CN105094051A - 运动平台系统的平面定位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动平台系统的平面定位补偿方法，所述运动平台系统包括运动平台以及对运动平台上的物体进行测量的测量机台，该方法包括：a、选定标准量具，使其随运动平台一起运动，所述标准量具上具有多个精密等间距图案；b、使用测量机台的图案识别系统识别标准量具上的各个图案在运动平台中的识别坐标值；c、由识别坐标值拟合出图案间距和各个图案的修正坐标值；d、由所述修正坐标值与所述识别坐标值的差值，得出各个图案位置处需要的补偿量。本发明提供的运动平台系统的平面补偿表能在线进行，对运动平台系统的轴正交性和刻度均匀性同时做出补偿，并且在补偿量发生变化时，可以在原有补偿表的基础上对进一步运行的状况进行更新。

Description

运动平台系统的平面定位补偿方法

技术领域

本发明总的涉及工装技术领域，尤其涉及一种在精密测量等领域中使用的运动平台系统的平面定位补偿方法。

背景技术

运动平台广泛使用在精密测量等领域。需要测量或者操作的物体放在运动平台的卡盘上，运动平台在气体压力或者精密电机的牵引下移动物体到指定位置。由于运动平台的原理、机械、气浮等原因，运动平台最终位置和操作者期望的位置有微小的差别。这种微小的差别将会给后继的测量和操作带进误差。

运动平台系统本身具有平面位置的二维补偿，但是一般在离线(即，没有安装到测量机台中)情况下定标完成，与在线(即，已安装到测量机台中)情况相比，运行环境(主要是温度、湿度的变化)相差较大，没有反映出运动平台的轴正交性和安装带入的误差，这就导致离线得到的二维补偿一般无法满足在线测量时的定位精度需求。另外，长期使用运动平台系统后，补偿量会发生变化，此时尤其需要重新确定补偿量。

发明内容

运动平台系统运动不准确的原因主要有两方面：一是运动平台坐标系的x，y轴不正交，二是x，y轴的读数本身不均匀。本发明的目的在于改进上述现有技术中的不足，提出一种运动平台系统的平面定位补偿方法，可以从图案识别获取的各个图案的坐标来同时补偿运动平台这两方面的偏差。

所述运动平台系统包括运动平台以及对所述运动平台上的物体进行测量的测量机台，根据本发明，运动平台系统的平面定位补偿方法包括：a、选定标准量具，使其随运动平台一起运动，所述标准量具上具有多个精密等间距图案；b、使用测量机台的图案识别系统识别所述标准量具上的各个图案在运动平台中的识别坐标值；c、由所述识别坐标值拟合出图案间距和各个图案的修正坐标值；d、由所述修正坐标值与所述识别坐标值的差值，得出各个图案位置处需要的补偿量。

在一些情形下，使用的标准量具可以为标准硅片，其表面刻蚀尺寸精密的容易识别的图案，图案在水平和垂直方向等间距重复出现，每个单元称为一个Die。测量时，标准硅片吸附在运动平台的卡盘上，随着运动平台一起运动。

在本发明的方法中，利用测量机台附带的图案识别系统识别出标准硅片上各个图案的坐标，即运动平台中的识别坐标值。获取的标准硅片上各个图案的识别坐标值包含两方面的偏差，即x，y轴不正交以及x，y轴的读数不均匀。由这些识别坐标值可以拟合出图案间距(Die尺寸)和各个图案的修正坐标值。通过测量机台的正交坐标系与运动平台坐标系之间的换算关系来换算识别坐标值和修正坐标值，各个图案的修正坐标值与识别坐标值之差就是各个图案位置处需要的补偿量。标准硅片上其余位置的补偿量可以通过插值的办法给出。为了以后使用的方便，保证插值的精度，所述图案识别系统的扫描队列中包括所有的相同图案。

从上述描述可以看出，本发明提供了一种运动平台系统误差补偿的二维表方法。该方法借助图像识别和标准硅片，对运动平台系统的轴正交性和刻度均匀性同时做出补偿。标准硅片作为运动平台的标准量具，标准长度就是标准硅片上的精密等间距图案，图案识别系统辅助识别出图案的坐标，由此给出当前运动平台的长度与标准长度的换算关系。所得到的运动平台系统的平面补偿表能在线进行，并且在补偿量发生变化时，可以在原有补偿表的基础上对进一步运行的状况进行更新。由于本方法中使用数学拟合的方法，而不绝对依赖于某一点的识别，提高了x，y轴不正交和读数不均匀的补偿结果的可信度。

具体实施方式

下面详细讨论应用本发明运动平台系统的平面定位补偿方法的具体实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

扫描标准硅片表面得到的原始数据包括运动平台实际运行至的位置、识别出的图案像素位置等信息。由运动平台实际运行至的位置、识别出的图案像素位置以及每个像素等效的距离可以计算出每个图案被识别出的位置在运动平台中的坐标数值。

假设运动平台坐标系为x，y轴，它与测量机台的正交坐标系的X，Y轴的关系是：Y轴和y轴平行，X轴与x轴的角度是θ₁，因此两个坐标系的坐标可以建立数量关系如下：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)$ (式1)

上式可换算出各个图案在运动平台中的识别坐标值(x，y)。

更一般的情况下，正交坐标系旋转了一个角度θ₂，因此最终二者转换关系为：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)$ (式2)

在所有扫描图案中，选择坐标值最接近(0，0)的点为基准点，标记其在正交坐标系中的坐标值为运动平台坐标系中的坐标(x₀，y₀)，该点在两个坐标系中值重合，同时也相当于是运动平台坐标系中的坐标原点。由于所有图案都在扫描队列中，式2可以写成：

$\left(\begin{array}{c}{n}_x{D}_x+x_0\\ n_y{D}_y+y_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right),$ (式3)

上式中，D_x，y是Die的长宽，n_x，y是所有图案位置离散化的结果。上式可以拟合给出标准硅片Die的长宽以及θ₁和θ₂。

之后，可由下式计算各个图案的运动平台坐标，获得各个图案的修正坐标值

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{y}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{n}_x{D}_x+x_0\\ n_y{D}_y+y_0\end{array}\right)$ (式4)

由此，各个图案位置的补偿量为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{y}\end{array}\right)$ (式5)

由于测量机台使用的是正交坐标系中的坐标(X，Y)，测量时，需要运动平台运行至坐标(X，Y)处，此时需要按照式4将坐标(X，Y)转化为运动平台坐标然后计算该点处的补偿量，实际运动平台得到的命令是运动到(x，y)：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{y}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\end{array}\right).$

上述运动平台的平面补偿是在安装到测量机台的情况下在线进行。相比于现有的离线二维补偿，保证了在线测量时的定位精度要求，并且能够即时发现补偿量变化，对原有补偿表进行在线更新，对精密测量十分有利。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，应当理解的是，上述实施方式存在许多修改方式，这些方式对相关领域技术人员来说是很明显的。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的修改与润饰，这些修改/变型落入本发明的相关领域中，也应当包括在所附的权利要求的范围中。

Claims (7)

1.运动平台系统的平面定位补偿方法，所述运动平台系统包括运动平台以及对所述运动平台上的物体进行测量的测量机台，其特征在于，所述方法包括：

a、选定标准量具，使其随运动平台一起运动，所述标准量具上具有多个精密等间距图案；

b、使用测量机台的图案识别系统识别所述标准量具上的各个所述图案在运动平台中的识别坐标值；

c、由所述识别坐标值拟合出图案间距和各个图案的修正坐标值；

d、由所述修正坐标值与所述识别坐标值的差值，得出各个图案位置处需要的补偿量。

2.根据权利要求1所述的运动平台系统的平面定位补偿方法，其特征在于，所述标准量具为标准硅片，其表面刻蚀尺寸精密的图案，所述图案在水平和垂直方向等间距重复出现。

3.根据权利要求1所述的运动平台系统的平面定位补偿方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述图案识别系统的扫描队列中包括所有的相同图案。

4.根据权利要求1至3任一项所述的运动平台系统的平面定位补偿方法，其特征在于，所述识别坐标值满足下式：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right),$ 其中，X，Y为测量机台的正交坐标系的坐标值，x，y为运动平台坐标系的坐标值，X轴与x轴的角度为θ₁，Y轴与y轴平行。

5.根据权利要求4所述的运动平台系统的平面定位补偿方法，其特征在于，所述识别坐标值满足下式：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right),$ 其中，正交坐标系旋转角度θ₂。

6.根据权利要求5所述的运动平台系统的平面定位补偿方法，其特征在于，以所有扫描图案中坐标值最接近(0，0)的点为基准点(x₀，y₀)，所述拟合出的修正坐标值满足下式：

$\left(\begin{array}{c}{n}_x{D}_x+x_0\\ n_y{D}_y+y_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right),$ 其中，D_x，y是所述图案的长宽，n_x，y是离散化的所有图案。

7.根据权利要求6所述的运动平台系统的平面定位补偿方法，其特征在于，所述补偿量由下式计算：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\δx}\\ \mathrm{\δy}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{y}\end{array}\right),$

其中，(x，y)为所述识别坐标值，为所述修正坐标值，其由下式计算：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}\\ \stackrel{\‾}{y}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{n}_x{D}_x+x_0\\ n_y{D}_y+y_0\end{array}\right).$