CN109738119A - 一种重心位置测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密主动减振相关技术领域，其公开了一种重心位置的测量方法。所述方法采用重心测量系统实现，该重心测量系统包括控制器和两个以上的主动减振器，每个所述主动减振器配合有执行器及传感器，所述主动减振器用于支撑负载，并在各主动减振器处形成支撑点，该测量方法包括：S1启动重心测量系统，控制器调整各执行器的出力幅值，使得负载只存在重力方向的响应；S2根据各执行器出力幅值及相邻支撑点间的距离计算获得所述负载的重心位置。本发明还公开了一种对应的测量系统。本发明的测量方法，实现了精密主动减振器负载重心的快速识别，并且不借助额外传感器，过程对设备影响小，测量精度高。

Description

一种重心位置测量方法及系统

技术领域

本发明属于精密减振技术领域，更具体地，涉及一种重心位置测量方法及系统，该测量方法可用于光刻机、扫描电镜、精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等精密加工装备重心的测量。

背景技术

随着科技的发展，以光刻机、扫描电镜等为代表的超精密设备的应用越来越广泛，其制造和测量的精度也越来越接近物理极限。在微/纳米加工或测量的过程中，环境振动成为了制约其精度的瓶颈问题。光刻机、扫描电镜等精密加工装备、设备不仅需要放置在精密主动减振器上进行工作，必要时，也需要精密主动减振器为其提供激励源，方便检测设备故障，分析动力学特性等。由于精密装备、设备结构复杂，且含有运动部件，其重心位置难以理论计算确定，需要通过一定的方法进行现场检测。

现有重心测量方案普遍通过吊装实验或力传感器等方法，但是此类方法不适用于设备不便移动或系统不便额外加装力传感器的场合，尤其不适用于如光刻机、扫描电镜的设备不方便大幅移动的精密设备或仪器，其支撑部件主动减振器也不便于额外加装力传感器。其次，在某些精密设备的重心测量过程中，负载的重心位置是随时变化的，如光刻机在工作过程中，掩摸台和硅片沿Y方向以一定的速比反向运动，完成一场曝光后，硅片台沿X方向步进到下一场并继续曝光，传统的重心测量方法，难以适应这种动态变化负载的重心测量。此外，传统的吊装实验或力传感器等方法，尤其是吊装实验法，其测量的重心精度难以满足精密仪器或设备的精度要求。因此，研究适用于光刻机、扫描电镜、精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等精密加工装备重心的测量方法及设备具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种重心位置测量方法，其目的在于，使主动减振器的执行机构以一定的方法对系统施加激励力，通过振动传感器测量系统响应进行反馈，不断迭代各执行机构的激励力大小，最终达到各个传感器响应相同或响应之差小于目标值，最终通过各执行机构激励力幅值比计算出负载的重心位置，实现了精密主动减振器负载重心的快速识别，并且不借助额外传感器，识别迅速，过程对设备影响小，易于实现。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种重心位置的测量方法，其特征在于，采用重心测量系统实现，该重心测量系统包括控制器和两个以上的主动减振器，每个所述主动减振器配合有执行器及传感器，所述主动减振器用于支撑负载，并在各主动减振器处形成支撑点，该重心位置的测量方法包括如下步骤：

S1启动重心测量系统，控制器调整各执行器的出力幅值，使得负载只存在重力方向的响应；

S2根据各执行器出力幅值及相邻支撑点间的距离计算获得所述负载的重心位置。

进一步的，所述S1包括以下步骤：

S11所述控制器控制其中一个执行器的激励幅值正弦出力不变，其他各执行器与所述其中一个执行器以同相位、同频率ω、不同激励幅值正弦出力，以对所述负载进行持续激励；

S12所述传感器持续采集所述主动减振器的响应信号；

S13对所述响应信号进行处理，提取各所述主动减振器在频率ω处的响应幅值；

S14计算不同所述主动减振器响应幅值的差值，若所述差值大于阈值，则反馈至步骤S11，重新调整其他各执行器的激励幅值，并对所述负载持续激励；若否，则停止迭代。

进一步的，步骤S2包括如下步骤：

S21确定各所述主动减振器的响应幅值比；

S22根据所述响应幅值比及相邻支撑点间的距离，确定重心位置；其中，

对于两个所述主动减振器形成的两点支撑系统，通过所述响应幅值比确定重心距离两个支撑点的位置，从而确定重心坐标；或者，

对于三个或多个所述主动减振器形成的三点或多点支撑系统，通过所述响应幅值比先确定每相邻两支撑点之间质心所在的直线，不重合的三点确定两条相交直线，所述相交直线的交点即为重心位置。

进一步的，步骤S14中，所述其他各执行器的激励幅值根据所述主动减振器到负载的振动速度响应传递函数调整。

进一步的，所述振动速度响应传递函数为：

式中：X₁为主动减振器I₁位移的拉式变换；

F₁为主动减振器I₁电机力的拉式变换；

m₁为主动减振器承载的等效质量；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

进一步的，所述重心测量系统中，频率其中，k为系统刚度，M为负载重量。

进一步的，对于所述三个所述主动减振器形成的三点支撑系统，其重心位置的确定包括如下步骤：

S221采集所述各主动减振器的响应幅值f₁、f₂、f₃，获得其等效质量比；

式中：f_x为|F_x|，F₁、F₂、F₃分别为主动减振器I₁、I₂、I₃电机力的拉式变换；

m₁、m₂、m₃分别为主动减振器承载的等效质量；

S222根据各所述主动减振器的等效质量比确定相邻两支撑点质心所在直线，不重合的三点确定两条相交直线，获取两条相交直线的交点，测量交点到各所述主动减振器的距离，从而获得负载的质心位置；

S223在水平面上，负载的重心与质心重合，从而根据所述质心位置，获得负载的重心位置。

按照本发明的另一个方面，提供一种重心位置的测量系统，其用于实现上述的重心位置的测量方法，包括：

至少两套主动减振器，所述主动减振器包括执行器，用于支撑待测负载并抑制地基对其的扰动；

传感器，其与所述主动减振器的数量和位置相匹配，用于采集各主动减振器的数据，经过信号处理获得各主动减振器的响应幅值；

控制器，其接收所述传感器的各主动减振器的响应幅值数据，并对其进行处理获得各主动减振器的激励幅值，再以该激励幅值继续激励所述执行器动作，反复迭代，使得所述待测精密设备只存在重力方向的响应。

进一步的，所述执行器能够在所述待测精密设备的重力方向施加力，包括洛伦兹电机、压电陶瓷或磁阻作动器。

进一步的，所述传感器能够测量负载的重力方向运动特征，包括电涡流位移传感器、振动速度传感器及加速度传感器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的重心位置测量方法，使主动减振器的执行机构以一定的方法对系统施加激励力，通过振动传感器测量系统响应进行反馈，不断迭代各执行机构的激励力大小，达到各个传感器响应相同或响应之差小于目标值，最终通过各执行机构激励力幅值比计算出负载的重心位置，实现了精密主动减振器负载重心的快速识别，并且不借助额外传感器，识别迅速，过程对设备影响小，测量精度高，易于实现。

2.本发明的重心位置测量方法，由于通过控制电机出力方式，使得负载两端响应相同，保持负载只有垂直方向的运动，而没有转动的参与，负载的角加速度极小，此时左右两个主动减振器可视为两个独立系统，相互间不存在耦合，因此重心位置的测量精度高，而且测量过程稳定，不需要吊装、翻转或大幅度调整负载。

3.本发明的重心位置测量方法，三点支撑甚至多点支撑的系统，可确定每两点之间的等效质量比，两点可确定此两点连线方向上的重心所在，此重心可确定为在一条直线上，不重合的三点就能确定两条相交直线，从而确定重心所在。

4.本发明的重心位置测量系统，地基是微振动来源，主动减振抑制地基对负载的扰动，负载两端各布置一个同类型传感器，控制器能够采集传感器的信号，亦能输出控制信号控制电机以及其它主动减振器中的电机，从而使得负载两端响应相同，保持负载只有垂直方向的运动。

5.本发明的重心位置测量系统，通过控制器迭代调整各个幅值大小，使得负载只存在z方向上单自由度运动而不存在任何转动耦合，三个主动减振器可等效为3独立的“质量-弹簧-阻尼系统”，通过振动传感器测量系统响应进行反馈，不断迭代各执行机构的激励力大小，最终达到各个传感器响应相同或响应之差小于目标值。

附图说明

图1为本发明实施例一种重心测量方法的实现步骤的流程图；

图2为本发明实施例1中含2个主动减振器的2点支撑的示意图；

图3为本发明实施例2中包含3个主动减振器的3点支撑的主动减振系统示意图；

图4为本发明实施例2中通过3点等效质量确定重心位置的示意图；

图5为本发明实施例2中通过3点等效质量测量重心位置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-2点支撑负载，2-第一传感器，3-第一执行器，4-弹簧，5-阻尼器，6-地基，7-控制器，8-主动减振器，9-第二执行器，10-第二传感器，11-3点支撑负载，12-主动减振器，13-第一重心所在直线，14-第二重心所在直线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，在本发明的其中一个实施例中，2点支撑负载1为质量分布不均的长杆，由主动减振器8支撑(左右各一个)，每个主动减振器8包括第一执行器3、弹簧4以及若阻尼器5。地基6是微振动来源，主动减振器8的作用是抑制地基6对负载1的扰动，2点支撑负载1两端各布置一个同类型第一传感器2和第二传感器10，控制器7能够采集第一传感器2和第二传感器10的信号，亦能输出控制信号控制第一执行器3和第二执行器9以及其它主动减振器中的执行器。

具体测量方法步骤如图2所示，步骤S1使控制器7进入重心测量模式，该模式下，控制器会控制电机3和电机9以同相位、同频率ω、不同幅值正弦出力，频率建议大于(共振频点)的10倍以上，幅值由步骤S2确定。步骤S2用于确定电机3和电机9的出力幅值f₁和f₂，初始可以相同，步骤S3使电机按照给定信号对负载持续激励，步骤S4强通过传感器2和10持续采集响应信号，步骤S5对数据进行处理，提取出频点ω处的响应，步骤S6计算传感器之间响应幅值的差值，若差值较大，则根据差值，反馈至步骤S2，步骤S2计算出新的激励幅值，迭代计算方式有多种，总体方向是，对于响应偏小的点加大激励幅值，反之减小相应点的幅值；若步骤S6中差值小于设定精度，则停止迭代，此时利用得出的出力幅值比f₁/f₂即为图1中左右两个主动减振器各自的等效质量比m₁/m₂，而重心G到两端距离则为f₂/f₁。

该测量方法由于通过控制电机出力方式，使得2点支撑负载1两端响应相同，保持2点支撑负载1只有垂直方向的运动，而没有转动的参与，2点支撑负载1的角加速度极小，此时左右两个主动减振器可视为两个独立系统，相互间不存在耦合，在后文的实例中也会加以说明这种方法的正确性、快速性。

此外，如图3所示，本发明提供另一种实施例，3点支撑甚至多点支撑的系统，同样通过此类方法，可确定每两点之间的等效质量比，实际当中，2点可确定此2点连线方向上的重心所在，此重心可确定为在一条直线上，不重合的3点就能确定两条相交直线，从而确定重心所在。

如图3所示，3点支撑3点支撑负载11由三个相同的主动减振器作三点支撑，每个主动减振器位于正三角形三个顶点处。主动减振器由弹簧、若阻尼器和洛伦兹电机和振动速度传感器组成，洛伦兹电机能够在重力方向出力，地音速度传感器能测量负载的振动速度。当给定每个电机以频率为(频率越大越好，尽可能远离共振频点，k为弹性模量，M为负载重量)，幅值分别为f₁、f₂、f₃正弦波激励，图3中O点设为惯性坐标系原点，当通过控制器迭代调整各个幅值大小，使得3点支撑负载11只存在z方向上(重力方向、竖直方向)单自由度运动而不存在任何转动耦合(此时3个振动速度传感器响应相同)，此时，三个主动减振器可等效为3个独立的“质量-弹簧-阻尼系统”(如图3中所示的主动减振器12所示)，三个主动减振器电机力到台面振动速度响应传函分别为

式中：X₁、X₂、X₃分别为主动减振器I₁、I₂、I₃位移的拉式变换；

F₁、F₂、F₃分别为主动减振器I₁、I₂、I₃电机力的拉式变换；

m₁、m₂、m₃分别为主动减振器承载的等效质量；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

当通过调整F₁、F₂、F₃使得3点支撑负载11仅在z向产生高频正弦响应时，所给定的三个力幅值比即为m₁、m₂、m₃的比，证明如下：

式(2)、式(3)分别与式(1)之比为

以式(4)来说明，当给定的激励频率时，并且系统阻尼c极小，那么式(4)右边为

式(4)左边为两个速度传感器之比，当响应相同时，此项为1。那么式(4)可以推出

式中m可为m₁、m₂较小的一个。

同理可知

联合可得

式中：f_x为|F_x|。

在水平面，质心与重心重合，如图4所示，根据各个主动减振器等效质量的分布，由m₁和m₂可确定质心位于第二重心所在直线14上，由m₁和m₃可确定质心位于第一重心所在直线13上，那么第一重心所在直线13与第二重心所在直线14交点即为质心，即重心所在。质心点坐标求解如下：

根据式(9)，可得

正三角形边长由测量可得，因此l₁₂、l₂₁、l₁₃、l₃₁均可求得，通过简单的几何关系即可求得重心COG的坐标。

根据具体数值和测试结果进行计算，计算过程参照图5所示，各参数如表1所示，可估算减振器共振频率为

本实例中采用的激振频率为628.32rad/s(100Hz)，此频率大于ω_n(8.554rad/s)十倍以上，满足测量要求。

本实例中，初始给定各点电机出力系数均为0.3333，并以减振器15的传感器响应为基准，保持该减振器电机出力系数不变，而不断迭代减振器16、减振器17的电机出力系数，使得各点传感器响应相同。多次迭代后，各电机出力系数趋于稳定，并在稳态值附近波动，对波动的多个数据取均值，确定各个电机出力系数分别为0.3333、0.7000、0.3333。

表1实施例参数表

负载质量M(kg)	4100
		刚度k(N/m)	100000
阻尼c(N/(m/s))	300
		正三角形边长l(m)	1
实际质心位置坐标(坐标系原点位于几何中心)	(-0.2048,0)

表2电机出力系数记录表

根据前面推导，可得各腿所承载等效质量如下

根据式(10)，可知

再结合减振器几何参数，易知质心坐标为(-0.2049,0)。可知本次测量中该方法所得到的质心位置x轴误差仅为0.1mm。

本发明的重心位置测量方法，使主动减振器的执行机构以一定的方法对系统施加激励力，通过振动传感器测量系统响应进行反馈，不断迭代各执行机构的激励力大小，最终达到各个传感器响应相同或响应之差小于目标值，最终通过各执行机构激励力幅值比计算出负载的重心位置，实现了精密主动减振器负载重心的快速识别，并且不借助额外传感器，识别迅速，过程对设备影响小，易于实现。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重心位置的测量方法，其特征在于，采用重心测量系统实现，该重心测量系统包括控制器和两个以上的主动减振器，每个所述主动减振器配合有执行器及传感器，所述主动减振器用于支撑负载，并在各主动减振器处形成支撑点，包括如下步骤：

S1启动重心测量系统，控制器调整各执行器的出力幅值，使得负载只存在重力方向的响应；

S2根据各执行器出力幅值及相邻支撑点间的距离计算获得所述负载的重心位置。

2.根据权利要求1所述的一种重心位置的测量方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：

S11所述控制器控制其中一个执行器的激励幅值正弦出力不变，其他各执行器与所述其中一个执行器以同相位、同频率ω、不同激励幅值正弦出力，以对所述负载进行持续激励；

S12所述传感器持续采集所述主动减振器的响应信号；

S13对所述响应信号进行处理，提取各所述主动减振器在频率ω处的响应幅值；

S14计算不同所述主动减振器响应幅值的差值，若所述差值大于阈值，则反馈至步骤S11，重新调整其他各执行器的激励幅值，并对所述负载持续激励；若否，则停止迭代。

3.根据权利要求1或2所述的一种重心位置的测量方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：

S21确定各所述主动减振器的响应幅值比；

S22根据所述响应幅值比及相邻支撑点间的距离，确定重心位置；其中，

对于两个所述主动减振器形成的两点支撑系统，通过所述响应幅值比确定重心距离两个支撑点的位置，从而确定重心坐标；或者，

对于三个或多个所述主动减振器形成的三点或多点支撑系统，通过所述响应幅值比先确定每相邻两支撑点之间质心所在的直线，不重合的三点确定两条相交直线，所述相交直线的交点即为重心位置。

4.根据权利要求2或3所述的一种重心位置的测量方法，其特征在于，步骤S14中，所述其他各执行器的激励幅值根据所述主动减振器到负载的振动速度响应传递函数调整。

5.根据权利要求4所述的一种重心位置的测量方法，其特征在于，所述振动速度响应传递函数为：

式中：X₁为主动减振器I₁位移的拉式变换；

F₁为主动减振器I₁电机力的拉式变换；

m₁为主动减振器承载的等效质量；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种重心位置的测量方法，其特征在于，所述重心测量系统中，频率其中，k为系统刚度，M为负载重量。

7.根据权利要求3所述的一种重心位置的测量方法，其特征在于，对于所述三个所述主动减振器形成的三点支撑系统，其重心位置的确定包括如下步骤：

S221采集所述各主动减振器的响应幅值f₁、f₂、f₃，获得其等效质量比；

式中：f_x为|F_x|，F₁、F₂、F₃分别为主动减振器I₁、I₂、I₃电机力的拉式变换；

m₁、m₂、m₃分别为主动减振器承载的等效质量；

S222根据各所述主动减振器的等效质量比确定相邻两支撑点质心所在直线，不重合的三点确定两条相交直线，获取两条相交直线的交点，测量交点到各所述主动减振器的距离，从而获得负载的质心位置；

S223在水平面上，负载的重心与质心重合，从而根据所述质心位置，获得负载的重心位置。

8.一种重心位置的测量系统，其用于实现如权利要求1-7中任一项所述的重心位置的测量方法，其特征在于，包括：

至少两套主动减振器，所述主动减振器包括执行器，用于支撑待测负载并抑制地基对其的扰动；

传感器，其与所述主动减振器的数量和位置相匹配，用于采集各主动减振器的数据，经过信号处理获得各主动减振器的响应幅值；

控制器，其接收所述传感器的各主动减振器的响应幅值数据，并对其进行处理获得各主动减振器的激励幅值，再以该激励幅值继续激励所述执行器动作，反复迭代，使得所述待测精密设备只存在重力方向的响应。

9.根据权利要求8所述的一种重心位置的测量系统，其特征在于，所述执行器能够在所述待测精密设备的重力方向施加力，包括洛伦兹电机、压电陶瓷或磁阻作动器。

10.根据权利要求8或9所述的一种重心位置的测量系统，其特征在于，所述传感器能够测量负载的重力方向运动特征，包括电涡流位移传感器、振动速度传感器及加速度传感器。