CN103900478A

CN103900478A - 一种平面运动测量装置及方法

Info

Publication number: CN103900478A
Application number: CN201210586818.7A
Authority: CN
Inventors: 李新振; 齐芊枫; 梁德志; 李进春
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103900478B

Abstract

本发明涉及一种平面运动测量装置及方法，用于测量运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移，该装置包括三组一维光栅测量机构，其中两组一维光栅测量机构位于所述运动体的X方向上，另外一组一维光栅测量机构位于所述运动体的Y方向上，其中，每组一维光栅测量机构包括两组移动副以及一组转动副，所述两组移动副的移动方向垂直，所述转动副与其中一组移动副可旋转式连接。本发明中，运动体在每组一维光栅测量机构处都会产生X、Y、Rz三个方向上的位移，而每组一维光栅测量机构只测量所述运动体在X方向或Y方向上的位移，其余两个方向上的位移通过所述移动副以及转动副实现解耦，从而完成运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移的测量。

Description

一种平面运动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于平面三自由度运动的测量的一种平面运动测量装置及方法。

背景技术

平面三自由度运动是目前各种工件台的主要运动方式。普通精度平面运动多应用于镗、铣床、普通车床的刀架以及显微镜的载物台等；较高精度的平面运动多应用于精密加工、精密测试仪器或设备中，如各种类型的光刻机和集成电路图形测量仪器等。

目前，对平面三自由度运动X、Y、Rz的测量主要有以下几种方式：

1.二维光栅尺测量

这种方式为直接测量，结构简单。但二维光栅尺读头与光栅尺的安装精度要求很高，二维光栅尺读头与光栅尺分别安装于不同的零件上，对于尺寸较大的零件在运动中的刚度难以保证，导致实际应用时，安装调试困难，无法保证测量精度。

2.干涉仪测量

这种方式测量精度高，范围大。但结构复杂，需要进行光路设计，成本较高，并且干涉仪测量系统对环境要求较高，不适用于一般精度测量系统。

3.旋转编码器测量

旋转编码器测量方式只适用于由连杆机构驱动的平面运动装置中，即：测量系统在初始化过程中读入旋转编码器初始值，在运动过程中读入编码器测量值，根据测量值与初始值的偏差计算出电机轴的转动角度，将该转动角度换算成曲柄运动位置，再将曲柄运动位置换算成铰支点位置，最终换算成平衡质量运动位置。整个过程中的间接测量较为繁琐，尺寸链较长，容易累积测量误差。

因此，如何提供一种结构简单、成本较低、可实现大行程测量的平面运动测量装置及方法是本领域的技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明提供一种平面运动测量装置及方法，在测量行程大、对精度与环境要求较低、成本较低的场合，对平面三自由度运动位移进行测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种平面运动测量装置，用于测量运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移，包括三组一维光栅测量机构，其中两组一维光栅测量机构位于所述运动体的X方向上，另外一组一维光栅测量机构位于所述运动体的Y方向上，其中，每组一维光栅测量机构包括两组移动副以及一组转动副，所述两组移动副的移动方向垂直，所述转动副与其中一组移动副可旋转式连接。

较佳地，所述每组一维光栅测量机构包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件以及光栅尺和读头，所述第一构件与第二构件组成转动副，所述第二构件与第三构件组成第一移动副，所述第三构件与第四构件固定连接，所述第四构件与第五构件组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。

较佳地，所述每组一维光栅测量机构包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件以及光栅尺和读头，所述第一构件与第二构件固定连接，所述第二构件与第三构件组成第一移动副，所述第三构件与第四构件组成转动副，所述第四构件与第五构件组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。

较佳地，所述光栅尺固定于所述第四构件上，所述读头固定于所述第五构件上。

较佳地，所述读头上分别设有零位传感器。

本发明还提供了一种平面运动测量方法，采用如上所述的平面运动测量装置，位于X方向的一维光栅测量机构测量X方向的位移，位于Y方向的一维光栅测量机构测量Y方向的位移，位于同方向的一维光栅测量机构测量Rz方向的位移。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.与二维光栅尺测量方法相比，本发明对零件刚度要求底，便于安装调试；

2.与干涉仪测量方法相比，本发明结构简单，成本低，对环境要求较低；

3.与旋转编码器测量方法相比，本发明采用直接测量，通用性较高，测量误差小。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的平面运动测量装置的安装位置示意图；

图2为本发明实施例1的平面运动测量装置中的一组光栅测量机构的结构示意图；

图3为本发明实施例1的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（初始位置）；

图4为本发明实施例1的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（运动体发生位移）；

图5为本发明实施例1的平面运动测量装置中一组光栅测量机构在实际应用中的结构示意图；

图6为图5的左视图；

图7为本发明实施例2的平面运动测量装置中的一组光栅测量机构的结构示意图；

图8为本发明实施例2的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（初始位置）；

图9为本发明实施例2的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（运动体发生位移）。

图中：100、200-运动体，110~130、210~230-一维光栅测量机构，111、211-第一构件，112、212-第二构件，113、213-第三构件，114、214-第四构件，115、215-第五构件，111’-固定块，112’-滚轮，113’-Y向滑槽，114’-读头，115’-固定板，116’-光栅尺，117’-X向导轨，118’-滑块，119’-零位传感器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的平面运动测量装置，如图1所示，用于测量运动体100在平面上X、Y及Rz方向的位移，包括三组一维光栅测量机构110、120、130，所述三组一维光栅测量机构110、120、130分别位于所述运动体100的X方向和Y方向上，也就是说，三组一维光栅测量机构110、120、130中有两组位于同方向上，另外一组位于与之垂直的X方向或Y方向上，本发明提供的实施例中，两组一维光栅测量机构110、130位于所述运动体的X方向上，另外一组一维光栅测量机构120位于所述运动体100的Y方向上。其中，每组一维光栅测量机构110、120、130包括两组移动副以及一组转动副，所述两组移动副的移动方向垂直，较佳地，所述两组移动副的移动方向分别沿X方向和Y方向，所述转动副与其中一组移动副可旋转式连接。本发明中，运动体100在每组一维光栅测量机构110、120、130处都会产生X、Y、Rz三个方向上的位移，而每组一维光栅测量机构110、120、130只测量所述运动体100在X方向或Y方向上的位移，其余两个方向上的位移通过所述移动副以及转动副实现解耦，也就是说，其余两个方向上的位移被所述移动副以及转动副吸收，其位移不会传递至所测方向上，换句话说，其余两个方向上的位移对所测方向上的位移没有任何影响，这样，三组一维光栅测量机构110、120、130分别测得一个Y方向位移、两个X方向位移或者两个Y方向位移、一个X方向位移，再根据两个同方向上的位移差值以及正切关系式得到运动体100在Rz方向旋转的角度，进而确定运动体100在平面上X、Y及Rz方向的位移。

实施例1

较佳地，请参考图2至图6，所述每组一维光栅测量机构110、120、130，以一维光栅测量机构110为例，包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件111、112、113、114、115以及光栅尺和读头，所述第一构件111与第二构件112组成转动副，所述第二构件112与第三构件113组成第一移动副，所述第三构件113与第四构件114固定连接，所述第四构件114与第五构件115组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直，具体地所述光栅尺固定于所述第四构件114上，所述读头固定于所述第五构件115上。若运动体100沿X方向移动，则光栅尺沿读头运动，产生X方向的位移读数；若运动体100沿Y方向运动，则第二构件112沿第三构件113（即Y方向）滑动，实现机械解耦；若运动体旋转运动，则第一构件111相对于第二构件112转动，实现机械解耦。

较佳地，请继续参考图5和图6，将上述的发明理念实施后形成具体的机械机构（仍然以一维光栅测量机构110为例）：运动体100与一固定块111’及滚轮112’固定连接，所述滚轮112’设于Y向滑槽113’的一端，并能够沿所述Y向滑槽113’滑动，所述Y向滑槽113’的另一端固定连接一滑块118’以及固定板115’，所述滑块118’设于X向导轨117’上，并能够沿X向导轨117’滑动，所述X向导轨117’与读头114’固定连接，所述光栅尺116’固定于所述固定板115’上。以机械部件的形式达到一维光栅测量机构110的实际效果。

较佳地，请继续参考图6，所述读头上分别设有零位传感器119’。当三组一维光栅测量机构110、120、130的三个零位传感器都处于零位时，运动体100处于零位，即初始状态。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于两个移动副与一个转动副的组成方式及连接方式不同。

较佳地，请参考图7至图9，所述每组一维光栅测量机构210、220、230，以一维光栅测量机构210为例，包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件211、212、213、214、215以及光栅尺和读头，所述第一构件211与第二构件212固定连接，所述第二构件212与第三构件213组成第一移动副，所述第三构件213与第四构件214组成转动副，所述第四构件214与第五构件215组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。具体地，若运动体200沿X方向移动，则光栅尺沿读头运动，产生X方向的位移读数；若运动体200沿Y方向运动，则第二构件212沿第三构件213（即Y方向）滑动，实现机械解耦；若运动体旋转运动，则第三构件213相对于第四构件214转动，实现机械解耦。

综上所述，本发明提供的平面运动测量装置及方法，用于测量运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移，该装置包括三组一维光栅测量机构，其中两组一维光栅测量机构位于所述运动体的X方向上，另外一组一维光栅测量机构位于所述运动体的Y方向上，其中，每组一维光栅测量机构包括两组移动副以及一组转动副，所述两组移动副的移动方向垂直，所述转动副与其中一组移动副可旋转式连接。。本发明中，运动体在每组一维光栅测量机构处都会产生X、Y、Rz三个方向上的位移，而每组一维光栅测量机构只测量所述运动体在X方向或Y方向上的位移，其余两个方向上的位移通过所述移动副以及转动副实现解耦，从而完成运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移的测量。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种平面运动测量装置，用于测量运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移，其特征在于，包括三组一维光栅测量机构，其中两组一维光栅测量机构位于所述运动体的X方向上，另外一组一维光栅测量机构位于所述运动体的Y方向上，其中，每组一维光栅测量机构包括两组移动副以及一组转动副，所述两组移动副的移动方向垂直，所述转动副与其中一组移动副可旋转式连接。

2.如权利要求1所述的平面运动测量装置，其特征在于，所述每组一维光栅测量机构包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件以及光栅尺和读头，所述第一构件与第二构件组成转动副，所述第二构件与第三构件组成第一移动副，所述第三构件与第四构件固定连接，所述第四构件与第五构件组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。

3.如权利要求1所述的平面运动测量装置，其特征在于，所述每组一维光栅测量机构包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件以及光栅尺和读头，所述第一构件与第二构件固定连接，所述第二构件与第三构件组成第一移动副，所述第三构件与第四构件组成转动副，所述第四构件与第五构件组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。

4.如权利要求2或3所述的平面运动测量装置，其特征在于，所述光栅尺固定于所述第四构件上，所述读头固定于所述第五构件上。

5.如权利要求4所述的平面运动测量装置，其特征在于，所述读头上分别设有零位传感器。

6.一种平面运动测量方法，采用如权利要求1所述的平面运动测量装置，其特征在于，位于X方向的一维光栅测量机构测量X方向的位移，位于Y方向的一维光栅测量机构测量Y方向的位移，位于同方向的一维光栅测量机构测量Rz方向的位移。