[实用新型]一种精密自动定位装置

说明书

本实用新型涉及精密自动定位技术，特别适用于调整机构或位移机构实现精密自动定位。

英国RANK  TAYLOR  HOBSON公司生产的TALYSUSF5和TALYSUSF6型轮廓仪上驱动箱的定位是接触式自动定位，即通过电机带动驱动箱，先以60毫米／秒的速度下行5秒钟，然后以200毫米／秒继续下行；当驱动箱上的电感测头（针状）下压到工件表面，至测头被压在测量范围的中点时，电感头输出电压为零状（OV），此时电机停转，驱动箱停止运动。由此可见，这种定位方式中的测头与工件一定要接触才能实现自动定位的目的，容易产生压痕（刻痕）。同时，这种轮廓仪的驱动箱运动速度较快，影响定位精度。另外，轮廓仪上设有手动微调装置，微调部分靠手工完成，不仅效率低，而且容易受操作者主观因素的影响。

根据上述现有技术存在的缺点，本实用新型的目的是提供一种非接触式精密自动定位装置。

本实用新型的目的，是通过以下技术方案实现的。它由（一）非接触式光学定位传感头。（二）传感头运动的自动定位控制器和（三）传感头运动的驱动及执行机构三大部分组成。（一）在非接触式光学定位传感头中，保护玻璃接受由激光器发出的激光束，经其后面的扩束透镜、反光镜、分光镜及显微物镜，聚焦后射至定位基准面上。在基准面上产生的反射光，经原显微物镜后由原分光镜反射形成一束与激光束平行的光束，它经由凸透镜、凹透镜汇聚到柱面镜。在柱面镜后设有四象限光电接收器，它可接收到激光光斑并进行光电变换，随着显微物镜与被测表面之间的距离变化，上述光斑的形状也将发生变化。此光信号经接收器光电变换及模拟运算。放大后，输出电压信号V（X）。V（X）随定位基准面与显微物镜焦点相对位置X的改变而变化，其特性曲线如图1所示。图中X＜0表示物镜焦点在定位基准面之外，X＝0表示焦点在基准面上，X＞0表示焦点在基准之后。（二）传感头运动的自动定位控制器，其电原理图如图4所示，进入控制器的信号V（X）分为三路；第一路产生传感头运动反向的控制信号；第二路产生运动的定位信号；第三路产生运动的变速信号。上述三路分别由三个可调比较限的迟滞比较器完成所需逻辑变换处理。其次，第一、第二路的输出逻辑信号被送入数据选择器，数据选择器根据对其输入的两路不同逻辑信号的组合，输出控制信号并送入控制步进电动机的环形分配器，以实现传感头的进、退及停机定位。前述第三路的输出送至V／F变换器，并使V／F变换器根据传感头的运动位置，给出两种时钟频率送至上述环形分配器，从而控制传感头的运动速度，实现传感头高速接近定位基准面，继而在低速状态下实现稳定精确地定位。（三）传感头运动的驱动及执行机构。如图5所示，传感头安装在螺旋斜面微动机构的支承滑板上，滑板采用滚动导轨以确保传感头微动的灵敏性。运动由一台步进电机驱动，按前述控制逻辑运行，且每步距角α°的传感头位移当量为△X＝α°·p·k／360°，式中p为驱动丝杆螺距，k为斜块的斜度。

本实用新型的优点在于：①实现非接触定位，避免定位基准面的磨损或变形，特别适用于以工件自身作为定位基准面的场合。②可在焦点定位。很多场合中要使运动件定位在光路的焦点上，此时根据本实用新型的定位技术，可将焦点之反射光引入本装置（此时，则可省去本装置之光源）完成定位。③定位控制自动化程度高，定位稳定可靠，④定位精度高。⑤自动定位控制器能完成传感头减速后通过定位点，然后回复定位点的自动定位，控制消除空程间隙对定位可靠性的影响。

附图说明如下：

图1为V－X特性曲线图

图2  光学定位传感头结构原理图

图3  高精度低漂移模拟运算及放大电原理图

图4  非接触式精密自动定位装置自动定位控制器电原理图

图5  传感头运动的驱动及执行机构。

本实用新型的具体结构由以下一种实施例及有关附图予以描述。

图2所示为非接触式光学定位传感头中实现象散原理检测定位信号的一种光路结构原理图。由激光器1射出的激光束经保护玻璃2、扩束透镜3至反光镜4，反射光束通过分光镜5进入显微物镜6，经聚焦射至定位基准面7上并产生反射光束，该光束仍经显微物镜6，在分光镜5作反射，经由凸透镜8、凹透镜9汇聚到柱面镜10，在柱面镜10的后面设有四个象限的光电接收器11，它使接收到的激光光斑直径可在1.5毫米以上，并分四个象限分别进行光电变换，使显微透镜6与被测表面7之间相对距离X的变化变为四象限光电接收器11接收到的光斑形状的变化，从而改变四个象限内的光电流。如图3所示，图中11即为上述四象限光电接收器，其中PIN₁、PIN2、PIN3和PIN4分别为均布在四个象限的接收器，从四个象限输出的光电流分别经过A₁、A₂、A₃和A₄四个高精度低漂移微电流电压放大器进行放大，并分别经低通滤波器B₁、B₂、B₃和B₄滤波，然后经精密差动放大器C₁和C₂进入加法器D，它们使低通滤波后送出的电压信号V₁、V₂、V₃和V₄完成下列运算，并输出电压信号V（X）＝（V₁－V₂）＋（V₃－V₄）＝（V₁＋V₃）－（V₂＋V₄）。V（X）特性曲线如图1所示，它是形成控制信号的依据，其反映传感头位置X变化的重复性精度可达0.03μm。图4为传感头运动控制器电原理图。图中集成电路IC1、IC2和IC3为比较器，分别接成迟滞比较电路；IC4为跟随器，起隔离作用；IC5为四位二通德数据选择器；IC6为V／F变换器；IC7为YB014步进电机环形分配器。图中虚线框内为步进电机驱动电源部分，线圈A、B、C、D为步进电机的四个绕组。由步进电机直接驱动传感头运动驱动及执行机构中的精密螺旋斜面微动装置，构成传感头运动的驱动及执行机构如图5（a）及5（b）所示。步进电机12按前述控制器的要求回转，通过联轴节13带动精密丝杆14转动。安装在斜块24上的精密螺母15将丝杆的转动变为斜块的移动。斜块在滑台16和导向块18构成的导槽中移动时，其斜面推动滑板23沿精密滚珠轨道22移动，导轨安装在支架21上。传感头20安装在滑板23上，随滑板移动，从而改变其与定位基准面19的位置。位置17使滑板23与滑板24保持良好的接触。本实用新型设计的螺旋机构是可换式的，斜块斜面的斜度为1／20，步进电机步距角为0.9°，当采用螺距为1毫米的螺旋机构时，每步距角的传感头当量位移△X＝0.125μm，定位精度达±0.0625μm。