CN101033945B - 基于单光栅的超高精度定位测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

基于单光栅的超高精度定位测量装置和测量方法，包括一单光栅测量传感器1，及与其输出端连接的高倍细分电路2和低倍细分电路3，高倍细分电路2的输出端连接到带锁存高频可逆计数器4的输入端，低倍细分电路3的输出端都连接到带锁存可逆计数器5的输入端，带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5的输出端口都连接到计算机测量控制系统6，可以将获得的测量信号进行不同倍率的细分，而是否进行细分和计数工作，则由计算机测量控制系统6根据当时被测对象运动速度来切换，解决了现有测量系统中需要采用两套光栅测量系统所带来的高成本和安装困难等问题，同时解决了现有测量系统中使用单个光栅测量存在极限测量速度和测量分辨率相互制约的矛盾。

Description

基于单光栅的超高精度定位测量装置和测量方法

技术领域：

本发明涉及工业直线运动系统中精密定位和超高精密定位技术领域，具体涉及基于单光栅位移传感器的大行程、高速度、超高分辨率的定位测量装置及其测量方法。

背景技术：

随着集成电路(IC)制造、微型机械电子系统(MEMS)、精密测试系统和精密加工等领域的快速发展，迫切需要能够进行大运动范围、超高精度、高运动速度定位的装置。特别是在IC制造方面，随着晶片尺寸的增加，12寸及更大尺寸晶片的出现，对定位范围、定位速度也提出了更高的要求。本发明应用于IC工业中芯片制造和封装、微/纳机电系统(MEMS/NEMS)的微/纳芯片制造和封装、精密加工、精密测试等领域所需要的大运动范围(运动系统运行范围＞0.5m)、高运动速度(运动系统运动速度＞1m/s)和超高精度(运动系统定位测量精度＜10nm)直线运动系统的定位测量。而在实际测量中要实现超高精度的测量，首先必须要有超高分辨率的测量装置，因为通常对实际运动系统的测量精度要远低于测量系统的分辨率，也即要获得测量精度＜10nm，则测量系统的分辨率通常＜2nm。目前广泛应用的基于光栅的超高精度定位测量系统，在实现直线运动系统大运动范围、高速度、超高精度的定位测量时，存在测量系统快速响应性与测量系统分辨率方面的矛盾。这是因为超高精度定位测量系统受到信号检测电路扫描频率的限制，使得直线运动系统在进行定位测量时的最大允许运动速度与测量系统的分辨率成反比，即在进行超高精度定位测量时，直线运动系统的运行速度受到超高精度测量装置极限速度的限制。因此，在实用中都是采用两套光栅测量系统，一套是用于大运动范围(＞0.5m)、高运动速度(＞1m/s)的高精度(＜1μm数量级)定位测量的高精度光栅测量装置(测量分辨率100nm数量级)，该装置用于实现大运动范围、高速度运动过程的高精度定位测量，即实现测量的快速性，但测量精度仅能达到微米数量级。一套是用于小范围(10mm数量级)、较低运动速度(通常＜200mm/s)的超高精度(＜10nm)位置测量的超高精度光栅测量装置(测量分辨率1nm数量级)，该装置用于实现超高精度的测量。将二者结合以实现大运动范围、高运动速度、超高精度的定位测量。但采用两套测量系统的不足体现在：第一，测量系统成本提高；第二，必须为两套系统提供两处安装位置，在很多运动系统中难以实现，特别是在两坐标轴以上的运动系统中，这个问题更加突出。若采用激光干涉仪，其测量对象的运动速度可以达到400mm/s，测量分辨率达到1nm，但缺点是成本非常高，其价格通常是双光栅测量系统成本的10倍左右。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种单光栅大运动范围、高运动速度、超高精度定位测量装置及其测量方法，以解决现有大运动范围、高运动速度、超高精度定位测量系统中需要采用两套光栅测量系统所带来的高成本和安装困难等问题，同时解决现有定位测量系统中使用单个光栅测量系统存在极限测量速度和测量分辨率相互制约的矛盾。

本发明的大运动范围、高运动速度、超高精度定位测量是指：采用单光栅实现运动范围＞0.4m；运动速度＞1m/s；测量精度＜10nm的定位测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括一用于将直线位移量转换为电信号的单光栅测量传感器1；一用于将单光栅测量传感器1输出的测量信号进行倍频的高倍细分电路2；一用于将单光栅测量传感器1输出的测量信号进行倍频的低倍细分电路3；一用于对高倍细分电路2输出的高频率计数脉冲进行计数及锁存和根据方向信号进行可逆计数的带锁存高频可逆计数器4；一用于对低倍细分电路3输出的低频率计数脉冲进行计数及锁存和根据方向信号进行可逆计数的带锁存可逆计数器5；高倍细分电路2和带锁存高频可逆计数器4构成超精密低速测量模块7；低倍细分电路3和带锁存可逆计数器5构成精密高速测量模块8；一用于对带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5的计数数据进行读取和处理，并根据处理结果——所测量的运动系统的运动速度，决定当前是超精密低速测量模块7对测量数据进行处理，还是精密高速测量模块8对测量数据进行处理的计算机测量控制系统6组成。

本发明的测量装置包括一单光栅测量传感器1，单光栅测量传感器1的信号输出端口连接到高倍细分电路2和低倍细分电路3的输入端口，高倍细分电路2的两个输出端即计数脉冲端口和方向信号端口都连接到带锁存高频可逆计数器4的两个相应输入端，低倍细分电路3的两个输出端即计数脉冲端口和方向信号端口都连接到带锁存可逆计数器5相应的两个输入端，带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5的输出端口都连接到计算机测量控制系统6，计算机测量控制系统6的两个输出端口，一组连接到高倍细分电路2和带锁存高频可逆计数器4，一组连接到细分电路3和带锁存可逆计数器5。

本发明的测量方法是：将单光栅测量传感器1的信号输出端口连接到高倍细分电路2和低倍细分电路3的输入端口，高倍细分电路2的两个输出端即计数脉冲端口和方向信号端口都连接到带锁存高频可逆计数器4的两个相应输入端，低倍细分电路3的两个输出端即计数脉冲端口和方向信号端口都连接到带锁存可逆计数器5相应的两个输入端，带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5的输出端口都连接到计算机测量控制系统6，计算机测量控制系统6的两个输出端口，一组连接到高倍细分电路2和带锁存高频可逆计数器4，一组连接到细分电路3和带锁存可逆计数器5，通过超精密低速测量模块7和精密高速测量模块8将单光栅测量传感器1获得的测量信号进行不同倍率的细分，细分即是将测量信号的频率进行倍频，从而在超精密低速测量模块7和精密高速测量模块8的输出端可以获得较测量信号频率高一万倍和一百倍的脉冲信号，而超精密低速测量模块7和精密高速测量模块8是否进行细分和计数工作，则由计算机测量控制系统6根据当时被测对象运动速度来切换：当运动速度大于单光栅进行超精密定位测量时所能达到的极限运动速度时，计算机测量控制系统6将控制精密高速测量模块8进入工作状态，而超精密低速测量模块7处于等待工作状态；反之，计算机测量控制系统6将控制超精密低速测量模块7进入工作状态，而精密高速测量模块8处于等待工作状态。所有的定位测量数据都是通过计算机测量控制系统6定时采集超精密低速测量模块7和精密高速测量模块8的测量脉冲，并在计算机测量控制系统6中进行综合，以获得相应的定位测量数据。

由此，就可以用单光栅实现大运动范围、高运动速度、超高精度定位测量，解决定位测量系统中使用单个光栅测量系统存在极限测量速度和测量分辨率相互制约的矛盾。

附图说明：

图1为本发明的原理模块图。

图2为本发明超高精度高速位移测量时的工作原理图。

图3为本发明超高精度低速测量和高精度高速测量切换方法图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细说明。

参照图1，本发明的测量装置包括一用于测量被测对象位移的单光栅测量传感器1，单光栅测量传感器1的信号输出端口连接到超精密低速测量模块7，用于实现高倍细分和高频计数；同时连接到精密高速测量模块8，用于实现低倍细分和计数。在超精密低速测量模块7中，单光栅测量传感器1的信号输出端连接到高倍细分电路2的输入端，高倍细分电路2两个输出端及计数脉冲端口和方向信号端口都连接到带锁存高频可逆计数器4的两个相应输入端，带锁存高频可逆计数器4输出端连接到计算机测量控制系统6，以实现将超高精度测量数据即高频脉冲信号传输到计算机测量控制系统6；在精密高速测量模块8中，单光栅测量传感器1的信号输出端连接到低倍细分电路3的输入端，低倍细分电路3的两个输出端即计数脉冲端口和方向信号端口都连接到带锁存可逆计数器5相应的两个输入端，带锁存可逆计数器5的输出端连接到计算机测量控制系统6，以实现将高精度测量数据即脉冲信号传输到计算机测量控制系统6。计算机测量控制系统6的两个输出端口，一组连接到高倍细分电路2和带锁存高频可逆计数器4，一组连接到低倍细分电路3和带锁存可逆计数器5，计算机测量控制系统6根据对超精密低速测量模块7或精密高速测量模块8的测量数据进行采集与综合所得到的被侧对象实际运行速度，通过控制两个输出端口信号，实现对超精密低速测量模块7和精密高速测量模块8运行状态的控制。

本发明对单光栅大运动范围、高运动速度、超高精度位移测量方法可以由图2说明，图2包括了在测量中可能遇到的所有状态的综合图。

超高精度高速位移测量方法：参照图2，图2中各符号含义：V——纵坐标，表示被测对象的运行速度；P——横坐标，表示被测对象的运行位置；V_U——单光栅进行超精密定位测量时所能达到的极限运动速度；V_H——被测对象的高运动速度(V_H＞V_U)；V_L——计算机测量控制系统6的测量切换点，在此点被测对象以低运动速度(V_L＜V_U)运行；P₀——被测对象的运动起始位置；P₁——被测对象从超精密低速测量模块7切换到精密高速测量模块8的切换位置；P₂——被测对象开始减速位置；P₃——被测对象从精密高速测量模块8切换到超精密低速测量模块7的切换位置；P₄——被测对象要求的定位位置；P₅——被测对象从超精密低速测量模块7切换到精密高速测量模块8的切换位置；P₆——定位测量周期结束位置；P₇——被测对象运动停止前的减速位置；P₈——被测对象从精密高速测量模块8切换到超精密低速测量模块7的切换位置；P₉——被测对象运动停止位置。

被测对象在静止状态下，从P₀位置开始进行加速运动，此时对被测对象运动位置的测量由超精密低速测量模块7进行。当被测对象运动速度V＞V_L时(运动到P₁切换位置)，由计算机测量控制系统6进行超精密低速测量模块7与精密高速测量模块8的测量切换。当被测对象运动速度达到要求的高速度V_H(V_H＞V_U)后，被测对象以V_H运动。当被测对象运动到P₂时，开始减速，当速度在P₃位置减到低速度V_L(V_L＜V_U)时，由计算机测量控制系统6进行超精密低速测量模块7与精密高速测量模块8的测量切换，以低速度V_L运行一段时间后(避免切换过程中出现的干扰)，到达被测对象要求的定位位置P₄，此时计算机测量控制系统6中的位置数据(由精密高速测量模块8的计数数据转换得到的位置值和超精密低速测量模块7的计数数据转换得到的位置值相加)就是被测对象运行所到达的实际位置值。若被测对象要继续向下一个定位位置运行，则被测对象运行到切换位置P₅时，由计算机测量控制系统6进行超精密低速测量模块7与精密高速测量模块8的测量切换，同时被测对象开始加速，当被测对象的运行速度在本测量周期结束位置P₆达到被测对象要求的高运动速度V_H时，进入下一个运动定位周期，本运动定位周期结束，从而完成对被测对象超高精度定位的一个定位位置的测量。当被测对象需要停止时，则运动到P₇位置开始减速，当速度在P₈位置减到低速度V_L(V_L＜V_U)时，由计算机测量控制系统6进行超精密低速测量模块7与精密高速测量模块8的测量切换，而且一直减速，直到被测对象要求的停止位置(P₉位置)，速度减为零。

超高精度低速测量和高精度高速测量及切换方法参照图3，被测对象的测量及超高精度低速测量和高精度高速测量之间的切换，是在计算机测量控制系统6的一个采样周期中进行的。本发明的测量和切换步骤为：A——计算机测量控制系统6准备进行第i+1步采样；B——在第i+1步采样前，首先需要判别计算机测量控制系统6的测量切换点，即判别被测对象第i-1步速度V_i-1是以低运动速度运行还是以高运动速度运行，当判决结果为V_i-1＞V_L时，转入步骤C执行，当判决结果为V_i-1≤V_L时，转入步骤D执行；C——当第i-1步速度V_i-1＞V_L时，判别被测对象第i步速度V_i是否大于V_L，当V_i＞V_L时，转入步骤F执行，当V_i≤V_L时，转入步骤E执行；D——当第i-1步速度V_i-1≤V_L时，判别被测对象第i步速度V_i是否大于V_L，当V＞V_L时，转入步骤H执行，当V_i≤V_L时，转入步骤G执行；通过步骤B、步骤C、步骤D可以确定是否要进行超精密低速测量模块7与精密高速测量模块8的测量切换，如果要切换是从低速切换到高速，还是从高速切换到低速；E——根据步骤C判决V_i＞V_L，要进行精密高速测量模块8到超精密低速测量模块7的测量切换，同时进行采样；F——根据步骤C判决V_i≤V_L，不进行测量模块切换，仅进行采样；G——根据步骤D判决V_i≤V_L，不进行测量模块切换，仅进行采样；H——根据步骤D判决V_i＞V_L，要进行超精密低速测量模块7到精密高速测量模块8的测量切换，同时进行采样；I——在步骤E执行后，本步骤才能够执行，计算机测量控制系统6同时输出四路控制信号，同步控制高倍细分电路2开始工作、低倍细分电路3停止工作，并控制带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5计数值的锁存，然后对二者的锁存值进行采样，达到切换和采样的目的；J——在步骤F执行或者步骤G执行后，本步骤才能够执行，计算机测量控制系统6同时输出两路控制信号，同步控制带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5计数值的锁存，然后对二者的锁存值进行采样，达到采样的目的；K——在步骤H执行后，本步骤才能够执行，计算机测量控制系统6同时输出四路控制信号，同步控制高倍细分电路2停止工作、低倍细分电路3开始工作，并控制带锁存高频可逆计数器4和带锁存可逆计数器5计数值的锁存，然后对二者的锁存值进行采样，达到切换和采样的目的；L——在步骤I或者步骤J或者步骤K执行后，计算机测量控制系统6对带锁存高频可逆计数器4的采样数据进行处理，首先将读取的计数值转换为被测对象第i+1步的超高精度绝对位移值，如果第i+1步采样前高倍细分电路2处于工作状态，则将第i步超高精度绝对位移量比较，计算出第i+1步和第i步的超高精度位移量差值，并根据采样周期与位移量差值计算出被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1，否则不进行实际运动速度的计算；M——在步骤I或者步骤J或者步骤K执行后，计算机测量控制系统6对带锁存可逆计数器5的采样数据进行处理，首先将读取的计数值转换为被测对象第i+1步的高精度绝对位移值，如果第i+1步采样前低倍细分电路3处于工作状态，则将第i步高精度绝对位移量比较，计算出第i+1步和第i步的高精度位移量差值，并根据采样周期与位移量差值计算出被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1，否则不进行实际运动速度的计算；N——在步骤L执行后，计算机测量控制系统6将对带锁存高频可逆计数器4的采样得到的被测对象第i+1步的超高精度绝对位移值存储到内存区I，被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1存储到内存区II，若未进行V_i+1计算，则存储V_i+1＝0；O——在步骤M执行后，计算机测量控制系统6将对带锁存可逆计数器5的采样得到的被测对象第i+1步的高精度绝对位移值存储到内存区III，被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1存储到内存区IV，若未进行V_i+1计算，则存储V_i+1＝0；P——在步骤N、步骤O执行后，计算机测量控制系统6将第i+1步超高精度绝对位移值和高精度绝对位移值综合，得到被测对象第i+1步实际绝对位移值，并根据内存区II、IV综合得到被测对象第i+1步的运动速度V_i+1，这两个数据可以输出进行显示，或输出到上位机中处理，同时V_i+1和V_i为下一步采样过程提供了判别数据；Q——在步骤P执行后，计算机测量控制系统6的第i+1步采样结束，从而完成了一次超高精度低速测量和高精度高速测量及二者之间的切换。该过程的反复循环进行就可以实现对单光栅大运动范围、高运动速度、超高精度位移的测量。其中：i是指任一步骤；i+1是指i步骤的后一步骤；i-1是指i步骤的前一步骤。

Claims (4)

1.基于单光栅的超高精度定位测量装置，包括一单光栅测量传感器(1)，其特征是，单光栅测量传感器(1)的信号输出端口连接到高倍细分电路(2)和低倍细分电路(3)的输入端口，高倍细分电路(2)的计数脉冲输出端口和方向信号输出端口都连接到带锁存高频可逆计数器(4)的两个相应输入端，低倍细分电路(3)的计数脉冲输出端口和方向信号输出端口都连接到带锁存可逆计数器(5)相应的两个输入端，带锁存高频可逆计数器(4)和带锁存可逆计数器(5)的输出端口都连接到计算机测量控制系统(6)，计算机测量控制系统(6)的两个输出端口，一组连接到高倍细分电路(2)和带锁存高频可逆计数器(4)，一组连接到低倍细分电路(3)和带锁存可逆计数器(5)。

2.一种根据权利要求1所述的基于单光栅的超高精度定位测量装置的定位测量方法，其特征是，高倍细分电路(2)和带锁存高频可逆计数器(4)构成超精密低速测量模块(7)，低倍细分电路(3)和带锁存可逆计数器(5)构成精密高速测量模块(8)；通过超精密低速测量模块(7)和精密高速测量模块(8)将单光栅测量传感器(1)获得的测量信号进行不同倍率的细分，而超精密低速测量模块(7)和精密高速测量模块(8)是否进行细分和计数工作，则由计算机测量控制系统(6)根据当时被测对象运动速度来切换：当被测对象运动速度大于单光栅进行超精密定位测量时所能达到的极限运动速度时，计算机测量控制系统(6)将控制精密高速测量模块(8)进入工作状态，而超精密低速测量模块(7)处于等待工作状态；反之，计算机测量控制系统(6)将控制超精密低速测量模块(7)进入工作状态，而精密高速测量模块(8)处于等待工作状态，所有的定位测量数据都是通过计算机测量控制系统(6)定时采集超精密低速测量模块(7)和精密高速测量模块(8)的测量脉冲，并在计算机测量控制系统(6)中进行综合，以获得相应的定位测量数据。

3.根据权利要求2所说的方法，其特征是，所说的细分即是将测量信号的频率进行倍频，从而在超精密低速测量模块(7)和精密高速测量模块(8)的输出端可以获得较测量信号频率高一万倍和一百倍的脉冲信号。

4.根据权利要求2所说的方法，其特征是，测量和切换步骤为：A——计算机测量控制系统(6)准备进行第i+1步采样；B——在第i+1步采样前，首先需要判别计算机测量控制系统(6)的测量切换点，即判别被测对象第i-1步速度V_i-1是以低运动速度运行还是以高运动速度运行，当判决结果为V_i-1＞V_L时，转入步骤C执行，当判决结果为V_i-1≤V_L时，转入步骤D执行；C——当第i-1步速度V_i-1＞V_L时，判别被测对象第i步速度V_i是否大于V_L，当V_i＞V_L时，转入步骤F执行，当V_i≤V_L时，转入步骤E执行；D——当第i-1步速度V_i-1≤V_L时，判别被测对象第i步速度V_i是否大于V_L，当V_i＞V_L时，转入步骤H执行，当V_i≤V_L时，转入步骤G执行；通过步骤B、步骤C、步骤D可以确定是否要进行超精密低速测量模块(7)与精密高速测量模块(8)的测量切换，如果要切换是从低速切换到高速，还是从高速切换到低速；E——根据步骤C判决V_i＞V_L，要进行精密高速测量模块(8)到超精密低速测量模块(7)的测量切换，同时进行采样；F——根据步骤C判决V_i≤V_L，不进行测量模块切换，仅进行采样；G——根据步骤D判决V_i≤V_L，不进行测量模块切换，仅进行采样；H——根据步骤D判决V_i＞V_L，要进行超精密低速测量模块(7)到精密高速测量模块(8)的测量切换，同时进行采样；I——在步骤E执行后，本步骤才能够执行，计算机测量控制系统(6)同时输出四路控制信号，同步控制高倍细分电路(2)开始工作、低倍细分电路(3)停止工作，并控制带锁存高频可逆计数器(4)和带锁存可逆计数器(5)计数值的锁存，然后对二者的锁存值进行采样，达到切换和采样的目的；J——在步骤F执行或者步骤G执行后，本步骤才能够执行，计算机测量控制系统(6)同时输出两路控制信号，同步控制带锁存高频可逆计数器(4)和带锁存可逆计数器(5)计数值的锁存，然后对二者的锁存值进行采样，达到采样的目的；K——在步骤H执行后，本步骤才能够执行，计算机测量控制系统(6)同时输出四路控制信号，同步控制高倍细分电路(2)停止工作、低倍细分电路(3)开始工作，并控制带锁存高频可逆计数器(4)和带锁存可逆计数器(5)计数值的锁存，然后对二者的锁存值进行采样，达到切换和采样的目的；L——在步骤I或者步骤J或者步骤K执行后，计算机测量控制系统(6)对带锁存高频可逆计数器(4)的采样数据进行处理，首先将读取的计数值转换为被测对象第i+1步的超高精度绝对位移值，如果第i+1步采样前高倍细分电路(2)处于工作状态，则将第i步超高精度绝对位移量比较，计算出第i+1步和第i步的超高精度位移量差值，并根据采样周期与位移量差值计算出被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1，否则不进行实际运动速度的计算；M——在步骤I或者步骤J或者步骤K执行后，计算机测量控制系统(6)对带锁存可逆计数器(5)的采样数据进行处理，首先将读取的计数值转换为被测对象第i+1步的高精度绝对位移值，如果第i+1步采样前低倍细分电路(3)处于工作状态，则将第i步高精度绝对位移量比较，计算出第i+1步和第i步的高精度位移量差值，并根据采样周期与位移量差值计算出被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1，否则不进行实际运动速度的计算；N——在步骤L执行后，计算机测量控制系统(6)将对带锁存高频可逆计数器(4)的采样得到的被测对象第i+1步的超高精度绝对位移值存储到内存区I，被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1存储到内存区II，若未进行V_i+1计算，则存储V_i+1＝0；O——在步骤M执行后，计算机测量控制系统(6)将对带锁存可逆计数器(5)的采样得到的被测对象第i+1步的高精度绝对位移值存储到内存区III，被测对象第i+1步实际运动速度V_i+1存储到内存区IV，若未进行V_i+1计算，则存储V_i+1＝0；P——在步骤N、步骤O执行后，计算机测量控制系统(6)将第i+1步超高精度绝对位移值和高精度绝对位移值综合，得到被测对象第i+1步实际绝对位移值，并根据内存II、IV综合得到被测对象第i+1步的运动速度V_i+1，这两个数据可以输出进行显示，或输出到上位机中处理，同时V_i+1和V_i为下一步采样过程提供了判别数据；Q——在步骤P执行后，计算机测量控制系统(6)的第i+1步采样结束，从而完成了一次超高精度低速测量和高精度高速测量及二者之间的切换，其中：i是指任步骤；i+1是指i步骤的后一步骤；i-1是指i步骤的前一步骤；V_L是指计算机测量控制系统(6)的测量切换点上被测对象的速度。

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