黎 新 陳育榮 王生懷

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，湖北 十堰 442002)

0 引言

隨著精密加工及測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展，精密定位的問(wèn)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(duì)形貌的測(cè)量評(píng)定已由二維發(fā)展到三維，尺度也由微米發(fā)展到納米，測(cè)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(chǔ)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(tái)已成為各前沿學(xué)科的當(dāng)務(wù)之急。

本文所設(shè)計(jì)的精密三維位移工作臺(tái)可廣泛應(yīng)用于三維表面形貌的測(cè)量與評(píng)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(tái)相比，該精密三維位移工作臺(tái)具有高精度和大量程等優(yōu)點(diǎn)。它采用粗、精結(jié)合的定位機(jī)構(gòu)和自帶計(jì)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(tái)的結(jié)構(gòu)及原理

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

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

由圖1可知，工作臺(tái)由垂直掃描工作臺(tái)和X-Y二維工作臺(tái)組成，其中，垂直掃描工作臺(tái)被放置在X-Y二維工作臺(tái)之上。當(dāng)測(cè)量工件時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)控制二維工作臺(tái)的位移;同時(shí)，Z方向由伺服電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)垂直掃描工作臺(tái)，以實(shí)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(cè)垂直掃描工作臺(tái)的垂直位移量。因此，在表面形貌測(cè)量過(guò)程中，實(shí)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(tái)原理

垂直掃描工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

由圖2可知，計(jì)量型垂直掃描工作臺(tái)分為粗、精兩級(jí)驅(qū)動(dòng)。精驅(qū)動(dòng)由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行，粗驅(qū)動(dòng)由Z方向伺服電機(jī)和斜面導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)組成。粗、精兩級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間安裝有精密滾動(dòng)軸承，粗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能推動(dòng)精驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿直線導(dǎo)軌在垂直方向上運(yùn)動(dòng)。精、粗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組合位移量由Z方向的衍射光柵計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量［4－5］。定位時(shí)，首先由驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行粗定位驅(qū)動(dòng)，然后再驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷按一定的算法進(jìn)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(jī)的輸出為10000脈沖/轉(zhuǎn)，所以垂直位移為10 nm/步。粗、精驅(qū)動(dòng)的位移量均由計(jì)量衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)計(jì)量。衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)原理圖如圖3所示。

圖3 衍射光柵測(cè)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(jí)和－1級(jí)兩束衍射光，再通過(guò)置于兩側(cè)的直角棱鏡將+1級(jí)和－1級(jí)衍射光反射回光柵并匯聚于光柵上另一點(diǎn);經(jīng)過(guò)二次衍射后，(+1，+1)級(jí)和(－1，－1)級(jí)兩束衍射光將在垂直于X軸放置的光電探測(cè)器上形成干涉條紋。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，干涉條紋將發(fā)生相移，通過(guò)探測(cè)條紋的變化即可反映出物體的位移。衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)采用1200線/mm的計(jì)量衍射光柵，經(jīng)兩次衍射以及對(duì)信號(hào)的20細(xì)分，可達(dá)5 nm的分辨率。

1.2 X-Y二維工作臺(tái)

X-Y二維工作臺(tái)的控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 X-Y二維工作臺(tái)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(tái)的控制系統(tǒng)由目標(biāo)臺(tái)、精密陶瓷平板、伺服電機(jī)、衍射光柵位移傳感器、控制電路和計(jì)算機(jī)組成［6－7］。在X-Y工作臺(tái)的X方向，伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng);同時(shí)，在工作臺(tái)的另一端，計(jì)量光柵接收目標(biāo)臺(tái)的位移信號(hào)，由電路對(duì)計(jì)量光柵的輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分、辨向和計(jì)數(shù)處理。在軟件中計(jì)算出工作臺(tái)的實(shí)際位移后，將實(shí)際位移與目標(biāo)位移量進(jìn)行比較，采用二者之間的差值去控制步進(jìn)電機(jī)的精確定位。在X-Y工作臺(tái)中，Y方向的驅(qū)動(dòng)也與此相同。工作臺(tái)采用共運(yùn)動(dòng)基面設(shè)計(jì)，承載工件的工作臺(tái)在發(fā)生X、Y向移動(dòng)時(shí)，始終貼著陶瓷精密平板上表面運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)平面有較高的精度?？刂葡到y(tǒng)所采用的光柵尺(光柵測(cè)微傳感器)的測(cè)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(hào)處理電路

光柵信號(hào)處理電路示意圖如圖5所示。

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

垂直掃描工作臺(tái)采用衍射光柵位移傳感器，二維工作臺(tái)采用計(jì)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(hào)處理線路是相似的。

差分信號(hào)I1、I2與I3、I4由光電管探測(cè)器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)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(hào)A和B。一個(gè)周期方波信號(hào)對(duì)應(yīng)干涉條紋交替變化一次，對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的測(cè)量。對(duì)方波進(jìn)行倍頻細(xì)分，可提高測(cè)量的分辨率。由于工作臺(tái)可以在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，所以在進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮辨向的問(wèn)題。本系統(tǒng)所采用的四細(xì)分辨向電路中，輸入信號(hào)為具有90°相位差的兩路方波信號(hào)，這兩路信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過(guò)對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。辨向是根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)超前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。采用GAL16V8四細(xì)分后的分辨率為250 nm，但干涉條紋最后一個(gè)移動(dòng)信號(hào)往往不足1/4個(gè)周期，故利用12位A/D芯片AD574進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由計(jì)算機(jī)處理轉(zhuǎn)換的信號(hào)并計(jì)算獲得干涉條紋信號(hào)的瞬時(shí)相位θ。根據(jù)計(jì)數(shù)值N和瞬時(shí)相位角θ，即可得到工作臺(tái)的垂直位移為

2 工作臺(tái)的應(yīng)用及試驗(yàn)結(jié)果

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

采用接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭，分別對(duì)中國(guó)計(jì)量科學(xué)院檢定的標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度多刻線樣板進(jìn)行測(cè)量，三種不同樣板的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

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

對(duì)于樣板A05149儀器精度，測(cè)試其中一次的粗糙度曲線及評(píng)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(píng)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(cè)得值的相對(duì)誤差為0.19%。在同一位置反復(fù)測(cè)量5次后的結(jié)果表明，其示值誤差范圍為2%、示值變動(dòng)性＜2%。此外，用儀器對(duì)各種銅、鋁、鋼工件的表面進(jìn)行了測(cè)量，均取得了滿意的結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于垂直掃描的三維精密工作臺(tái)由一個(gè)自帶計(jì)量系統(tǒng)的二維工作臺(tái)和垂直掃描工作臺(tái)組成，具有高精度和大量程等優(yōu)點(diǎn)。垂直掃描工作臺(tái)采用伺服電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，目標(biāo)臺(tái)和衍射光柵連接，衍射光柵放置在工作臺(tái)的下方記錄位移;對(duì)于二維工作臺(tái)，目標(biāo)臺(tái)和陶瓷精密平板緊緊相連，以確保運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。自帶計(jì)量系統(tǒng)的三維精密工作臺(tái)可應(yīng)用于經(jīng)過(guò)改進(jìn)的接觸/非接觸三維表面形貌測(cè)量?jī)x。

［1］Holmes M，Hocken R，Trumper D.The long range scanning stage:a novel platform for scanned probe microscopy［J］.Precision Engineering，2000，24(3):191 －209.

［2］Holmes M L，Trumper D.Magnetic fluid bearing stage for atomic scale motion control［J］.Precision Engineering，1996，18(1):38 －49.

［3］Dong W P，Sullivan P J，Stout K J.Comprehensive study of parameters for characterization 3-dimensional surface topography［J］.Wear，1992，159(2):161－171.

［4］Wang Xuanze，Dong Xiaohua，Guo Jun，et al.Two-dimensional displacement sensing using a cross diffraction grating scheme［J］.Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2004，6(1):106 －111.

［5］Vilkomerson D，Lyons D，Chilipka T，et al.Diffraction-grating transducers［C］∥1997 IEEE Ultrasonics Symposium，1997:1691 －1694.

［6］廖艷春，謝鐵邦.一種計(jì)量型二維精密工作臺(tái)的研究［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20(5):122 －124.

［7］Wang Xuanze，Guo Jun，Xie Tiebang.Study of 2D displacement platformwith measurement standard instrument［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，2003，31(11):53 －54.

［8］Wang Z，Bryanston-Cross P J，Whitehouse D J.Phase difference determination by fringe pattern matching［J］.Optics ＆ Laser Technology，1996，28(6):417 －422.

［9］Groot P D E，Deck L.Surface profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial freqency domain［J］.Journal of Modern Optics，1995，42(2):389 －401.

［10］Chim S S C，Kino G S.Three-dimensional image realization in interference microscopy［J］.Applied Optics，1992，31(14):2550 －2553.