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交叉滾子軸承在高精密定位工作臺上的應用

[ 發布日期:2016-06-15 點擊:7437 來源:洛陽普瑞森軸承,交叉滾子軸承,機器人軸承,工業機器人軸承生產廠家 【打印此文】 【關閉窗口】]


    激光加工技術已成為工業生產自動化的關鍵技術,其擁有普通加工技術所不能比擬的優勢。例如激光加工為非接觸式加工、速度快、無噪聲、可實現各種復雜形狀的高精度加工目的,且無通常意義上的“刀具”磨損,無需更換“刀頭”。
    激光加工需要個優良的成像系統,用來輔助加工、測量、檢測,而調焦系統作為光電成像系統、機器視覺系統的關鍵裝置,在監控生產過程、檢測工況、地質遙感和軍事遙感等等方面都應用廣泛。無論哪個成像系統,都會遇到對焦的問題,如果僅依靠操作人員的主觀判斷來完成成像系統的調焦,很容易帶來定的人為誤差,而且自動化程度低。
    所謂自動對焦是指利用物體光反射的原理,將反射的光被結構上的傳感器接受,通過計算機處理,帶動電動對焦裝置進行對焦的方式叫自動對焦。隨著激光加工的迅速發展,自動對焦平臺受到人們的廣泛關注,并且,有些學者已經開始研究大行程自動對焦平臺。
    由廣東工業大學發明的利基于多平臺的超精密自動對焦系統,采用激光自動對焦系統與傳感器相結合,在Z方向上有大行程精密調節機構,調節范圍是100μm,重復定位精度是6nm,它是基于電子、機械裝置以及圖像處理等手段設計的自動對焦的裝置,可實現快速對焦,但是程序繁瑣。李光儀器廠改造的顯微鏡平臺,其控制系統能實現載物臺的三維驅動,但是,平臺不能實現精確定位,重復性差,實際操作不方便,并且未提供自動搜索、聚焦功能。南京航空航天大學在NHIS金相圖像自動分析系統中采用步進電機控制載物臺,提出并實現了灰度直方圖梯度自動聚焦算法。清華大學等單位研制的線寬測量儀,在顯微系統的設計上采用了偏心光束法,其調焦范圍為10μm,調焦精度達到了1.9nm。
    與已有技術相比,該平臺的光學對焦理論以激光三角法為基礎,這是典型的非接觸式測量,不需要計算機的對比計算,這也是該機構精度大、誤差小的原因之。在驅動方式上采用雙聯驅動方案,就是將兩種或者兩種以上的驅動方案同時使用,并對他們進行相應的并聯控制。這樣可以使平臺具有較大的行程與很高的精度。
    1整體結構的設計
    該平臺由動力元件、傳動元件、對焦平臺、光學元件、平臺支架五部分組成。其中動力元件由采用伺服電機系統與微動系統的雙聯控制系統組成,大行程運動由伺服電機驅動,微細運動是由壓電陶瓷與柔性鉸鏈構成,傳動元件由滾珠絲杠系統構成,光學元件是指激光發射及接收的鏡頭組,在鏡頭組中有兩個透鏡和個激光發射器,支架是包括支撐桿在內的外部結構框架。如圖1所示是平臺的整體結構圖。

精密定位工作臺整體結構

    其對焦工作原理是:當工作臺的位置恰好在激光焦點處,則平臺不動,如果平臺不在焦點位置時,這時電機在傳感器驅動下帶動滾珠絲杠轉動,從而帶動平臺上下移動,當平臺在焦點附近細小距離時,壓電陶瓷開始利用逆壓電應驅動平臺微量位移,每次對焦完成后,光學鏡頭組接收到的光信號通過傳感器傳遞給報警器,引起報警。
    1.1微位移運動機構的設計
    常規電機驅動對焦時電機轉動時存在震動,硬件驅動鏡頭移動時,存在延時,很難滿足精密對焦的要求。該平臺結構使用壓電或電致伸縮器件驅動,由于機電應進行的速度很快,來不及與外界熱交換,因此不存在發熱問題,同時沒有噪聲,適用于各種介質環境工作,是種理想的微位移器。
    微位移機構是指行程小(般小于毫米)、靈敏度高和精度高的機構,是微定位系統的核心部分,也是該平臺機構的重要組成部分之。它由微位移驅動器和執行器兩部分組成。微位移機構由壓電陶瓷和柔性鉸鏈連接構成。微位移驅動器根據工作原理可以分為六大類,概括為:機械傳動、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷。壓電/電致伸縮陶瓷驅動的柔性支承微位移機構是利用某些晶體的逆壓電應來工作的,它的點是體積很小,結構緊湊,無間隙,無機械摩擦,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模型。

壓電陶瓷和柔性鉸鏈

    1.2支撐機構的設計
    傳統的主傳動軸的支撐是由傳統的軸承構成,如推力軸承(主傳動軸豎直時),角接觸球軸承(主傳動軸水平時),這些傳統的軸承性能在工作條件優良時比較穩定,但是在受力不均時性能不穩定,由于在周期性不均勻載荷作用下,軸承磨損劇烈,壽命短,需要經常更換。該機構中采用交叉滾子軸承,其優點很多,由于滾柱為交叉排列,因此只用套交叉滾柱軸環就可承受各個方向的負荷,與傳統型號相比,剛性提高3~4倍。同時,因交叉滾子軸承內圈或外圈是兩分割的構造,軸承間隙可調整,即使被施加預載,也能獲得高精度的旋轉運動。圖4是交叉滾子軸承的內部結構圖。

交叉滾子軸承內部結構

    1.3自動對焦系統及其工作原理
    常規的激光對焦方法包括燒斑法、紅外攝像法、小孔成像法。但這些方法精度不夠高,容易產生誤對焦,且率低,很難滿足快速高精度的要求。激光三角法作為目前種非常重要的非接觸式測量方法,廣泛運用于物體位移、厚度和三維面形等方面的測量。
    并且能夠避免硬件驅動的延時應。

斜光學入射法
5 斜光學入射法

    對焦方法部分引用利基于多平臺的超精密對焦系統的原理,如圖5所示為激光斜三角入射法原理圖。在斜光學入射法中,入射光線與被測物體表面法線成夾角θ。激光光束沿平行于透鏡L的方向入射到具有定粗糙度的M平面上(即在加工時的工件表面)的點A,由被測物面漫反射后,不再有確定的方向,經過接收透鏡L會聚后將光點A成像在平行于透鏡的維PSD面上的點A'。通過透鏡成像可以準確地計算出光點的位置。假設光束i與透鏡的主光軸相交于位于M平面上的點O,稱M平面為零參考平面,點O在像屏上的像點是點O'。根據三角形相似原理,可以從點O'與點A'的位移計算出物體上點A相對于零參考平面M的位移量。

圖 6 激光發射接收鏡頭組
6 激光發射接收鏡頭組

    光學鏡頭組如圖 6 所示, 就是應用光學三角法的成像反射, 工作原理是: 從激光發射器 1 發射出來的800 nm 光束經過遮光片 2 擋去了半, 剩下的光束在聚焦鏡 4 的作用下變為平行光, 通過主光軸后經過半透鏡 5 的反射投射到被檢測的物體表面。通過物鏡的聚焦作用,如果系統對焦完成,激光剛好在被測物體表面聚焦。聚焦后的光束,在被測物體的表面發生了反射,反射光線經過聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測屏3上,如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點處,投影在CCD檢測屏上的就是個光點;如果被檢測物體處于聚焦點的上方,在檢測屏就會檢測到個右半圓的光斑,反之出現個左半圓的光斑。
    對焦系統運用光學三角對焦原理,在顯微鏡的鏡筒側面增加了個包含有激光發射和激光接受裝置的光學回路。聚焦后的光束,在被測物體的表面發生了反射,反射光線經過聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測屏上,如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點處,投影在CCD檢測屏上的就是個光點;如果被檢測物體處于聚焦點的上方,在檢測屏就會檢測到個右半圓的光斑,反之出現個左半圓的光斑。
    假設可見光獲得清晰的圖像時,激光剛好在被檢測物體表面聚焦,如果系統發生離焦,CCD檢測到個半圓的光斑,其中離焦量和光斑的直徑大小成線性關系。系統上離焦時,產生上半圓;當下離焦時,產生下半圓。系統的聚焦原理是通過檢測投射到CCD傳感器形成個半圓狀的光斑,系統通過檢測的是上半圓還是下半圓可以辨別對焦系統處于上離焦還是下離焦。通過光電傳感器的3個LED燈分別代表光斑所在的位置,如圖7所示。

光斑上下離焦和聚焦成像原理
7 光斑上下離焦和聚焦成像原理

    該平臺屬精密儀器使用時無噪聲,為防止誤傷,平臺上設有蜂鳴報警器和LED提示燈,如圖8。當對焦系統處于上下離焦狀態時,受傳感器作用,對應的LED燈綠色燈閃爍,蜂鳴器直鳴叫;當對焦系統恰好位于或者經過對焦后調節到焦點位置時,LED燈綠色燈熄滅,同時紅色    燈開始閃爍,蜂鳴器提示音變成脈沖間斷的,頻率和LED燈的頻率相同。

焦點位置指示燈
8 焦點位置指示燈

    隨著科學技術的不斷進步和發展,高精度/高速度的微進給技術已經廣泛應用于生物科技、精密儀器制造、工業在線檢測、航空航天、自動加工生產等域。自動對焦技術是各種成像系統、計算機機器視覺和精密儀器中的關鍵技術之。
    文中提出了種大行程高精度精密對焦平臺,設計了工作平臺的整個機構系統,闡述了對焦平臺的行程和精度的設計,給出了自動對焦的實現過程,確定了采用三角法作為大行程納米精密對焦系統的設計基礎。在這基礎上綜合運用壓電陶瓷的逆壓電應,作為微位移驅動器,實現大行程自動精密對焦,該平臺結構的設計為自動對焦技術提供種大行程的可行方案。

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