基于显微视觉的宏/微双重驱动微动台的自动标定

　　由于MEMS(微机电系统)、生物医学工程、精密光学工程和超精密加工等领域的快速发展,迫切需要能够在亚微米级,甚至在纳米级尺度上进行精密定位的系统及装备,各种大行程精密定位系统应运而生。针对上述情况,在20世纪80年代中后期,国内外学者相继提出了宏/微双重驱动微操作系统的初步想法[1-2]。经过近20年的探索,证明了宏/微双重驱动微操作系统在很多方面的性能优于传统的采用单一驱动方式的微操作系统。是目前实现大行程、高精度定位的一种有效手段[3-5]。

　　微操作是许多尖端科技领域中的关键技术,其共同特点是:被操作对象外形尺寸十分微小(一般为微米级甚至纳米级),这就要求操作手具有很高的运动精度和分辨率。为实现高精度,许多特殊的驱动器和机构形式被采用。但由于微操作机构的结构特点和对精度的过高要求,很难找到理想的标定方法和仪器。即使标定实验中得到了满意的结果,但由于机构重力以及温度等环境因素的影响,随着时间的推移,机构结构参数会发生微小变化,进而导致运动模型发生变化。为了方便研究和使用,微动机构经常采用简化的运动学模型,以及经常更换操作工具(如在一次细胞操作中需多次更换注射针),这些都会导致运动模型不准确。为补偿这一误差,视觉反馈控制是一个好的选择。同时,视觉系统为微操作提供了必不可少的微观世界的观察手段[6-7]。但是,利用视觉伺服控制的时候,不可避免地会涉及到系统的标定问题,宏观条件下的标定技术不适合于微操作系统的标定。

　　作者对自行研制的一种宏/微双驱动精密定位微动台系统进行了自动标定的研究。针对上面提到的标定困难的问题,利用微动台自身的结构器件对微动台进行标定。该微动台的宏动部分采用混合式步进电机、滚珠丝杠组成;微动部分由压电驱动器构成,显微镜头、CCD、图像采集卡构成视觉位置传感器。兼备混合式步进电机的大行程和压电陶瓷响应快、位移分辨率高等优点,微动部分的压电微驱动器可实现亚微米级的分辨率和定位精度,通过标定后缩短了系统运行的稳定时间。

　　1　微动台的组成与控制

　　1.1　宏动部分的组成与控制

　　宏动部分即宏动台由精密级滚珠丝杠副组成,由混合式步进电机直接驱动。在XYZ三个方向各有一个电机和一个丝杠驱动执行系统组成,分别实现上下、纵向、横向三种运动。这种传动形式适于工作行程较大的情况。

　　将输入信号的电源正极连接到混合式步进电机驱动器公共端子上,控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效,此时对应的内部光耦导通,控制信号输入驱动器中,并驱动电机运行一步,信号响应频率为15 kHz,图1为电机驱动器与电机的连接图。