CN110749287B - 一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置 - Google Patents

一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置，其中，该方法包括以下步骤：将四个角锥棱镜安装在磁悬浮导轨动子上，四个角锥棱镜的顶点位于同一水平面；将四路激光沿磁悬浮导轨动子的长行程直线运动方向分别入射到四个角锥棱镜；将四个PSD传感器分别垂直于各路激光布置，用于接收从所述四个角锥棱镜反射回来的发射光，通过PSD传感器测出反射光线的位置，计算得到磁悬浮导轨动子的当前位置信息；获取磁悬浮导轨动子的原始位置信息；根据磁悬浮导轨动子的当前位置信息和原始位置信息计算得到磁悬浮导轨动子的间隙。本发明不受磁场干扰，测量精度更高，能满足长行程导轨的测量要求，并且价格相对较低。

Description

一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮导轨悬浮间隙测量技术领域，具体地涉及一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置。
背景技术
作为大型TFT面板光刻机中的一个重要部分，直线导轨的性能严重制约着TFT光刻机的发展，多自由度高性能磁悬浮导轨以其优越性逐渐被应用于该类型的光刻机中。与传统的直线运动台相比，磁悬浮导轨具有以下优势：无机械接触和摩擦、满足超洁净制造环境的要求、维护费用低、使用寿命长、适用于真空环境等。如图1所示，磁浮导轨在结构上主要分为两大部分：一个是定子，另一个是动子。EI电机固定在动子上，通过多个电机的电磁力克服动子的重力并限制动子的5个自由度，以实现动子的稳定悬浮。除此之外，还需要将直线电机的动子固定在磁浮导轨的动子上，将直线电机的定子固定在磁浮导轨的定子上，通过直线电机带动动子在z轴方向进行大行程运动。z向行程较大，一般由光栅、容栅等直线位移传感器进行测量。动子的悬浮间隙一般在0.3～0.5mm，为了保证间隙，实现动子的稳定悬浮，人们需要对x、y方向上的间隙和动子在各轴的偏转角度进行高精度测量。由于动子在悬浮的同时还进行z向的大行程运动，而且对测量精度要求很高，所以能够用来测量动子悬浮间隙的方法比较少。
在由中南大学周海波2010年提交的题为《磁悬浮直线运动系统的设计与控制研究》的论文中，动子的位置信息主要通过电涡流传感器来测量，通过合理安装多个电涡流传感器并对其对信号进行处理，从而得到动子的悬浮间隙。该测量方式属于非接触式测量，精度较高，但电涡流传感器是根据电磁感应原理制成的，对测量靶面有一定的要求，在工作时很容易受到磁浮导轨中磁场的影响，而且价格较高。申请号为201310084934.3的中国发明专利公开了一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量方法，虽然能够简单、精确的测量运动台六个自由度的位置，但并不适用长行程的磁悬浮导轨。综合以上分析，对于长行程的磁悬浮直线导轨来说，需要一种更适合的测量方式。
发明内容
本发明提出了一种利用二维PSD传感器和角锥棱镜等来对磁悬浮导轨x、y方向上的间隙和动子在各轴的偏转角度进行测量的方法。该方法主要利用光学原理，具有精度高、不受磁场影响、价格较低的优点，满足测量要求。
角锥棱镜是一种作回射用的玻璃元件，它用三个90°角的反射面来回射入射光束。如图2所示，它是由三个相互垂直的反射面组成的一个棱镜，类似于长方体切下来的一个角。光束射入角锥棱镜以后，经由三个反射面的三次反射，从角锥棱镜出射，出射光束和入射光束方向相反且相互平行，而且入射光束只要在角锥棱镜的有效通光范围内即可，不必与其入射表面垂直。除此之外，角锥棱镜的光线入射表面为圆形，入射点与反射点相对于角锥棱镜顶点(即圆形面的中心)成轴对称分布，当入射点发生变化后，出射点也随之发生变化。由此，经角锥棱镜反射后的反射光带有两个方向上的位置信息。
PSD位置传感器是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器，分为一维PSD和二维PSD。当一束光落在PSD上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过P型电阻层被电极收集。P型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点的电极间距成反比。通过检测各个电极输出电流的大小，再经过计算就可以得到入射点的位置。
本发明的目的是通过提供一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置，解决传统间隙传感器(如电涡流传感器、霍尔传感器)易受磁场干扰以及受靶面加工精度影响而难以应用于长导轨的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法，其中，所述方法包括以下步骤：
将四个角锥棱镜安装在磁悬浮导轨动子上，所述四个角锥棱镜的顶点位于同一水平面；
将四路激光沿磁悬浮导轨动子的长行程直线运动方向分别入射到所述四个角锥棱镜；
将四个PSD传感器分别垂直于激光布置，用于接收从所述四个角锥棱镜反射回来的发射光，通过PSD传感器测出反射光线的位置，计算得到磁悬浮导轨动子的当前位置信息；
获取磁悬浮导轨动子的原始位置信息；
根据磁悬浮导轨动子的当前位置信息和原始位置信息计算得到磁悬浮导轨动子的间隙。
在一实施例中，磁悬浮导轨动子的间隙的具体计算过程为：
在磁悬浮导轨定子机架上建立xyz直角坐标系，其中，z方向为磁悬浮导轨动子的大行程直线运动方向；
假定所述磁悬浮导轨动子的长宽高分别为a、b、c，点O1、O2分别为所述磁悬浮导轨动子前后两面的中心，O点为所述磁悬浮导轨动子的中心，四个角锥棱镜的顶点分别为A1、A2、A3、A4，其中A1、A2位于所述磁悬浮导轨动子的前面，A3、A4位于所述磁悬浮导轨动子的后面，A1、A2、A3、A4和O1、O2在同一水平面上，且A1A2＝A3A4＝d，A1、A2、A3、A4的坐标分别记为A1(xA1,yA1)、A2(xA2,yA2)、A3(xA3,yA3)、A4(xA4,yA4)则磁悬浮导轨动子在x、y方向上的位置表示如下：
Figure BDA0002291216900000031
Figure BDA0002291216900000032
其中，xo、yo表示磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标值；
将四个角锥棱镜的入射点M坐标记为(xM1,yM1)、(xM2,yM2)、(xM3,yM3)、(xM4,yM4),出射点M’位置坐标记为(xM'1,yM'1)、(xM'2,yM'2)、(xM'3,yM'3)、(xM'4,yM'4)；由于角锥棱镜的入射点M和出射点M’关于其顶点对称，且入射点M的位置是固定不变的，出射点M’位置由PSD传感器测得，因此得到：
xA1＝(xM1+xM'1)/2，yA1＝(yM1+yM'1)/2，xA2＝(xM2+xM'2)/2，yA2＝(yM2+yM'2)/2，xA3＝(xM3+xM'3)/2，yA3＝(yM3+yM'3)/2，xA4＝(xM4+xM'4)/2，yA4＝(yM4+yM'4)/2；即可得到磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标(xo,yo)；
将磁悬浮导轨动子中心O在上侧间隙和左侧间隙均为0的情况下的原始位置坐标记为(x0,y0)，则在运动过程中，左侧间隙的值为(x0-xo)，上侧间隙的值为(yo-y0)。
在一实施例中，还包括测量磁悬浮导轨动子在x、y、z轴方向的转角的步骤，转角表示如下：
Figure BDA0002291216900000041
Figure BDA0002291216900000042
Figure BDA0002291216900000043
在一实施例中，四路激光通过以下三种激光发生装置中的任一种实现：
1)四个激光器，其中，每个激光器发射一路激光；
2)二个激光器、二个分光器和二个反射镜，其中每个激光器发射的激光通过一个分光器分成一路z方向激光和一路x方向激光，x方向激光经过一个反射镜反射成z方向激光；
3)一个激光器、三个分光器和四个反射镜，其中，激光器发射的光通过第一个分光器分成第一路z方向激光和第一路x方向激光，第一路z方向激光经过第二分光器再分成第二路z方向激光和第二路x方向激光，第二路x方向激光通过一个反射镜反射成z方向激光，第一路x方向激光依次通过两个反射镜和第三分光器分成第三路z方向激光和第三路x方向激光，第三路x方向激光再经过反射镜反射成z方向激光。
在一实施例中，激光器和PSD传感器安装在磁悬浮导轨定子机架上。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学装置，其中，所述光学装置包括激光发生单元、四个角锥棱镜、四个PSD传感器和具有MCU的信号处理电路模块，所述四个角锥棱镜安装在磁悬浮导轨动子上，其顶点位于同一水平面，所述激光发生单元产生四路激光，所述四路激光沿磁悬浮导轨动子的长行程直线运动方向分别入射到所述四个角锥棱镜；所述四个PSD传感器垂直于激光布置，分别用于接收从所述四个角锥棱镜反射回来的发射光；所述信号处理电路模块接收所述四个PSD传感器产生的信号并进行处理和计算以得到磁悬浮导轨动子的间隙，具体地首先获取悬浮导轨动子的原始位置信息；通过PSD传感器测出反射光线的位置后，计算得到磁悬浮导轨动子的当前位置信息；再根据磁悬浮导轨动子的当前位置信息和原始位置信息计算得到磁悬浮导轨动子的间隙。
在一实施例中，磁悬浮导轨动子的间隙的具体计算过程为：
在磁悬浮导轨定子机架上建立xyz直角坐标系，其中，z方向为磁悬浮导轨动子的大行程直线运动方向；
假定所述磁悬浮导轨动子的长宽高分别为a、b、c，点O1、O2分别为所述磁悬浮导轨动子前后两面的中心，O点为所述磁悬浮导轨动子的中心，四个角锥棱镜的顶点分别为A1、A2、A3、A4，其中A1、A2位于所述磁悬浮导轨动子的前面，A3、A4位于所述磁悬浮导轨动子的后面，A1、A2、A3、A4和O1、O2在同一水平面上，且A1A2＝A3A4＝d，A1、A2、A3、A4的坐标分别记为A1(xA1,yA1)、A2(xA2,yA2)、A3(xA3,yA3)、A4(xA4,yA4)；则磁悬浮导轨动子在x、y方向上的位置表示如下：
Figure BDA0002291216900000051
Figure BDA0002291216900000052
其中，xo、yo表示磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标值；
将四个角锥棱镜的入射点M坐标记为(xM1,yM1)、(xM2,yM2)、(xM3,yM3)、(xM4,yM4),出射点M’位置坐标记为(xM'1,yM'1)、(xM'2,yM'2)、(xM'3,yM'3)、(xM'4,yM'4)，；由于入射点M的位置是固定不变的，且出射点M’位置由PSD传感器测得，角锥棱镜的入射点M和出射点M’关于其顶点对称，因此得到：
xA1＝(xM1+xM'1)/2，yA1＝(yM1+yM'1)/2，xA2＝(xM2+xM'2)/2，yA2＝(yM2+yM'2)/2，xA3＝(xM3+xM'3)/2，yA3＝(yM3+yM'3)/2，xA4＝(xM4+xM'4)/2，yA4＝(yM4+yM'4)/2；即可得到磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标(xo,yo)；
将磁悬浮导轨动子中心O在上侧间隙和左侧间隙均为0的情况下的原始位置坐标记为(x0,y0)，则在运动过程中，左侧间隙的值为(x0-xo)，上侧间隙的值为(yo-y0)。
在一实施例中，磁悬浮导轨动子中心O的转角表示为
Figure BDA0002291216900000061
Figure BDA0002291216900000062
Figure BDA0002291216900000063
在一实施例中，所述激光发生单元包括四个激光器，其中，每个激光器发射一路激光；或者所述激光发生单元包括二个激光器、二个分光器和二个反射镜，其中每个激光器发射的激光通一个分光器分成一路z方向激光和一路x方向激光，x方向激光经过一个反射镜反射成z方向激光；或者所述激光发生单元包括一个激光器、三个分光器和四个反射镜，其中，激光器发射的光通过第一个分光器分成第一路z方向激光和第一路x方向激光，第一路z方向激光经过第二分光器再分成第二路z方向激光和第二路x方向激光，第二路x方向激光通过一个反射镜反射成z方向激光，第一路x方向激光依次通过两个反射镜和第三分光器分成第三路z方向激光和第三路x方向激光，第三路x方向激光再经过反射镜反射成z方向激光。
在一实施例中，所述激光发生单元、PSD传感器和信号处理电路模块安装在磁悬浮导轨定子机架上。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：本发明不受磁场干扰，测量精度更高，能满足长行程导轨的测量要求，并且价格相对较低。
附图说明
图1是现有的磁悬浮导轨结构示意图；
图2是角锥棱镜的光学原理图，其中a示出了光路图，b示出了入射点、顶点和出射点的位置关系；
图3是根据本发明实施例的采用角锥棱镜、PSD传感器进行磁浮导轨悬浮间隙测量的光学原理图，其中a示出了光路图，b示出了入射点、顶点和出射点的位置关系。
图4是根据本发明第一实施例的用于磁浮导轨间隙测量的光学装置结构及光路图。
图5是根据本发明第二实施例的用于磁浮导轨间隙测量的光学装置结构及光路图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
需要说明的是，在本申请的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本发明所用到的光学结构如图3(a)所示，激光器发射出的入射光经角锥棱镜反射后被二维PSD位置传感器接收，从而可以得到一个位置信号。如图3(b)所示，角锥棱镜的顶点为N1，入射点为M点的入射光经角锥棱镜反射后，由M1点射出，反射光被PSD传感器接收后，可以得到M1点的位置信息。因为入射光的位置是一定的，所以我们可以测得M点的位置，设其在x、y方向的坐标分别为(xM,yM)；M1点的位置可由二维PSD传感器测到，设其坐标为(xM1,yM1)；由于角锥棱镜的特性，即出射点与入射点关于角锥棱镜顶点对称，可以得到N1点的坐标值为
Figure BDA0002291216900000081
当角锥棱镜的位置随动子发生变化，即顶点由N1点运动到N2点后，反射点的位置也会随之发生变化，反射光将从M2点射出。反射光的位置可由PSD传感器测得，设M2的坐标为(xM2,yM2)，同理可得N2的坐标为
Figure BDA0002291216900000082
由此，我们可以用PSD传感器来检测反射光的位置从而测得角锥棱镜顶点在x、y方向上的位置坐标，这也是整个测量结构的基础。
第一实施例
如图4所示，一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法采用如下架构实现：激光发生单元、二维PSD位置传感器403、406、410和413、角锥棱镜404、405、411和412、信号处理电路模块(未示出)等。其中激光发生单元用于产生四路激光。在本实施例中，激光发生单元由两个激光器401和408、两个分光器402和407以及两个反射镜409和414构成，其中两个激光器401和408分别安装在入射到其中彼此相对的两个角锥棱镜404和405的位置，两个分光器420和407分别安装在两个激光器401和408的射出光路上，从而将激光器401和408射出的光束分成两路垂直的光束，其中的一路沿原方向行进，另一束则分别朝向角锥棱镜412和411，并分别经由反射镜414和409改向为射入角锥棱镜412和411。磁悬浮导轨动子的长宽高分别为a、b、c，点O1、O2分别为磁悬浮导轨动子前后两面的中心，O点为磁悬浮导轨动子的中心。在磁悬浮导轨定子机架上建立如图所示的三维直角坐标系，z方向为动子进行大行程直线运动的方向。四个角锥棱镜按图中所示位置安装在磁悬浮导轨动子上，A1～A4分别为各个角锥棱镜的顶点，其中，A1、A2位于磁悬浮导轨动子前面，A3、A4位于磁悬浮导轨动子后面；A1、A2、A3、A4和O1、O2在同一水平面上，且A1A2＝A3A4＝d；其余结构固定在机架上。
本发明可以采用四组图3(a)所示的光学结构来构成，即激光发生单元包括四个激光器。但在本实施例中，运用分光器402和407以及反射镜409和414完成激光的分路和反射，从而将激光器的个数减少到两个，节省了成本。两个激光器401和408发出的激光经分光器和射镜变成四路，四路激光分别打在四个角锥棱镜上，再各自沿与入射光平行的方向反射回去被PSD传感器接收。四路激光均沿平行于z轴的方向射出，四个PSD传感器均与z轴垂直。
由于角锥棱镜的特性，即出射光与入射光平行，所以PSD传感器接收到的光也会平行于z轴。PSD传感器能测出x、y两个方向上的位置信息，也就相当于将角锥棱镜上出射点的位置投影到xy平面，因而在分析时，只关注于各点的x、y两个坐标，而忽略z向的坐标。根据图3(b)中的原理，可以用PSD传感器来检测反射光的位置从而得到角锥棱镜顶点A1～A4的坐标，分别记作A1(xA1,yA1)、A2(xA2,yA2)、A3(xA3,yA3)、A4(xA4,yA4)。
则磁悬浮导轨动子(O点)在5个自由度上的位置如下：
Figure BDA0002291216900000101
Figure BDA0002291216900000102
Figure BDA0002291216900000103
Figure BDA0002291216900000104
Figure BDA0002291216900000105
其中xo、yo指的是磁悬浮导轨动子在x、y方向的坐标值，Rx、Ry、Rz分别表示磁悬浮导轨动子在x、y、z轴方向的转角。
可用矩阵表达为：
Figure BDA0002291216900000106
假设将四个角锥棱镜的入射点M坐标记为(xM1,yM1)、(xM2,yM2)、(xM3,yM3)、(xM4,yM4)，出射点M’位置坐标记为(xM'1,yM'1)、(xM'2,yM'2)、(xM'3,yM'3)、(xM'4,yM'4)，则有：
xA1＝(xM1+xM'1)/2,
yA1＝(yM1+yM'1)/2,
xA2＝(xM2+xM'2)/2,
yA2＝(yM2+yM'2)/2,
xA3＝(xM3+xM'3)/2,
yA3＝(yM3+yM'3)/2,
xA4＝(xM4+xM'4)/2,
yA4＝(yM4+yM'4)/2。
在整个结构确定好之后，可以得到动子中心O在上侧间隙和左侧间隙均为0的情况下的坐标，记作(x0,y0)，则在运动过程中，左侧间隙的值为(x0-xo)，上侧间隙的值为(yo-y0)。
因此，本发明的方法不仅可以测出磁悬浮导轨间隙，而且可以测出磁悬浮导轨动子的转角Rx、Ry、Rz。
该测量方式属于非接触测量、不受磁场的干扰、计算简便、成本较低，在进行x、y方向测量时不会受到z向的干扰，完全满足磁浮导轨动子悬浮间隙的测量需求。
第二实施例
如图5所示，本实施例与第一实施例的区别在于，本实施例的激光发生单元包括按图中所示在朝向其中一个角锥棱镜入射的位置安装的一个激光器101、三个分光器102至104和四个反射镜105至108。具体地，激光器101发射的光通过第一个分光器102分成第一路z方向激光和第一路x方向激光，第一路z方向激光经过第二分光器103再分成第二路z方向激光和第二路x方向激光，第二路x方向激光通过一个反射镜105反射成z方向激光，第一路x方向激光依次通过两个反射镜106和107和第三分光器104分成第三路z方向激光和第三路x方向激光，第三路x方向激光再经过反射镜108反射成z方向激光，由此形成入射到四个角锥棱镜的四路激光。这可以进一步降低成本。
以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将四个角锥棱镜安装在磁悬浮导轨动子上，所述四个角锥棱镜的顶点位于同一水平面；
将四路激光沿磁悬浮导轨动子的长行程直线运动方向分别入射到所述四个角锥棱镜；
将四个PSD传感器分别垂直于各路激光布置，用于接收从所述四个角锥棱镜反射回来的发射光，通过PSD传感器测出反射光线的位置，计算得到磁悬浮导轨动子的当前位置信息；
获取磁悬浮导轨动子的原始位置信息；
根据磁悬浮导轨动子的当前位置信息和原始位置信息计算得到磁悬浮导轨动子的间隙；
其中，磁悬浮导轨动子的间隙的具体计算过程为：
在磁悬浮导轨定子机架上建立xyz直角坐标系，其中，z方向为磁悬浮导轨动子的大行程直线运动方向；
假定所述磁悬浮导轨动子的长宽高分别为a、b、c，点O1、O2分别为所述磁悬浮导轨动子前后两面的中心，O点为所述磁悬浮导轨动子的中心，四个角锥棱镜的顶点分别为A1、A2、A3、A4，其中A1、A2位于所述磁悬浮导轨动子的前面，A3、A4位于所述磁悬浮导轨动子的后面，A1、A2、A3、A4和O1、O2在同一水平面上，且A1A2＝A3A4＝d，A1、A2、A3、A4的坐标分别记为A1(xA1,yA1)、A2(xA2,yA2)、A3(xA3,yA3)、A4(xA4,yA4)；则磁悬浮导轨动子在x、y方向上的位置表示如下：
Figure FDA0002978071290000011
Figure FDA0002978071290000012
其中，xo、yo表示磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标值；
将磁悬浮导轨动子中心O在上侧间隙和左侧间隙均为0的情况下的原始位置坐标记为(x0,y0)，则在运动过程中，左侧间隙的值为(x0-xo)，上侧间隙的值为(yo-y0)。
2.如权利要求1所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法，其特征在于，四个角锥棱镜的顶点A1、A2、A3以及A4的坐标计算方式为：
将四个角锥棱镜的入射点M坐标记为(xM1,yM1)、(xM2,yM2)、(xM3,yM3)、(xM4,yM4),出射点M’位置坐标记为(xM'1,yM'1)、(xM'2,yM'2)、(xM'3,yM'3)、(xM'4,yM'4)，由于角锥棱镜的入射点M和出射点M’关于其顶点对称，且入射点M的位置是固定不变的，出射点M’位置由PSD传感器测得，因此得到：
xA1＝(xM1+xM'1)/2，yA1＝(yM1+yM'1)/2，xA2＝(xM2+xM'2)/2，yA2＝(yM2+yM'2)/2，xA3＝(xM3+xM'3)/2，yA3＝(yM3+yM'3)/2，xA4＝(xM4+xM'4)/2，yA4＝(yM4+yM'4)/2；即可得到磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标(xo,yo)。
3.如权利要求2所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法，其特征在于，还包括测量磁悬浮导轨动子在x、y、z轴方向的转角的步骤，转角表示如下：
Figure FDA0002978071290000021
Figure FDA0002978071290000022
Figure FDA0002978071290000023
4.如权利要求1所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法，其特征在于，四路激光通过以下三种激光发生装置中的任一种实现：
1)四个激光器，其中，每个激光器发射一路激光；
2)二个激光器、二个分光器和二个反射镜，其中每个激光器发射的激光通过一个分光器分成一路z方向激光和一路x方向激光，x方向激光经过一个反射镜反射成z方向激光；
3)一个激光器、三个分光器和四个反射镜，其中，激光器发射的光通过第一个分光器分成第一路z方向激光和第一路x方向激光，第一路z方向激光经过第二分光器再分成第二路z方向激光和第二路x方向激光，第二路x方向激光通过一个反射镜反射成z方向激光，第一路x方向激光依次通过两个反射镜和第三分光器分成第三路z方向激光和第三路x方向激光，第三路x方向激光再经过反射镜反射成z方向激光。
5.如权利要求3所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法，其特征在于，激光器和PSD传感器安装在磁悬浮导轨定子机架上。
6.一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学装置，其特征在于，所述光学装置包括激光发生单元、四个角锥棱镜、四个PSD传感器和具有MCU的信号处理电路模块，所述四个角锥棱镜安装在磁悬浮导轨动子上，其顶点位于同一水平面，所述激光发生单元产生四路激光，所述四路激光沿磁悬浮导轨动子的长行程直线运动方向分别入射到所述四个角锥棱镜；所述四个PSD传感器垂直于激光布置，分别用于接收从所述四个角锥棱镜反射回来的发射光；所述信号处理电路模块接收所述四个PSD传感器产生的信号并进行处理和计算以得到磁悬浮导轨动子的间隙，具体地首先获取悬浮导轨动子的原始位置信息；通过PSD传感器测出反射光线的位置后，计算得到磁悬浮导轨动子的当前位置信息；再根据磁悬浮导轨动子的当前位置信息和原始位置信息计算得到磁悬浮导轨动子的间隙；
其中，磁悬浮导轨动子的间隙的具体计算过程为：
在磁悬浮导轨定子机架上建立xyz直角坐标系，其中，z方向为磁悬浮导轨动子的大行程直线运动方向；
假定所述磁悬浮导轨动子的长宽高分别为a、b、c，点O1、O2分别为所述磁悬浮导轨动子前后两面的中心，O点为所述磁悬浮导轨动子的中心，四个角锥棱镜的顶点分别为A1、A2、A3、A4，其中A1、A2位于所述磁悬浮导轨动子的前面，A3、A4位于所述磁悬浮导轨动子的后面，A1、A2、A3、A4和O1、O2在同一水平面上，且A1A2＝A3A4＝d，A1、A2、A3、A4的坐标分别记为A1(xA1,yA1)、A2(xA2,yA2)、A3(xA3,yA3)、A4(xA4,yA4)；则磁悬浮导轨动子在x、y方向上的位置表示如下：
Figure FDA0002978071290000041
Figure FDA0002978071290000042
其中，xo、yo表示磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标值；
将磁悬浮导轨动子中心O在上侧间隙和左侧间隙均为0的情况下的原始位置坐标记为(x0,y0)，则在运动过程中，左侧间隙的值为(x0-xo)，上侧间隙的值为(yo-y0)。
7.如权利要求6所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学装置，其特征在于，四个角锥棱镜的顶点A1、A2、A3以及A4的坐标计算方式为：
将四个角锥棱镜的入射点M坐标记为(xM1,yM1)、(xM2,yM2)、(xM3,yM3)、(xM4,yM4),出射点M’位置坐标记为(xM'1,yM'1)、(xM'2,yM'2)、(xM'3,yM'3)、(xM'4,yM'4)，由于角锥棱镜的入射点M和出射点M’关于其顶点对称，且入射点M的位置是固定不变的，出射点M’位置由PSD传感器测得，因此得到：
xA1＝(xM1+xM'1)/2，yA1＝(yM1+yM'1)/2，xA2＝(xM2+xM'2)/2，yA2＝(yM2+yM'2)/2，xA3＝(xM3+xM'3)/2，yA3＝(yM3+yM'3)/2，xA4＝(xM4+xM'4)/2，yA4＝(yM4+yM'4)/2；即可得到磁悬浮导轨动子中心O在x、y方向上的坐标(xo,yo)。
8.如权利要求7所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学装置，其特征在于，磁悬浮导轨动子中心O的转角表示为
Figure FDA0002978071290000043
Figure FDA0002978071290000044
Figure FDA0002978071290000045
9.如权利要求6所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学装置，其特征在于，所述激光发生单元包括四个激光器，其中，每个激光器发射一路激光；或者所述激光发生单元包括二个激光器、二个分光器和二个反射镜，其中每个激光器发射的激光通过一个分光器分成一路z方向激光和一路x方向激光，x方向激光经过一个反射镜反射成z方向激光；或者所述激光发生单元包括一个激光器、三个分光器和四个反射镜，其中，激光器发射的光通过第一个分光器分成第一路z方向激光和第一路x方向激光，第一路z方向激光经过第二分光器再分成第二路z方向激光和第二路x方向激光，第二路x方向激光通过一个反射镜反射成z方向激光，第一路x方向激光依次通过两个反射镜和第三分光器分成第三路z方向激光和第三路x方向激光，第三路x方向激光再经过反射镜反射成z方向激光。
10.如权利要求6所述的用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学装置，其特征在于，所述激光发生单元、PSD传感器和信号处理电路模块安装在磁悬浮导轨定子机架上。
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