[发明专利]一种动圈式平面电机动子三自由度位移测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面电机动子三自由度位移测量方法，特别涉及一种动圈式平面电机动子的三自由度位移测量方法。

背景技术

精密位移测量技术是与超大规模集成电路(IC)制造与封装、超精密加工、微机电系统(MEMS)装配与集成、光学仪器、细胞操纵、纳米材料制造、生物工程等诸多领域发展水平密切相关的高新技术。多自由度的位移(包括线位移和角位移)精密测量已经逐渐成为目前研究的最新领域。

在二维定位加工装置特别是现代半导体微细加工装备和其他超精密加工设备中，高精密运动通常由平面电机实现。由于平面电机具有反应快、灵敏度高和结构简单等优点，在学术界和工业界均受到广泛关注。

目前，平面电机动子的三自由度精密位移测量常采用光学测量法、电感测量法和电容测量法等，光学测量法与电容测量法相对比较成熟，是目前应用较广泛的精密位移测量方法。利用二维光栅进行平面电机动子的运动测量，需要在平面电机动子上安装面积较大的平面光栅来产生带有位移信息的光信号与光传感器进行通信，为防止光栅尺面被污染，对使用环境有的要求较高；采用激光位置传感器，通过激光三角测量法或回波分析原理实现平面电机动子位移的测量，测量精度受环境影响较大，大行程测量难以保证高精度，且信号处理很难保证简单快速。

因此，一种既能降低传感器的安装复杂性和环境要求，又能同时实现大行程水平直线位移高精度测量、信号处理简单快速的动圈式平面电机动子三自由度位移测量方法亟待提出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有动圈式平面电机的技术要求，提供一种结构简单、测量精度高、响应速度快的三自由度位移测量方法，使其满足平面电机动子大行程水平直线位移测量的需求。

本发明的技术方案如下：

所涉及的动圈式平面电机动子三自由度位移测量方法，采用如下系统进行测量：该系统包括Ⅰ号绝对直线光栅、Ⅱ号绝对直线光栅、Ⅰ号二维位置敏感传感器（PSD）、Ⅰ号激光头、Ⅱ号二维位置敏感传感器、Ⅱ号激光头及信号处理系统；

所述Ⅰ号绝对直线光栅沿x向安装在L型线缆台上，L型线缆台在直线电机驱动下沿基台y向跟随平面电机动子运动；Ⅰ号绝对直线光栅读数头安装在L型线缆台的x向导轨上，且通过一柔性机构与平面电机动子连接，该柔性机构允许Ⅰ号绝对直线光栅读数头与平面电机动子在y向和θ_z向有微小的相对位移；

所述Ⅱ号绝对直线光栅沿y向安装在基台上，Ⅱ号绝对直线光栅读数头安装在直线电机动子上；

所述Ⅰ号二维位置敏感传感器和Ⅱ号二维位置敏感传感器安装在平板同一水平直线上，平板与平面电机动子的一侧固连；所述Ⅰ号激光头和Ⅱ号激光头通过悬臂安装在Ⅰ号绝对直线光栅读数头上；

所述的平面电机动子三自由度位移测量方法，包括如下步骤：

1）分别建立3个直角坐标系：平面电机动子坐标系O₁-x₁y₁z₁、线缆台坐标系O₀-x₀y₀z₀和基台坐标系O-xyz，平面电机动子坐标系原点位于平面电机动子的几何中心，在初始位置时，3个坐标系的原点重合；

2）标记激光入射光点在二维位置敏感传感器的中心时，二维位置敏感传感器的读数（x_p,y_p）；令Ⅰ号绝对直线光栅的读数沿线缆台坐标系x₀轴正方向逐渐减小，标记Ⅰ号绝对直线光栅读数头在线缆台坐标系下x₀=0处的读数x_ref；令Ⅱ号绝对直线光栅的读数沿基台坐标系y轴正方向逐渐减小，标记Ⅱ号绝对直线光栅读数头在基台坐标系下y=0处的读数y_ref；

3）Ⅰ号绝对直线光栅测量Ⅰ号绝对直线光栅读数头在线缆台坐标系下的x向位移，2个二维位置敏感传感器测量Ⅰ号绝对直线光栅读数头在x向及y向相对于平面电机动子的跟随误差；当平面电机动子运动过程中，在每个伺服周期，设Ⅰ号二维位置敏感传感器的读数为（x₁,y₁），Ⅱ号二维位置敏感传感器的读数为（x₂,y₂），Ⅰ号绝对直线光栅的读数为x₃，则平面电机动子在线缆台坐标系下的三自由度位移（x₀,y₀,θ₀）为：