一种计量型二维精密工作台的研究

　　表面三维形貌检测是获取零件表面形貌特征的一种重要手段,也是记录、比较和复制物体表面形貌特征的基础,它在机器视觉、自动加工、工业检测、产品质量控制、生物和医学等领域具有重要意义和广阔的应用前景.对于粗糙度等参数的测量,只要求垂直方向的精度,而对于表面轮廓的三维测量则不同,既要求垂直方向的精确测量,还要求水平X-Y方向的精确定位,这样才能真实地测量出表面的基本轮廓.为此,研究运动平面度与精度高的二维位移工作台是表面形貌测量与评定的基础.

　　目前,开环和半闭环的工作台依据其较高的加工精度和良好的性能价格比获得了大量应用,但由于存在开环环节,使得定位精度的进一步提高受到了限制[1].对于开环和半闭环的工作台系统,其定位精度主要靠提高进给丝杠及导轨等构件的精度.但是,丝杠总是存在制造误差,而且会随着使用发生磨损,因此,就需要采用全闭环控制来解决.为此本文研制了一种新型的精密二维位移工作台,利用计量光栅为计量标准器,对工作台两个方向的位移进行实时采集测量,既不受其他中间环节的影响,还满足了实际测量中大行程与高精度的要求.

　　1 计量型控制系统的原理与结构

　　X-Y工作台的闭环控制系统由X-Y工作台、步进电机、光栅尺、控制电路和计算机组成.如图1所示,在X-Y工作台的X方向,步进电机通过联轴节带动丝杠旋转,驱动工作台移动;同时在工作台的另一端,计量光栅的测杆接收到工作台的位移信号,控制电路对计量光栅的输出信号进行细分、辨向和计数处理;在软件中计算出工作台的实际位移后,对实际位移与目标位移量进行比较,用二者之间的差值去控制步进电机的精确定位.对于X-Y工作台的Y方向的驱动也是如此.

　　工作台采用共运动基面设计,承载工件的工作台在X、Y向移动时,始终贴着陶瓷精密平板上表面运动,使运动平面有较高的平面度.工作台的实物照片见图2.

　　1.1 计量光栅的工作原理

　　光栅测量位移主要利用光栅莫尔条纹原理来实现.计量光栅传感器的输入量是机械位移,输出量一般是与莫尔信号周期对应的脉冲信号.计量光栅传感器也可以直接输出模拟的莫尔信号.高倍数细分需要光栅传感器输出莫尔信号.当计量光栅传感器输入位移量的变化速度恒定时,输出莫尔信号近似为正弦波,由于一个光栅传感器输出的两路正交莫尔信号包含了位移的全部信息,所以通过对两路正交莫尔信号的直接测量.可以获得所需要的位移值.假设从光栅尺出来的两路信号经过放大和去直流后为VA=sinθ,VB=cosθ, VA、VB信号是模拟信号,经过过零处理后变为两路相差为90°的方波信号A、B,一个周期方波信号对应着莫尔条纹交替变化一次,对方波进行计数,可实现对位置的测量.同时,对方波信号进行倍频细分,可提高测量的分辨率.