CN102364306B - 使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统 - Google Patents

使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统；更具体而言，本发明涉及这样一种使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其通过对便携式门架系统提供实时反馈作为左右和上下方向的误差值并且然后将预载真空的压力调节至这个结果值而精密地控制相对于平面度、倾斜度、准直度、翻滚度以及摇摆度的误差。

Description

使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统
技术领域
本发明涉及使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统；更具体而言，本发明涉及这样一种使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其通过对便携式门架系统(Gantrysystem)提供实时反馈作为左右和上下方向的误差值并且然后将预载真空的压力调节至这个结果值而精密地控制相对于平面度、倾斜度(pitch)、准直度、翻滚度(yaw)以及摇摆度(roll)的误差。
背景技术
近年来，结合工业发展，已有制成品和零件变得功能强大并且小型化的趋势；结合IT、BT以及NT领域中的发展，出现对拥有纳米级精度的生产技术有需求的情况。在与这样的情况相称的生产系统之中，已开发出提高进行直线运动的直线工作台(linear stage)的精度水平的精密直线工作台并且正在继续对其进一步地进行开发。
另一方面，尽管直线工作台构成用于进行直线运动的生产系统，但这样的系统的误差不仅限于沿移动方向的误差。
参照图1，其描绘了以沿直线导轨(11)移动的直线工作台为例的传统直线工作台误差，当将动子(12)的移动方向表示为x轴时，出现沿y轴方向发生的水平方向移动误差(eh)和沿z轴方向发生的垂直方向移动误差(ev)的平移误差分量，连同构成沿x/y/z轴方向的转动误差分量的摇摆度误差、倾斜度误差以及翻滚度误差。
这样的误差对精密直线工作台造成非常严重的问题；因此，测量这样的误差并且确认直线工作台的精度是极其重要的。
传统地，为了测量这样的误差，同时使用诸如激光干涉仪、自动 准直仪以及电容传感器等各种装置来分别计算所述误差中的每一个。
为了在这样的传统测量方法中同时使用各种装置，这些装置的装配是复杂的并且测量操作非常困难；此外，在设备装配期间还会出现装配误差。因此，在测量误差时，基于统一的初始位置进行测量是必要的；然而，由于使用各种装置，因此常常不可能获得准确的初始位置。
此外，使用传统的测量方法，除了如上所述的出现误差的高可能性之外，还存在非常难以确认测量值的准确度的事实。
此外，在传统测量方法中所使用的各种装置之中，激光干涉仪和自动准直仪是极其昂贵的装置；因此，从经济角度出发，同时安装这两种装置是非常难于负担的。
发明内容
因此，设计了本发明来解决上述问题；本发明的目的在于提供一种使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其通过使用线性编码器来提供实时位置误差反馈并且然后通过响应于这个反馈而调节空气轴承垫的预载真空的压力来补偿相对于平面度、倾斜度、准直度、翻滚度以及摇摆度的误差。
根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的特征在于其由以下各项构成：由花岗岩或铝制成的高质量基座；两个直线电机(linear motor)，其沿相同的进给轴方向以平行方式被布置和驱动以使可动支架(moving carriage)移动；线性编码器，其检测相应的直线电机的位置值并且提供这个位置值作为反馈以便补偿位置误差；空气轴承和真空垫，其以基座表面作为基准移动并且将指定的接触力/张力/压缩力认可(authorize)为压缩空气的力使得所述可动支架能够移动；可动支架，其夹持(chuck)放置在所述基座上的设备或者使有效负载移动；钢棒，其用于引起磁预载力；以及预载磁体，其沿所述空气轴承和真空垫的反方向操纵(operate)磁力以形成高刚度从 而能够耐受瞬时外力(the external force of the moment)；所述线性编码器由安装在所述可动支架的侧表面上的侧表面线性编码器对和安装在所述可动支架的一侧的下部的下表面线性编码器对构成；并且所述线性编码器沿刻度尺移动，所述刻度尺具有标准标记、用于补偿垂直位置误差的L轨迹以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹。
如上所述，根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统用以μm为单位的高精度水平来补偿相对于平面度、倾斜度、准直度、翻滚度以及摇摆度的误差；因此，获得以下益处：使不可能处理(process)的部分最小化，降低了处理成本并且可实现精密工作台。
附图说明
图1是示出传统的直线工作台误差的概要的图示；
图2是根据本发明的直线工作台的详细正视图；
图3是根据本发明的直线工作台的平面图；
图4是图2的线性编码器和刻度尺的图示；
图5是图2的线性编码器和刻度尺的详细视图；
图6是图2的空气轴承和真空垫的详细视图；
图7是装备并且预载在图6的空气轴承和真空垫上的真空空气轴承的详细视图；
图8是根据本发明的准直度误差补偿系统的图示；
图9是根据本发明的翻滚度误差补偿系统的图示；
图10是根据本发明的平面度误差补偿系统的图示；
图11是根据本发明的倾斜度误差补偿系统的图示；
图12是根据本发明的摇摆度误差补偿系统的图示。
具体实施方式
下面，参照附图更详细地解释根据本发明的使用编码器反馈、误 差映射以及气压控制的误差补偿系统。在解释本发明时，当已确定相关的开放式结构或部件的具体说明可能混淆本发明的实质时，省略这样的详细说明。此外，考虑到本发明的功能而定义了在此所描述的术语；这样的术语可以根据客户、操作员或用户的使用的目的而改变。因此，定义必须基于涵盖本说明书的整体的细节。
贯穿所有附图，相同的参考标号指代相同的结构元件。
图2是根据本发明的直线工作台的详细正视图；图3是根据本发明的直线工作台的平面视图；图4是图2的线性编码器和刻度尺的图示；图5是图2的线性编码器和刻度尺的详细视图；图6是图2的空气轴承和真空垫的详细视图；图7是装备和预载在图6的空气轴承和真空垫上的真空空气轴承的详细视图；图8是根据本发明的准直度误差补偿系统的图示；图9是根据本发明的翻滚度误差补偿系统的图示；图10是根据本发明的平面度误差补偿系统的图示；图11是根据本发明的倾斜度误差补偿系统的图示；图12是根据本发明的摇摆度误差补偿系统的图示。
参照图2至图12，根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统由以下各项构成：由花岗岩或铝制成的高质量基座(21)；两个直线电机(22)，其沿相同的进给轴方向以平行方式被布置和驱动以使可动支架移动；线性编码器(23)，其检测相应的直线电机的位置值并且提供这个位置值作为反馈以便补偿位置误差；空气轴承和真空垫(24)，其以基座(21)的表面作为基准移动并且将指定的接触力/张力/压缩力认可为压缩空气的力使得可动支架能够移动；可动支架(25)，其夹持放置在基座上的设备或者使有效负载移动；钢棒(26)，其用于引起磁预载力；以及预载磁体(27)，其沿空气轴承和真空垫(24)的反方向操纵磁力以形成高刚度从而能够耐受瞬时外力。
线性编码器(23)由安装在可动支架(25)的侧表面上的侧表面线性编码器(23-1，23-1′)对和安装在可动支架(25)的一侧的下部的下表面线性编码器(23-2，23-2′)对构成；并且以这种方式构成的线性编码器(23) 沿刻度尺移动，该刻度尺具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)。因此，使得相对于准直度、平面度、倾斜度、翻滚度以及摇摆度的反馈成为可能。在此，侧表面线性编码器(23-1，23-1′)和下表面线性编码器(23-2，23-2′)分别被安装在可动支架(25)的两侧。
空气轴承和真空垫(24)被构成为具有预载真空空气轴承(70)的单个单元，并且其调节预载真空空气轴承(70)的压力；因此，空气轴承和真空垫的预载力可以被控制。
在此，参照图2至图12，更详细地解释根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的用于补偿相对于平面度、倾斜度、准直度、翻滚度以及摇摆度的误差的系统。
首先，在检验根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的用于补偿准直度误差的系统时，可动支架(25)沿刻度尺在箭头所描绘的移动方向上移动，该刻度尺具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)，如前所述。因此，随着附着于(adhered to)可动支架(25)的左/右侧表面的侧表面线性编码器(23-1，23-1′)对之中的侧表面线性编码器(23-1，23-1′)中的一个沿刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿刻度尺的水平位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应刻度尺的水平位置；因此，空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿可动支架(25)的准直度误差。
此外，在检验根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的用于补偿翻滚度误差的系统时，可动支架(25)沿刻度尺在箭头所描绘的移动方向上移动，该刻度尺具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)，如前所述。因此，随着附着于可动支架(25)的左/右侧表面的侧表面线性编码器(23-1，23-1′)沿刻度尺移动，关于L轨迹(42) 的误差值的反馈被提供以便补偿刻度尺的垂直位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，在直线电机(22)被控制的同时空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿可动支架(25)的翻滚度误差。
另外，在检验根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的用于补偿平面度误差的系统时，可动支架(25)沿刻度尺在箭头所描绘的移动方向上移动，该刻度尺具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)，如前所述。因此，随着附着于可动支架(25)的两端的下部的下表面线性编码器(23-2，23-2′)沿刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿刻度尺的水平位置，并且预载真空空气轴承(70)的气压同时被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿可动支架(25)的平面度误差。
此外，在检验根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的用于补偿倾斜度误差的系统时，可动支架(25)沿刻度尺在箭头所描绘的移动方向上移动，该刻度尺具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)，如前所述。因此，随着附着于可动支架(25)的两端的下部的下表面线性编码器(23-2，23-2′)沿刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿刻度尺的水平位置，关于下表面线性编码器(23-2，23-2′)的相应的误差值的反馈被提供，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿可动支架(25)的倾斜度误差。
同样地，在检验根据本发明的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统的用于补偿摇摆度误差的系统时，可动支架(25)沿刻度尺在箭头所描绘的移动方向上移动，该刻度尺具有标准标记 (41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)，如前所述。因此，随着附着于可动支架(25)的左/右侧表面的一对侧表面线性编码器(23-1，23-1′)沿刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿刻度尺的水平位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿可动支架(25)的摇摆度误差。
实时误差补偿系统已被使用，其中[可动支架(25)]沿具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置[误差]的T轨迹(43)的刻度尺移动而同时反馈误差被提供，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节，使得空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节；然而，在独立的激光扫描装置被使用并且基座的下表面以及侧表面被扫描之后，误差补偿软件接着被使用并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节，使得由于在线测量(line measurement)之后的调节空气轴承和真空垫(24)的预载压力的补偿系统，显然也使得对与平面度、倾斜度、准直度、翻滚度以及摇摆度相关的误差的补偿成为可能。
虽然已通过提供上述优选的可用实例解释了本发明，但这些可用实例不是意在限制本发明，而是被提供用于示意，并且本发明所属领域的技术人员可以各种方式对这些可用实例进行改变、修正或调整而不背离本发明的技术细节。因此，本发明的保护范围应被解释为包括涵盖在本发明的技术细节的实质内的改变、修正以及调整的所有实例。
[参考标号说明]
21：基座
22：直线电机 
23：线性编码器 
23-1，23-1′：侧表面线性编码器
23-2，23-2′：侧表面线性编码器[原文如此，但应是下表面线性编码器]
24：空气轴承和真空垫
25：可动支架 
26：钢棒
27：预载磁体 
41：标准标记 
42：L轨迹
43：T轨迹
70：预载真空空气轴承 。

Claims (6)

1.一种使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统,所述系统由以下各项构成：
由花岗岩或铝制成的高质量基座(21)，
两个直线电机(22)，其沿相同的进给轴方向以平行方式被布置和驱动以使可动支架移动，
线性编码器(23)，其检测相应的直线电机的位置值并且提供这个位置值作为反馈以便补偿位置误差，
空气轴承和真空垫(24)，其以基座(21)的表面作为基准移动并且将指定的接触力/张力/压缩力认可为压缩空气的力使得所述可动支架能够移动，
可动支架(25)，其夹持放置在所述基座上的设备或者使有效负载移动，
钢棒(26)，其用于引起磁预载力，以及
预载磁体(27)，其沿所述空气轴承和真空垫(24)的反方向操纵磁力以形成高刚度从而能够耐受瞬时外力；
所述线性编码器(23)由安装在所述可动支架(25)的侧表面上的侧表面线性编码器(23-1,23-1')对和安装在所述可动支架(25)的一侧的下部的下表面线性编码器(23-2,23-2')对构成；并且
所述线性编码器(23)沿刻度尺移动，所述刻度尺具有标准标记(41)、用于补偿垂直位置误差的L轨迹(42)以及用于补偿水平位置误差的T轨迹(43)。
2.根据权利要求1所述的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其中，随着附着于所述可动支架(25)的左/右侧表面的侧表面线性编码器(23-1,23-1')对之中的侧表面线性编码器(23-1,23-1')中的一个沿所述刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿所述刻度尺的水平位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应所述刻度尺的水平位置；因此，所述空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿所述可动支架(25)的准直度误差。
3.根据权利要求1所述的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其中，随着附着于所述可动支架(25)的左/右侧表面的侧表面线性编码器(23-1,23-1')沿所述刻度尺移动，关于L轨迹(42)的误差值的反馈被提供以便补偿所述刻度尺的垂直位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压分别被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，在所述直线电机(22)被控制的同时所述空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿所述可动支架(25)的翻滚度误差。
4.根据权利要求1所述的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其中，随着附着于所述可动支架(25)的两端的下部的下表面线性编码器(23-2,23-2')沿所述刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿所述刻度尺的水平位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压同时被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，所述空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿所述可动支架(25)的平面度误差。
5.根据权利要求1所述的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其中，随着附着于所述可动支架(25)的两端的下部的所述下表面线性编码器(23-2,23-2')沿所述刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿所述刻度尺的水平位置，关于所述下表面线性编码器(23-2,23-2')的相应的误差值的反馈被提供，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，所述空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿所述可动支架(25)的倾斜度误差。
6.根据权利要求1所述的使用编码器反馈、误差映射以及气压控制的误差补偿系统，其中，随着附着于所述可动支架(25)的左/右侧表面的一对侧表面线性编码器(23-1,23-1')沿所述刻度尺移动，关于T轨迹(43)的误差值的反馈被提供以便补偿所述刻度尺的水平位置，并且相应的预载真空空气轴承(70)的气压被调节以响应对于其反馈被提供的误差值；因此，所述空气轴承和真空垫(24)的预载压力被调节，由此补偿所述可动支架(25)的摇摆度误差。
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