大量程纳米级垂直扫描系统研究

　　0　引言

　　垂直扫描白光干涉法是在相移干涉法的基础上发展起来的一种光学非接触表面形貌测量方法,该方法结合了白光干涉显微技术和相移干涉技术[1-2],利用白光干涉条纹的特性进行表面微观形貌的测量,具有高精度、大量程、相位不模糊等特点。垂直扫描白光干涉将被测量转变为对干涉信号中心条纹的有效识别,即检测干涉条纹的相对变化,而不是检测条纹的绝对强度或相位的变化,因此,该方法的测量精度和测量范围取决于垂直扫描机构的位移精度和工作范围。在实际应用中,除了要求垂直扫描驱动系统具有较高的定位精度外,还希望有较大的位移范围[3]。

　　本文介绍了一种大量程纳米级垂直扫描系统,该系统采用粗/精两级驱动,粗/精位移由同一套激光干涉位移计量系统计量,不需要数据交接。位移计量系统空间布置符合阿贝原则。

　　1　结构及工作原理

　　大量程纳米级垂直扫描系统结构如图1所示。该垂直扫描系统包括粗/精两级驱动装置、激光干涉位移计量系统、激光干涉信号处理电路、压电陶瓷驱动电路和电机驱动电路等。粗驱动采用直流无刷电机配合精密丝杠和直线导轨驱动,驱动范围为0~40mm。精驱动将压电陶瓷作为驱动器,压电陶瓷通过平行平板柔性铰链的杠杆机构和导向机构驱动其动块做垂直方向的微位移,驱动范围为0~40μm。直流无刷电机通过联轴器与精密丝杠连接,精密丝杠通过螺母带动柔性连接器和连接块上下移动,从而由导轨副带动柔性铰链整体上下移动,实现垂直方向的粗驱动。

　　在柔性铰链动块的背面固定刚性连接件,激光干涉位移计量系统的移动目标镜角锥棱镜固定在刚性连接件上并使激光入射的方向在垂直运动的延长线上。当垂直扫描系统进行粗/精驱动时,柔性铰链的动块带动角锥棱镜上下移动,位移量由激光干涉位移计量系统测得。

　　该垂直扫描系统采用精驱动对粗驱动进行定位补偿实现高精度定位。首先以给定目标位置为目标驱动伺服电机,使垂直扫描系统停留在粗驱动定位精度范围内的目标位置附近,精驱动根据激光干涉位移计量系统测得的粗驱动定位误差进行补偿定位。为了保证精驱动能进行正负两个方向的补偿定位,在驱动电机进行粗定位前先改变压电陶瓷两端的电压,使其处于半伸展状态

2　柔性铰链机构及力学分析

　　2.1　柔性铰链结构

　　图2为垂直扫描系统柔性铰链结构图。该柔性铰链是由一块尺寸为85mm×100mm×15mm的钢板采用线切割工艺加工而成的。精驱动以压电陶瓷作为驱动器,为了提高精驱动的驱动范围,减少粗精两级定位次数,采用了杠杆放大机构,几何放大比为2,4个对称设置的叠层式平行平板柔性铰链负责导向,以保证柔性铰链动块只沿垂直方向微动。与柔性铰链平行四边形移动副相比,平行板移动副采用的对称结构,除了输出位移的线性度更好外,抵抗非进给方向上外载影响的能力也更强,故整体精度更高[4]。