CN100578675C - 一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，该运动台装置除包含运动平台外，还包含水平丝杠电机，第一垂直丝杠电机和第二垂直丝杠电机，以及各自对应设置的Home位置传感器；该运动台装置的定位方法通过采用水平方向，垂直方向及旋转角度的三自由度坐标系标定方法，对运动台装置进行坐标零位搜索定位。本发明提供的定位方法可在重复定位中达到微米和微弧度级的高精度，且在定位过程中三个自由度方向均不存在定位死区，同时，本发明提供的定位方法简单合理，实现成本较低。

Description

一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法

技术领域

本发明涉及一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，尤其是指通过坐标系标定方法对运动台进行三自由度的高精度零位搜索方法。

背景技术

目前传统的对工作台进行三自由度(水平方向，垂直方向，以及旋转度)精密定位的方法中，因为存在定位的归零死区，一般会用把零位传感器安装于电机运动行程中的一段，并靠近其极限位置，同时，通过机械装置，使得电机处于零位传感器的一边，结构复杂，且对于极限位置的归零定位的效果并不理想。

另外，由于目前的定位方法中对于旋转角度逻辑轴Rz的定位仅仅只是做到了对组成逻辑轴Rz的两个物理轴Y1和Y2分别找到其零位，而不是同时找到零位，由于每次归零的条件不同，一般会产生不同的结果；如此，对于该自由度上的定位容易造成较大的误差，定位精度不高。

例如中国专利第03260236.7号公开了一种三自由度精密定位工作台，其主要说明了该精密定位工作台的结构设计，对精密定位的方法没有涉及任何新的技术特征，仍然依赖于传统的方法，故而使得该工作台的重复定位不能得到有效的保证，并且，该专利所记载的这种精密定位工作台的装置所能调整的运动台的三个自由度(水平方向，垂直方向，以及旋转度)的范围较小。

再例如中国专利第200420046154.6号也公开了一种精密定位平台，在此专利中所介绍的是定位平台的机械结构和设计方法，而对于精密定位的方法，也没有做出比较明确的说明，故该精密定位平台的定位方法仍然还是使用传统的方法，具有定位精度不高，且定位时存在死区等缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其通过坐标系标定方法对运动台装置进行零位搜索定位，可达到定位精度高，在定位过程中三个自由度方向均不存在死区，以及定位方法简单、成本较低的效果。

为达上述目的，本发明提供一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，在本方法中定义：当运动台装置的各个电机上所设置的编码器全部处于对应的Home位置传感器的位置时，运动台装置即处于坐标零位，此时，该运动台装置的三自由度方向坐标为(x，y，Rz＝0，0，0)，其中，x代表水平方向坐标值，y代表垂直方向坐标值，Rz代表旋转角度；

所述的方法，具体包含以下步骤：

步骤1、测量得到当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感器的相对位置关系，以判断运动台装置在水平方向和垂直方向上的坐标位置关系；

步骤2、对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，根据步骤1中测得的水平丝杠电机上的水平编码器相对于水平Home传感器的位置，沿水平方向移动运动平台，直到水平编码器到达水平Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；

步骤3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，直到第一垂直编码器和第二垂直编码器同时到达相应Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；具体包括以下步骤：

步骤3.1、根据步骤1测量得到的第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编码器相对于各自对应的Home位置传感器的位置关系，对运动平台的垂直方向进行相应的位置调整，并确定调整后的2个垂直编码器当前位置为定位标准位置；

步骤3.2、利用在搜索第一垂直编码器的Home位置和搜索第二垂直编码器的Home位置过程中得到的相对于零位的旋转量，将运动台装置的旋转角度调整到零度，即2个垂直丝杠电机上的编码器处于同一水平面，且分别相对于各自Home传感器的位置关系完全相同；

步骤3.3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，沿垂直方向移动运动平台，直到2个垂直编码器同时到达各自垂直Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；

步骤4、根据步骤2和3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x，y，Rz＝0，0，0)；

步骤5、重复若干次执行步骤1～步骤4，重复进行高精度零位搜索定位，完成运动台装置的搜零定位。

步骤1中，所述的运动台装置在三个自由度方向上的位置关系包含以下情况：

在水平方向上，水平丝杠电机上的水平编码器位于水平Home位置传感器的左侧；

在水平方向上，水平丝杠电机上的水平编码器位于水平Home位置传感器的右侧；

在垂直方向上，第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编码器均位于对应的Home位置传感器的同侧；即所述的2个垂直编码器均位于对应的Home位置传感器的上侧，或者该2个垂直编码器均位于对应的Home位置传感器的下侧；

在垂直方向上，第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编码器分别位于对应的Home位置传感器的两侧；即所述的第一垂直编码器位于第一垂直Home位置传感器的上侧，而第二垂直编码器位于第二垂直Home位置传感器的下侧，或者该第一垂直编码器位于第一垂直Home位置传感器的下侧，而第二垂直编码器位于第二垂直Home位置传感器的上侧。

步骤2中，对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，标定水平Home位置的过程，具体为：

当水平编码器位于水平Home位置传感器的左侧时，向右移动运动平台，直至水平编码器到达水平Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；

当水平编码器位于水平Home位置传感器的右侧时，向左移动运动平台，直至水平编码器到达水平Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的水平Home位置。

所述的步骤3.1中，具体包含以下步骤：

步骤3.1.1、判断第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编码器是否位于对应的Home位置传感器的同侧，若是，则执行步骤3.1.2，若分别位于两侧，则直接执行步骤3.1.3；

步骤3.1.2、将运动平台沿垂直方向移动，直到第一垂直编码器或者第二垂直编码器中的一个先到达其对应的Home位置传感器的位置；再继续执行步骤3.1.3；

步骤3.1.3、将当前2个垂直编码器所处的垂直方向坐标位置确定为定位标准位置。

所述的步骤3.2中，具体包含以下步骤：

步骤3.2.1、根据步骤3.1.3中对2个垂直编码器确定的定位标准位置，同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感器进行位置调整，旋转运动台装置直到第一垂直编码器达到Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₁；

步骤3.2.2、将运动台装置的2个垂直编码器位置返回至步骤3.1.3中确定的定位标准位置；

步骤3.2.3、同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感器进行位置调整，旋转运动台装置直到第二垂直编码器达到Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₂；

步骤3.2.4、计算旋转量ΔRz＝|Rz₁-Rz₂|/2；

步骤3.2.5、对于步骤3.2.3中得到的当前2个垂直编码器的坐标位置，按照步骤3.2.3中旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ΔRz的角度，将运动台装置的旋转角度调整到零度。

所述的步骤3.3中，对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，标定垂直Home位置的过程，具体为：

当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的上侧时，向下移动运动平台，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；

当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的下侧时，向上移动运动平台，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置。

本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，通过坐标系标定方法对运动台装置进行零位搜索定位，具有以下优点：

1、本方法可进行若干次重复定位，定位精度高，运动台装置水平和垂直方向的定位精度可达到微米级，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到微弧度级。

2、本方法定位步骤简单合理，运用匹配设计的运动台装置，使得其处于任何坐标位置时，都能最终顺利搜索到零位定标，不存在定位死区，更不用任何其他的辅助设备来消除死区。

3、本方法所运用的运动台装置中，全部采用光电开关传感器，成本低，通用性好。

附图说明

图1是本发明中水平方向上的电机编码器相对于其Home位置的一种位置关系示意图；

图2是本发明中水平方向上的电机编码器相对于其Home位置的另一种位置关系示意图；

图3是本发明中垂直方向上的2个电机编码器同处于各自Home位置同侧的一种位置关系示意图；

图4是本发明中垂直方向上的2个电机编码器同处于各自Home位置同侧的另一种位置关系示意图；

图5是本发明中垂直方向上的2个电机编码器分别处于各自Home位置两侧的一种位置关系示意图；

图6是本发明中垂直方向上的2个电机编码器分别处于各自Home位置两侧的另一种位置关系示意图；

图7是本发明中水平方向上的电机编码器处于其Home传感器位置的示意图；

图8是本发明中垂直方向上的其中一个电机编码器处于其Home传感器位置的示意图；

图9是本发明中垂直方向上的其中一个电机编码器处于其Home传感器位置的另一种示意图；

图10是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至其中一个到达其Home传感器位置的示意图；

图11是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至其中一个到达其Home传感器位置的另一种示意图；

图12是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至另一个编码器到达其Home传感器位置的一种示意图；

图13是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至另一个编码器到达其Home传感器位置的另一种示意图；

图14是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至旋转角度为零的示意图；

图15是本发明中垂直方向上的2个电机编码器均处于各自Home传感器位置的示意图；

图16是本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图16，详细说明本发明的几种较佳实施方式：

如图16所示，三自由度高精密定位运动台装置其包含运动平台7，特点是另外还包含：

水平丝杠电机4，其沿运动平台7水平X方向设置，且与运动平台7的垂直侧面连接；在沿着该水平丝杠电机4的设置方向上对应设置有水平Home位置传感器1；

第一垂直丝杠电机5，其沿运动平台7垂直Y方向设置，且与运动平台7的水平侧面连接；在沿着该第一垂直丝杠电机5的设置方向上对应设置有第一垂直Home位置传感器2；

第二垂直丝杠电机6，其沿运动平台7垂直Y方向设置，与运动平台7的水平侧面连接，且与第一垂直丝杠电机5间隔位于运动平台7的同侧；在沿着该第二垂直丝杠电机6的设置方向上对应设置有第二垂直Home位置传感器3。

所述的水平丝杠电机4上设置有测量其所处的水平X方向坐标位置的水平编码器41，其测量值用以确定运动台装置在水平X方向上的当前位置x。

所述的第一垂直丝杠电机5上设置有测量其所处的垂直Y方向坐标位置的第一垂直编码器51，所述的第二垂直丝杠电机6上设置有测量其所处的垂直Y方向坐标位置的第二垂直编码器61，其测量值用以确定运动台装置在垂直Y方向上的当前位置y，以及运动台装置当前的旋转角度Rz。

所述的水平Home位置传感器1，第一垂直Home位置传感器2和第二垂直Home位置传感器3均为光电开关传感器。

本发明提供一种对上述运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，在本方法中定义：当运动台装置的各个电机上所设置的编码器全部处于对应的Home位置传感器的位置时，运动台装置即处于坐标零位，此时，该运动台装置的三自由度方向坐标为(x，y，Rz＝0，0，0)，其中，x代表水平方向坐标值，y代表垂直方向坐标值，Rz代表旋转角度；

所述的方法，具体包含以下步骤：

步骤1、测量得到当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感器的相对位置关系，以判断运动台装置在水平X方向和垂直Y方向上的坐标位置关系；具体包含以下情况：

如图2所示，在水平X方向上，水平丝杠电机4上的水平编码器41位于水平Home位置传感器1的左侧；

如图1所示，在水平X方向上，水平丝杠电机4上的水平编码器41位于水平Home位置传感器1的右侧；

如图3和图4所示，在垂直Y方向上，第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第二垂直丝杠电机6上的编码器61均位于对应的Home位置传感器2和3的同侧；即所述的2个垂直编码器51和61均位于对应的Home位置传感器2和3的上侧(图3所示)，或者该2个垂直编码器51和61均位于对应的Home位置传感器2和3的下侧(图4所示)；

如图5和图6所示，在垂直Y方向上，第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第二垂直丝杠电机6上的编码器61分别位于对应的Home位置传感器2和3的两侧；即所述的第一垂直编码器51位于第一垂直Home位置传感器2的上侧，而第二垂直编码器61位于第二垂直Home位置传感器3的下侧(图5所示)，或者该第一垂直编码器51位于第一垂直Home位置传感器2的下侧，而第二垂直编码器61位于第二垂直Home位置传感器3的上侧(图6所示)。

步骤2、对运动台装置的水平X方向进行坐标搜零定位，根据步骤1中测得的水平丝杠电机4上的水平编码器41相对于水平Home传感器1的位置，沿水平X方向移动运动平台7，直到水平编码器41到达水平Home位置传感器1的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；其过程具体为：

如图2所示，当水平编码器41位于水平Home位置传感器1的左侧时，向右移动运动平台7，直至水平编码41器到达水平Home位置传感器1的位置(如图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置；

如图1所示，当水平编码器41位于水平Home位置传感器1的右侧时，向左移动运动平台7，直至水平编码器41到达水平Home位置传感器1的位置(如图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置。

步骤3、对运动台装置的垂直Y方向进行坐标搜零定位，直到第一垂直编码器51和第二垂直编码器61同时到达相应Home位置传感器2和3的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；具体包括以下步骤：

步骤3.1、根据步骤1测量得到的第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第二垂直丝杠电机6上的编码器61相对于各自对应的Home位置传感器2和3的位置关系，对运动平台7的垂直Y方向进行相应的位置调整，并确定调整后的2个垂直编码器51和61的当前位置为定位标准位置；具体包括以下步骤：

步骤3.1.1、判断第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第二垂直丝杠电机6上的编码器61是否位于对应的Home位置传感器2和3的同侧，若是(即为如图3或图4所示的位置关系)，则执行步骤3.1.2，若分别位于两侧(即为如图5或图6所示的位置关系)，则直接执行步骤3.1.3；

步骤3.1.2、将运动平台7沿垂直方向移动，直到第一垂直编码器51或者第二垂直编码器61中的一个先到达其对应的Home位置传感器的位置，如图8或图9所示；再继续执行步骤3.1.3；

步骤3.1.3、将当前2个垂直编码器51和61所处的垂直Y方向坐标位置确定为定位标准位置；

步骤3.2、利用在搜索第一垂直编码器51的Home位置和搜索第二垂直编码器61的Home位置过程中得到的相对于零位的旋转量Rz，将运动台装置的旋转角度调整到零度，即2个垂直丝杠电机上的编码器51和61处于同一水平面，且分别相对于各自Home传感器的位置关系完全相同；

步骤3.2.1、根据步骤3.1.3中对2个垂直编码器51和61确定的定位标准位置，同时以相同的速率将2个垂直编码器51和61朝各自的Home位置传感器2和3进行位置调整，旋转运动台装置直到第一垂直编码器51达到Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₁；

如图10所示，第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而第二垂直编码器61则向处于其上方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第一垂直编码器51达到Home位置停止；

如图11所示，第一垂直编码器51向处于其上方的Home位置靠拢，而第二垂直编码器61则向处于其下方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第一垂直编码器51达到Home位置停止；

步骤3.2.2、将运动台装置的2个垂直编码器51和61的位置返回至步骤3.1.3中确定的定位标准位置；

步骤3.2.3、同时以相同的速率将2个垂直编码器51和61朝各自的Home位置传感2和3器进行位置调整，旋转运动台装置直到第二垂直编码器61达到Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₂；

如图12所示，第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而第二垂直编码器61则向处于其上方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第二垂直编码器61达到Home位置停止；

如图13所示，第一垂直编码器51向处于其上方的Home位置靠拢，而第二垂直编码器61则向处于其下方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第二垂直编码器61达到Home位置停止；

步骤3.2.4、计算旋转量ΔRz＝|Rz₁-Rz₂|/2；

步骤3.2.5、如图14所示，对于步骤3.2.3中得到的当前2个垂直编码器51和61的坐标位置，按照步骤3.2.3中旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ΔRz的角度，将运动台装置的旋转角度Rz调整到零度；

步骤3.3、对运动台装置的垂直Y方向进行坐标搜零定位，沿垂直Y方向移动运动平台7，直到2个垂直编码器51和61同时到达各自垂直Home位置传感器2和3的位置(如图15所示)，并标定运动台装置的垂直Home位置；其过程具体为：

当2个垂直编码器51和61位于垂直Home位置传感器2和3的上侧时，向下移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各自对应的垂直Home位置传感器2和3的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；

当2个垂直编码器51和61位于垂直Home位置传感器2和3的下侧时，向上移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各自对应的垂直Home位置传感器2和3的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置。

步骤4、根据步骤2和3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x，y，Rz＝0，0，0)；

步骤5、重复若干次执行步骤1～步骤4，重复进行高精度零位搜索定位，完成运动台装置的搜零定位。

以下通过2个具体实施例，来更直观的描述本发明所提出的定位方法。

实施例1

在本实施例1中，首先将运动台装置的水平X方向上的电机编码器41的坐标位置调整至如图1所示，将其垂直Y方向的2个电机编码器51和61的坐标位置调整至如图3所示，随后启动3个电机，进行伺服控制；具体定位该运动台装置的过程如下：

步骤1、测量得到如上所述的当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感器的相对位置关系，即得知当前运动台装置在水平X方向和垂直Y方向上的坐标位置关系如图1和图3所示；

步骤2、如图1所示，由于水平编码器41位于水平Home位置传感器1的右侧，则向左移动运动平台7，直至水平编码器41到达水平Home位置传感器1的位置(如图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置；

步骤3、首先，如图3所示，由于第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第二垂直丝杠电机6上的编码器61均位于对应的Home位置传感器2和3的上侧，则将运动平台7沿垂直方向下移动，直到第一垂直编码器51到达其对应的Home位置传感器2的位置，如图9所示；并将当前2个垂直编码器51和61所处的垂直Y方向坐标位置确定为定位标准位置；

然后，由于此时第一垂直编码器51已经位于其Home位置，则直接记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₁；再以相同的速率对2个垂直编码器51和61进行旋转位置调整，如图13所示，令第二垂直编码器61向处于其下方的Home位置靠拢，而令第一垂直编码器51向上方移动，如此旋转运动台装置直到第二垂直编码器61达到其Home位置，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₂；计算旋转量ΔRz＝|Rz₁-Rz₂|/2；随后，如图14所示，按照前述旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ΔRz的角度，将其旋转角度Rz调整到零度；

接下来，由于此时2个垂直编码器51和61均位于垂直Home位置传感器2和3的上侧，则向下移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各自对应的垂直Home位置传感器2和3的位置(如图15所示)，并标定运动台装置的垂直Home位置。

步骤4、根据步骤2和3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x，y，Rz＝0，0，0)；

步骤5、重复若干次执行步骤1～步骤4，重复进行高精度零位搜索定位，完成运动台装置的搜零定位。

本实施例1中，通过外部传感器的检测，最终运动台装置的水平和垂直方向的定位精度可达到1um，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到10urad。

实施例2

在本实施例2中，首先将运动台装置的水平X方向上的电机编码器41的坐标位置调整至如图2所示，将其垂直Y方向的2个电机编码器51和61的坐标位置调整至如图5所示，随后启动3个电机，进行伺服控制；具体定位该运动台装置的过程如下：

步骤1、测量得到如上所述的当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感器的相对位置关系，即得知当前运动台装置在水平X方向和垂直Y方向上的坐标位置关系如图2和图5所示；

步骤2、如图2所示，由于水平编码器41位于水平Home位置传感器1的左侧，则向右移动运动平台7，直至水平编码器41到达水平Home位置传感器1的位置(如图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置；

步骤3、首先，如图5所示，由于第一垂直丝杠电机5上的编码器51位于对应的Home位置传感器2的上侧，而第二垂直丝杠电机6上的编码器61位于对应的Home位置传感器3的下册，则无需对运动平台7的垂直Y方向进行相应的位置调整，直接将当前如图5所示的2个垂直编码器51和61所处的垂直Y方向坐标位置确定为定位标准位置；

然后，以相同的速率对2个垂直编码器51和61进行旋转位置调整，如图5和图10所示，令第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而令第二垂直编码器61向处于其上方的Home位置靠拢，如此旋转运动台装置直到第一垂直编码器51达到其Home位置，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₁；接着将运动台装置的2个垂直编码器51和61的位置返回至如图5所示的定位标准位置；再以相同的速率对2个垂直编码器51和61进行旋转位置调整，如图12所示，令第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而令第二垂直编码器61向处于其上方的Home位置靠拢，如此旋转运动台装置直到第二垂直编码器61达到其Home位置，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₂；计算旋转量ΔRz＝|Rz₁-Rz₂|/2；随后，按照前述旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ΔRz的角度，将其旋转角度Rz调整到零度；

接下来，由于此时2个垂直编码器51和61均位于垂直Home位置传感器2和3的下侧，则向上移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各自对应的垂直Home位置传感器2和3的位置(如图15所示)，并标定运动台装置的垂直Home位置。

步骤4、根据步骤2和3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x，y，Rz＝0，0，0)；

步骤5、重复若干次执行步骤1～步骤4，重复进行高精度零位搜索定位，完成运动台装置的搜零定位。

本实施例2中，通过外部传感器的检测，最终运动台装置的水平和垂直方向的定位精度可达到1um，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到10urad。

综上所述，本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，通过坐标系标定方法对运动台装置进行零位搜索定位，具有以下优点：

1、本方法可进行若干次重复定位，定位精度高，运动台装置水平和垂直方向的定位精度可达到微米级，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到微弧度级。

2、本方法定位步骤简单合理，运用匹配设计的运动台装置，使得其处于任何坐标位置时，都能最终顺利搜索到零位定标，不存在定位死区，更不用任何其他的辅助设备来消除死区。

3、本方法所运用的运动台装置中，全部采用光电开关传感器，成本低，通用性好。

Claims (6)

1.一种三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其特征在于，当该运动台装置的各个电机上所设置的编码器全部处于对应的Home位置传感器的位置时，运动台装置即处于坐标零位，此时，该运动台装置的三自由度方向坐标为(x，y，Rz＝0，0，0)，其中，x代表水平方向坐标值，y代表垂直方向坐标值，Rz代表旋转角度；

该方法具体包含以下步骤：

步骤1、测量得到当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感器的相对位置关系，以判断运动台装置在水平方向和垂直方向上的坐标位置关系；

步骤2、对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，根据步骤1中测得的水平丝杠电机(4)上的水平编码器(41)相对于水平Home传感器(1)的位置，沿水平方向移动运动平台(7)，直到水平编码器(41)到达水平Home位置传感器(1)的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；

步骤3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，直到第一垂直编码器(51)和第二垂直编码器(61)同时到达相应Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；

步骤3.1、根据步骤1测量得到的第一垂直丝杠电机(5)上的编码器(51)与第二垂直丝杠电机(6)上的编码器(61)相对于各自对应的Home位置传感器的位置关系，对运动平台(7)的垂直方向进行相应的位置调整，并确定调整后的2个垂直编码器的当前位置为定位标准位置；

步骤3.2、利用在搜索第一垂直编码器(51)的Home位置和搜索第二垂直编码器(61)的Home位置过程中得到的相对于零位的旋转量，将运动台装置的旋转角度调整到零度，即2个垂直丝杠电机上的编码器处于同一水平面，且分别相对于各自Home传感器的位置关系完全相同；

步骤3.3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，沿垂直方向移动运动平台(7)，直到2个垂直编码器同时到达各自垂直Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；

步骤4、根据步骤2和步骤3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x，y，Rz＝0，0，0)；

步骤5、重复若干次执行步骤1～步骤4，重复进行高精度零位搜索定位，完成运动台装置的搜零定位。

2.如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其特征在于，步骤1中，所述的运动台装置在三个自由度方向上的位置关系包含以下情况：

在水平方向上，水平丝杠电机(4)上的水平编码器(41)位于水平Home位置传感器(1)的左侧；

在水平方向上，水平丝杠电机(4)上的水平编码器(41)位于水平Home位置传感器(1)的右侧；

在垂直方向上，第一垂直丝杠电机(5)上的编码器(51)与第二垂直丝杠电机(6)上的编码器(61)均位于对应的Home位置传感器的同侧；即所述的2个垂直编码器均位于对应的Home位置传感器的上侧，或者该2个垂直编码器均位于对应的Home位置传感器的下侧；

在垂直方向上，第一垂直丝杠电机(5)上的编码器(51)与第二垂直丝杠电机(6)上的编码器(61)分别位于对应的Home位置传感器的两侧；即所述的第一垂直编码器(51)位于第一垂直Home位置传感器(2)的上侧，而第二垂直编码器(61)位于第二垂直Home位置传感器(3)的下侧，或者该第一垂直编码器(51)位于第一垂直Home位置传感器(2)的下侧，而第二垂直编码器(61)位于第二垂直Home位置传感器(3)的上侧。

3.如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其特征在于，步骤2中，对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，标定水平Home位置的过程，具体为：

当水平编码器(41)位于水平Home位置传感器(1)的左侧时，向右移动运动平台(7)，直至水平编码(41)器到达水平Home位置传感器(1)的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；

当水平编码器(41)位于水平Home位置传感器(1)的右侧时，向左移动运动平台(7)，直至水平编码器(41)到达水平Home位置传感器(1)的位置，并标定运动台装置的水平Home位置。

4.如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其特征在于，所述的步骤3.1中，具体包含以下步骤：

步骤3.1.1、判断第一垂直丝杠电机(5)上的编码器(51)与第二垂直丝杠电机(6)上的编码器(61)是否位于对应的Home位置传感器的同侧，若是，则执行步骤3.1.2，若分别位于两侧，则直接执行步骤3.1.3；

步骤3.1.2、将运动平台(7)沿垂直方向移动，直到第一垂直编码器(51)或者第二垂直编码器(61)中的一个先到达其对应的Home位置传感器的位置；再继续执行步骤3.1.3；

步骤3.1.3、将当前2个垂直编码器所处的垂直方向坐标位置确定为定位标准位置。

5.如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其特征在于，所述的步骤3.2中，具体包含以下步骤：

步骤3.2.1、根据步骤3.1.3中对2个垂直编码器确定的定位标准位置，同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感器进行位置调整，旋转运动台装置直到第一垂直编码器(51)达到Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₁；

步骤3.2.2、将运动台装置的2个垂直编码器的位置返回至步骤3.1.3中确定的定位标准位置；

步骤3.2.3、同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感器进行位置调整，旋转运动台装置直到第二垂直编码器(61)达到Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz₂；

步骤3.2.4、计算旋转量ΔRz＝|Rz₁-Rz₂|/2；

步骤3.2.5、对于步骤3.2.3中得到的当前2个垂直编码器的坐标位置，按照步骤3.2.3中旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ΔRz的角度，将运动台装置的旋转角度Rz调整到零度。

6.如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置的定位方法，其特征在于，所述的步骤3.3中，对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，标定垂直Home位置的过程，具体为：

当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的上侧时，向下移动运动平台(7)，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；

当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的下侧时，向上移动运动平台(7)，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置。

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