現(xiàn)四細分。辨向是根據(jù)兩路方波相位的相對超前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。采用GAL16V8四細分后的分辨率為250 nm，但干涉條紋最后一個移動信號往往不足1/4個周期，故利用12位A/D芯片AD574進行轉(zhuǎn)換，再由計算機處理轉(zhuǎn)換的信號并計算獲得干涉條紋信號的瞬時相位θ。根據(jù)計數(shù)值N和瞬時相位角θ，即可得到工作臺的垂直位移為

2 工作臺的應(yīng)用及試驗結(jié)果

課題組已成功將該精密三維位移工作臺應(yīng)用于三維表面形貌的測量與評定中，取得了良好的測量效果。傳統(tǒng)的輪廓儀存在測量精度及量程有限等缺點，而使用精密三維位移工作臺的三維表面形貌測量儀，在測量量程增大時仍能獲得較高的測量精度，并有效地減小了測量力［9－10］。

采用接觸式測頭和非接觸式測頭，分別對中國計量科學(xué)院檢定的標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度多刻線樣板進行測量，三種不同樣板的測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 不同樣板測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of different models

對于樣板A05149儀器精度，測試其中一次的粗糙度曲線及評定結(jié)果分別如圖6和表2所示。

圖6 樣板A05149的粗糙度曲線Fig.6 Roughness curve of model A05149

表2 樣板A05149粗糙度評定結(jié)果Tab.2 Evaluation results of model A05149 roughness

其中，樣板的標(biāo)準(zhǔn)值為Ra=4.08 μm，測得值的相對誤差為0.19%。在同一位置反復(fù)測量5次后的結(jié)果表明，其示值誤差范圍為2%、示值變動性＜2%。此外，用儀器對各種銅、鋁、鋼工件的表面進行了測量，均取得了滿意的結(jié)果。

3 結(jié)束語

基于垂直掃描的三維精密工作臺由一個自帶計量系統(tǒng)的二維工作臺和垂直掃描工作臺組成，具有高精度和大量程等優(yōu)點。垂直掃描工作臺采用伺服電機和壓電陶瓷驅(qū)動器來實現(xiàn)精確定位，目標(biāo)臺和衍射光柵連接，衍射光柵放置在工作臺的下方記錄位移;對于二維工作臺，目標(biāo)臺和陶瓷精密平板緊緊相連，以確保運動平穩(wěn)性。自帶計量系統(tǒng)的三維精密工作臺可應(yīng)用于經(jīng)過改進的接觸/非接觸三維表面形貌測量儀。

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