一種大行程自動(dòng)對(duì)焦的激光輔助加工平臺(tái)

李從生，馮薇薇，彭寧，王延深

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，山東威海 264209)

0 前言

激光加工技術(shù)已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，其擁有普通加工技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。例如激光加工為非接觸式加工、速度快、無(wú)噪聲、可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形狀的高精度加工目的，且無(wú)通常意義上的“刀具”磨損，無(wú)需更換“刀頭”。

激光加工需要一個(gè)優(yōu)良的成像系統(tǒng)，用來(lái)輔助加工、測(cè)量、檢測(cè)，而調(diào)焦系統(tǒng)作為光電成像系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，在監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程、檢測(cè)工況、地質(zhì)遙感和軍事遙感等等方面都應(yīng)用廣泛。無(wú)論哪個(gè)成像系統(tǒng)，都會(huì)遇到對(duì)焦的問(wèn)題，如果僅依靠操作人員的主觀判斷來(lái)完成成像系統(tǒng)的調(diào)焦，很容易帶來(lái)一定的人為誤差，而且自動(dòng)化程度低。

所謂自動(dòng)對(duì)焦是指利用物體光反射的原理，將反射的光被結(jié)構(gòu)上的傳感器接受，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，帶動(dòng)電動(dòng)對(duì)焦裝置進(jìn)行對(duì)焦的方式叫自動(dòng)對(duì)焦。隨著激光加工的迅速發(fā)展，自動(dòng)對(duì)焦平臺(tái)受到人們的廣泛關(guān)注，并且，有些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究大行程自動(dòng)對(duì)焦平臺(tái)［1-4］。

由廣東工業(yè)大學(xué)發(fā)明的專利基于多平臺(tái)的超精密自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)［5］，采用激光自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)與傳感器相結(jié)合，在Z方向上有大行程精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍是100 μm，重復(fù)定位精度是6 nm，它是基于電子、機(jī)械裝置以及圖像處理等手段設(shè)計(jì)的自動(dòng)對(duì)焦的裝置，可實(shí)現(xiàn)快速對(duì)焦，但是程序繁瑣。江光儀器廠［3］改造的顯微鏡平臺(tái)，其控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的三維驅(qū)動(dòng)，但是，平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)精確定位，重復(fù)性差，實(shí)際操作不方便，并且未提供自動(dòng)搜索、聚焦功能。南京航空航天大學(xué)［4］在NHIS金相圖像自動(dòng)分析系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)控制載物臺(tái)，提出并實(shí)現(xiàn)了灰度直方圖梯度自動(dòng)聚焦算法。清華大學(xué)等［6］單位研制的線寬測(cè)量?jī)x，在顯微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了偏心光束法，其調(diào)焦范圍為10 μm，調(diào)焦精度達(dá)到了1.9 nm。

與已有技術(shù)相比，該平臺(tái)的光學(xué)對(duì)焦理論以激光三角法為基礎(chǔ)，這是典型的非接觸式測(cè)量，不需要計(jì)算機(jī)的對(duì)比計(jì)算，這也是該機(jī)構(gòu)精度大、誤差小的原因之一。在驅(qū)動(dòng)方式上采用雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)方案，就是將兩種或者兩種以上的驅(qū)動(dòng)方案同時(shí)使用，并對(duì)他們進(jìn)行相應(yīng)的并聯(lián)控制。這樣可以使平臺(tái)具有較大的行程與很高的精度。

1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該平臺(tái)由動(dòng)力元件、傳動(dòng)元件、對(duì)焦平臺(tái)、光學(xué)元件、平臺(tái)支架五部分組成。其中動(dòng)力元件由采用伺服電機(jī)系統(tǒng)與微動(dòng)系統(tǒng)的雙聯(lián)控制系統(tǒng)組成，大行程運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微細(xì)運(yùn)動(dòng)是由壓電陶瓷與柔性鉸鏈構(gòu)成，傳動(dòng)元件由滾珠絲杠系統(tǒng)構(gòu)成，光學(xué)元件是指激光發(fā)射及接收的鏡頭組，在鏡頭組中有兩個(gè)透鏡和一個(gè)激光發(fā)射器，支架是包括支撐桿在內(nèi)的外部結(jié)構(gòu)框架。如圖1所示是平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

其對(duì)焦工作原理是:當(dāng)工作臺(tái)的位置恰好在激光焦點(diǎn)處，則平臺(tái)不動(dòng)，如果平臺(tái)不在焦點(diǎn)位置時(shí)，這時(shí)電機(jī)在傳感器驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)，當(dāng)平臺(tái)在焦點(diǎn)附近細(xì)小距離時(shí)，壓電陶瓷開(kāi)始利用逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)微量位移，每次對(duì)焦完成后，光學(xué)鏡頭組接收到的光信號(hào)通過(guò)傳感器傳遞給報(bào)警器，引起報(bào)警。

1.1 微位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

常規(guī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)焦時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在震動(dòng)，硬件驅(qū)動(dòng)鏡頭移動(dòng)時(shí)，存在延時(shí)，很難滿足精密對(duì)焦的要求。該平臺(tái)結(jié)構(gòu)使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)電效應(yīng)進(jìn)行的速度很快，來(lái)不及與外界熱交換，因此不存在發(fā)熱問(wèn)題，同時(shí)沒(méi)有噪聲，適用于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是一種理想的微位移器。

微位移機(jī)構(gòu)是指行程小 (一般小于毫米級(jí))、靈敏度高和精度高的機(jī)構(gòu)，是微定位系統(tǒng)的核心部分，也是該平臺(tái)機(jī)構(gòu)的重要組成部分之一。它由微位移驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器兩部分組成。微位移機(jī)構(gòu)由壓電陶瓷和柔性鉸鏈連接構(gòu)成。微位移驅(qū)動(dòng)器［7］根據(jù)工作原理可以分為六大類，概括為:機(jī)械傳動(dòng)、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷。壓電/電致伸縮陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性支承微位移機(jī)構(gòu)是利用某些晶體的逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的，它的特點(diǎn)是體積很小，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)間隙，無(wú)機(jī)械摩擦，具有很高的位移分辨率。常用的微位移器有如圖2所示為壓電陶瓷和柔性鉸鏈的連接圖，圖3為壓電陶瓷與柔性鉸鏈連接的力學(xué)模型。

圖2 壓電陶瓷和柔性鉸鏈的連接圖

圖3 壓電陶瓷與柔性鉸鏈連接的力學(xué)模型

1.2 支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的主傳動(dòng)軸的支撐是由傳統(tǒng)的軸承構(gòu)成，如推力軸承 (主傳動(dòng)軸豎直時(shí))，角接觸球軸承 (主傳動(dòng)軸水平時(shí))，這些傳統(tǒng)的軸承性能在工作條件優(yōu)良時(shí)比較穩(wěn)定，但是在受力不均時(shí)性能不穩(wěn)定，由于在周期性不均勻載荷作用下，軸承磨損劇烈，壽命短，需要經(jīng)常更換。該機(jī)構(gòu)中采用交叉滾子軸承，其優(yōu)點(diǎn)很多，由于滾柱為交叉排列，因此只用一套交叉滾柱軸環(huán)就可承受各個(gè)方向的負(fù)荷，與傳統(tǒng)型號(hào)相比，剛性提高3～4倍。同時(shí)，因交叉滾子軸承內(nèi)圈或外圈是兩分割的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整，即使被施加預(yù)載，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖4是交叉滾子軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 交叉滾子軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3 自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)及其工作原理

常規(guī)的激光對(duì)焦方法包括燒斑法、紅外攝像法、小孔成像法。但這些方法精度不夠高，容易產(chǎn)生誤對(duì)焦，且效率低，很難滿足快速高精度的要求。激光三角法作為目前一種非常重要的非接觸式測(cè)量方法，廣泛運(yùn)用于物體位移、厚度和三維面形等方面的測(cè)量。并且能夠避免硬件驅(qū)動(dòng)的延時(shí)效應(yīng)。

對(duì)焦方法部分引用專利基于多平臺(tái)的超精密對(duì)焦系統(tǒng)［3］的原理，如圖5所示為激光斜三角入射法原理圖。在斜光學(xué)入射法中，入射光線與被測(cè)物體表面法線成一夾角θ。激光光束沿平行于透鏡L的方向入射到具有一定粗糙度的M平面上 (即在加工時(shí)的工件表面)的點(diǎn)A，由被測(cè)物面漫反射后，不再有確定的方向，經(jīng)過(guò)接收透鏡L會(huì)聚后將光點(diǎn)A成像在平行于透鏡的一維PSD面上的點(diǎn)A'。通過(guò)透鏡成像可以準(zhǔn)確地計(jì)算出光點(diǎn)的位置。假設(shè)光束i與透鏡的主光軸相交于位于M平面上的點(diǎn)O，稱M平面為零參考平面，點(diǎn)O在像屏上的像點(diǎn)是點(diǎn)O'。根據(jù)三角形相似原理，可以從點(diǎn)O'與點(diǎn)A'的位移計(jì)算出物體上點(diǎn)A相對(duì)于零參考平面M的位移量。

圖5 斜光學(xué)入射法

光學(xué)鏡頭組如圖6所示，就是應(yīng)用光學(xué)三角法的成像反射，工作原理是:從激光發(fā)射器1發(fā)射出來(lái)的800 nm光束經(jīng)過(guò)遮光片2擋去了一半，剩下的光束在聚焦鏡4的作用下變?yōu)槠叫泄猓ㄟ^(guò)主光軸后經(jīng)過(guò)半透鏡5的反射投射到被檢測(cè)的物體表面。通過(guò)物鏡的聚焦作用，如果系統(tǒng)對(duì)焦完成，激光剛好在被測(cè)物體表面聚焦。聚焦后的光束，在被測(cè)物體的表面發(fā)生了反射，反射光線經(jīng)過(guò)聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測(cè)屏3上，如果被檢測(cè)物體表面剛好處于聚焦點(diǎn)處，投影在CCD檢測(cè)屏上的就是一個(gè)光點(diǎn);如果被檢測(cè)物體處于聚焦點(diǎn)的上方，在檢測(cè)屏就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)右半圓的光斑，反之出現(xiàn)一個(gè)左半圓的光斑。

圖6 激光發(fā)射接收鏡頭組

對(duì)焦系統(tǒng)運(yùn)用光學(xué)三角對(duì)焦原理［8-10］，在顯微鏡的鏡筒側(cè)面增加了一個(gè)包含有激光發(fā)射和激光接受裝置的光學(xué)回路。聚焦后的光束，在被測(cè)物體的表面發(fā)生了反射，反射光線經(jīng)過(guò)聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測(cè)屏上，如果被檢測(cè)物體表面剛好處于聚焦點(diǎn)處，投影在CCD檢測(cè)屏上的就是一個(gè)光點(diǎn);如果被檢測(cè)物體處于聚焦點(diǎn)的上方，在檢測(cè)屏就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)右半圓的光斑，反之出現(xiàn)一個(gè)左半圓的光斑。

假設(shè)可見(jiàn)光獲得最清晰的圖像時(shí)，激光剛好在被檢測(cè)物體表面聚焦，如果系統(tǒng)發(fā)生離焦，CCD檢測(cè)到一個(gè)半圓的光斑，其中離焦量和光斑的直徑大小成線性關(guān)系。系統(tǒng)上離焦時(shí)，產(chǎn)生上半圓;當(dāng)下離焦時(shí)，產(chǎn)生下半圓。系統(tǒng)的聚焦原理是通過(guò)檢測(cè)投射到CCD傳感器形成一個(gè)半圓狀的光斑，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)的是上半圓還是下半圓可以辨別對(duì)焦系統(tǒng)處于上離焦還是下離焦。通過(guò)光電傳感器的3個(gè)LED燈分別代表光斑所在的位置，如圖7所示。

圖7 光斑上下離焦和聚焦成像原理

該平臺(tái)屬精密儀器使用時(shí)無(wú)噪聲，為防止誤傷，平臺(tái)上設(shè)有蜂鳴報(bào)警器和LED提示燈，如圖8。當(dāng)對(duì)焦系統(tǒng)處于上下離焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，受傳感器作用，對(duì)應(yīng)的LED燈綠色燈閃爍，蜂鳴器一直鳴叫;當(dāng)對(duì)焦系統(tǒng)恰好位于或者經(jīng)過(guò)對(duì)焦后調(diào)節(jié)到焦點(diǎn)位置時(shí)，LED燈綠色燈熄滅，同時(shí)紅色燈開(kāi)始閃爍，蜂鳴器提示音變成脈沖間斷的，頻率和LED燈的頻率相同。

圖8 焦點(diǎn)位置指示燈

2 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，高精度/高速度的微進(jìn)給技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物科技、精密儀器制造、工業(yè)在線檢測(cè)、航空航天、自動(dòng)加工生產(chǎn)等領(lǐng)域。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)是各種成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)和精密儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

文中提出了一種大行程高精度精密對(duì)焦平臺(tái)，設(shè)計(jì)了工作平臺(tái)的整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，闡述了對(duì)焦平臺(tái)的行程和精度的設(shè)計(jì)，給出了自動(dòng)對(duì)焦的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，確定了采用三角法作為大行程納米級(jí)精密對(duì)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在這基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，作為微位移驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)大行程自動(dòng)精密對(duì)焦，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)提供一種大行程的可行方案。

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