TWI549774B - 使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統 - Google Patents

使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統 Download PDF

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Description

使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統
本發明關於一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，特別是關於一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，其藉由提供即時反饋作為可攜式高架(gantry)系統之左右和上下方向的誤差值，然後調整預負荷之真空空氣的壓力至此結果值，而持續控制關於平坦度、節距、真直度、傾側角、和滾動的誤差。
近來，關於產業的發展，製造的產品和零件已有變得高度功能性和小型化的趨勢；關於在資訊技術(IT)、生物技術(BT)、網路技術(NT)領域的發展，條件已提升至要求具有奈米等級精度的生產技術。在趕得上此等條件之步伐的生產系統中，已發展出精密線性工作台，且持續進一步地發展。該工作台增加線性工作台進行直線運動之精度位準。
在另一方面，雖然線性工作台構成用於進行直線運動的生產系統，但是此系統的誤差不只限於運動方向的誤差。
參考圖1，其描繪習知的線性工作台誤差，例示沿著線性引導件11運動的線性工作台。當以x軸代表運動件12的運動方向時，會產生發生在y軸方向之水平方向運動誤差eh和發生在z軸方向之直立方向運動誤差ev的平移誤差分量、連同構成在x/y/z軸方向之旋轉運動誤差分量的滾動誤差、節距誤差、及傾側角誤差。
此等誤差對精密的線性工作台造成主要的問題，因此量測該等誤差和確認線性工作台的精度非常地重要。
為了量測該等誤差，傳統上同時使用例如雷射干涉儀、自準直儀和容量性感測器的各種裝置，以分別計算各種誤差。
為了在此習知的量測方法中同時使用各種裝置，該等裝置的設置變得複雜，且量測作業也非常困難。再者，在設置設備的期間也發生設置誤差。因此，在量測誤差的時候，需要基於統一的初始位置進行量測。但是因為使用各種裝置，所以常常無法獲得準確的初始位置。
此外，在傳統的量測方法中，除了上述非常可能產生誤差以外，事實上也非常困難確認量測值的準確性。
再者，在傳統量測方法所使用的各種裝置中，雷射干涉儀和自準直儀是非常昂貴的裝置。因此同時設置該兩種裝置，在經濟方面是沉重的負擔。
因此設計本發明用於解決上述的問題。本發明的目的在於提供一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，其藉由使用線性編碼器以提供即時位置誤差，然後藉由調整空氣軸承墊(吸盤；PAD)之預負荷真空空氣的壓力回應該反饋，而補償關於平坦度、節距、真直度、傾側角、和滾動的誤差。
本發明之使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統之特徵如下：其包括高品質底座，由花崗岩或鋁製成；兩個線性馬達，以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動一運動載架；線性編碼器，其檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差；空氣軸承和真空墊，其使用底座的表面作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架；運動載架，其夾住設置在底座上的設備或其運動有用負荷；鋼桿，用於引起磁鐵預負荷力；和預負荷磁鐵，其在空氣軸承和真空墊的反方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力。線性編碼器包括設置在該運動載架之側表面上的一對側表面線性編碼器、和設置在該運動載架之一側的下部分上的一對下表面線性編碼器；且該線性編碼器沿著尺規運動，該尺規包括標準記號、用於補償直立位置誤差的L軌跡、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡。
如同上文所述，本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，以高位準的精密度(以微米單位)補償關於平坦度、節距、真直度、傾側角、和滾動的誤差。因此可獲得下述的好處：不可能被處理的部分被最小化、處理成本被降低、並實現精密的工作台。
下文藉由參考圖式，更詳細地說明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統。在說明本發明中，當關於開放的構造或組件的特定說明可能使本發明的實質模糊時，就省略該詳細的說明。再者，考慮本發明的功能而定義本文所描述的術語；該等術語可依據客戶、操作者、或使用者的目的和用法而變化。因此定義必須以包含本發明之整體的細節為基礎。
在所有的圖示中，相同的參考數字指相同的構造性元件。
圖2是本發明之線性工作台的詳細前視圖。圖3是本發明之線性工作台的平面上視圖。圖4是圖2之線性編碼器和尺規的例示。圖5是圖2之線性編碼器和尺規的詳細視圖。圖6是圖2之空氣軸承和真空墊的詳細視圖。圖7是設置和預負荷在圖6之空氣軸承和真空墊上的真空空氣軸承之詳細視圖。圖8是本發明之真直度誤差補償系統的例示。圖9是本發明之傾側角誤差補償系統的例示。圖10是本發明之平坦度誤差補償系統的例示。圖11是本發明之節距誤差補償系統的例示。圖12是本發明之滾動誤差補償系統的例示。
參考圖2至12，本發明之使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統包括高品質底座21、兩個線性馬達22、線性編碼器23、空氣軸承和真空墊24、運動載架25、鋼桿26、和預負荷磁鐵27。該底座21由花崗岩或鋁製成。該兩個線性馬達22以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動該運動載架。該線性編碼器23檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差。該空氣軸承和真空墊24使用底座21的表面作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架。該運動載架25夾住設置在底座上的設備或運動有用負荷。該鋼桿26用於引起磁鐵預負荷力。該預負荷磁鐵27在空氣軸承和真空墊24的反方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力。
線性編碼器23包括設置在運動載架25之側表面上的一對側表面線性編碼器23-1、23-1’、和設置在運動載架25之一側的下部分上的一對下表面線性編碼器23-2、23-2’。且以此方式建構的線性編碼器23沿著尺規運動，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。因此，能夠進行關於真直度、平坦度、節距、傾側角、和滾動的反饋。在此，側表面線性編碼器23-1、23-1’和下表面線性編碼器23-2、23-2’分別安裝在運動載架25的兩個側面上。
空氣軸承和真空墊24及預負荷真空空氣軸承70被建構成單一單元，且空氣軸承和真空墊24調整預負荷真空空氣軸承70的壓力，因此空氣軸承和真空墊的預負荷力量可被控制。
在此，參考圖2至12更詳細地說明本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，補償關於真直度、平坦度、節距、傾側角、和滾動之誤差的系統。
首先，在檢查本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，補償關於真直度誤差的系統中，運動載架25在箭頭所描繪的運動方向中沿著尺規運動。如同上文所描述，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。因此，當附接至運動載架25之左/右側表面的該對側表面線性編碼器23-1、23-1’之該等側表面線性編碼器23-1、23-1’其中之一沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡43之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，且調整各預負荷真空空氣軸承70的空氣壓力，以回應尺規的水平位置。因此，調整空氣軸承和真空墊24的預負荷壓力，藉此補償運動載架25的真直度誤差。
再者，在檢查本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，補償關於傾側角誤差的系統中，運動載架25在箭頭所描繪的運動方向中沿著尺規運動。如同上文所描述，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。因此，當附接至運動載架25之左/右側表面的該等側表面線性編碼器23-1、23-1’沿著尺規運動時，提供了關於L軌跡42之誤差值的反饋，以補償尺規的直立位置，且調整各預負荷真空空氣軸承70的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值。因此，在控制線性馬達22的同時，調整空氣軸承和真空墊24的預負荷壓力，藉此補償運動載架25的傾側角誤差。
此外，在檢查本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，補償關於平坦度誤差的系統中，運動載架25在箭頭所描繪的運動方向中沿著尺規運動。如同上文所描述，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。因此，當附接至運動載架25之兩端的下部份之下表面線性編碼器23-2、23-2’沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡43之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，且同時調整預負荷真空空氣軸承70的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值。因此，調整空氣軸承和真空墊24的預負荷壓力，藉此補償運動載架25的平坦度誤差。
另外，在檢查本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，補償關於節距誤差的系統中，運動載架25在箭頭所描繪的運動方向中沿著尺規運動。如同上文所描述，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。因此，當附接至運動載架25之兩端的下部份之該等下表面線性編碼器23-2、23-2’沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡43之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，提供了關於該等下表面線性編碼器23-2、23-2’之個別誤差值的反饋，且調整各預負荷真空空氣軸承70的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值。因此，調整空氣軸承和真空墊24的預負荷壓力，藉此補償運動載架25的節距誤差。
再者，在檢查本發明使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，補償關於滾動誤差的系統中，運動載架25在箭頭所描繪的運動方向中沿著尺規運動。如同上文所描述，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。因此，當附接至運動載架25之左/右側表面的一對側表面線性編碼器23-1、23-1’沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡43之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，且調整各預負荷真空空氣軸承70的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值。因此，調整空氣軸承和真空墊24的預負荷壓力，藉此補償運動載架25的滾動誤差。
已使用了即時誤差補償的系統，同時提供了反饋誤差；其中[運動載架25]沿著尺規運動，該尺規包括標準記號41、用於補償直立位置誤差的L軌跡42、和用於補償水平位置[誤差]的T軌跡43。且調整各預負荷真空空氣軸承70的空氣壓力，以致調整空氣軸承和真空墊24的預負荷壓力；但是在使用分離雷射掃描裝置且底座之下表面及側表面被掃描以後，使用誤差補償軟體並調整各預負荷真空氣軸承70的空氣壓力，以致由於在調整空氣軸承和真空墊24之預負荷壓力的線性量測以後補償的系統，所以當然也能補償關於平坦度、節距、真直度、傾側角和滾動的誤差。
雖然已藉由上述較佳工作例子說明本發明，但是這些工作例子無意限制本發明，而是提供例示。且熟悉本發明之技藝人士可以各種方式對該等工作例子進行改變、修飾、或調整，而不會脫離本發明的技術細節。因此，本發明的保護範圍將被解釋成包括本發明之技術細節的實質內所包含之改變、修飾、和調整的全部例子。
11．．．線性引導件
12．．．運動件
21．．．底座
22．．．線性馬達
23．．．線性編碼器
23-1,23-1’．．．側表面線性編碼器
23-2,23-2’．．．下表面線性編碼器
24．．．空氣軸承和真空墊
25．．．運動載架
26．．．鋼桿
27．．．預負荷磁鐵
41．．．標準記號
42．．．L軌跡
43．．．T軌跡
70．．．預負荷真空空氣軸承
圖1是顯示習知線性工作台誤差之概要的圖。
圖2是本發明之線性工作台的詳細前視圖。
圖3是本發明之線性工作台的平面上視圖。
圖4是圖2之線性編碼器和尺規的例示。
圖5是圖2之線性編碼器和尺規的詳細視圖。
圖6是圖2之空氣軸承和真空墊的詳細視圖。
圖7是設置和預負荷在圖6之空氣軸承和真空墊上的真空空氣軸承之詳細視圖。
圖8是本發明之真直度誤差補償系統的例示。
圖9是本發明之傾側角誤差補償系統的例示。
圖10是本發明之平坦度誤差補償系統的例示。
圖11是本發明之節距誤差補償系統的例示。
圖12是本發明之滾動誤差補償系統的例示。
21．．．底座
22．．．線性馬達
23．．．線性編碼器
23-1,23-1’．．．側表面線性編碼器
23-2,23-2’．．．下表面線性編碼器
24．．．空氣軸承和真空墊
25．．．運動載架
26．．．鋼桿
27．．．預負荷磁鐵

Claims (5)

  1. 一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，包含：高品質底座(21)，由花崗岩或鋁製成；兩個線性馬達(22)，以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動一運動載架；線性編碼器(23)，其檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差；空氣軸承和真空墊(24)，其使用底座(21)的表面作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架；運動載架(25)夾住設置在底座上的設備或運動有用負荷，鋼桿(26)用於引起磁鐵預負荷力；和預負荷磁鐵(27)，在空氣軸承和真空墊(24)的反方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力；線性編碼器(23)包括設置在該運動載架(25)之側表面上的一對側表面線性編碼器(23-1、23-1’)、和設置在該運動載架(25)之一側的下部分上的一對下表面線性編碼器(23-2、23-2’)；和該線性編碼器(23)沿著尺規運動，該尺規包括標準記號(41)、用於補償直立位置誤差的L軌跡(42)、和用於補償水平位置誤差的T軌跡(43)，其中當附接至運動載架(25)之左/右側表面的該對 側表面線性編碼器(23-1、23-1’)之該等側表面線性編碼器(23-1、23-1’)其中之一沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡(43)之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，且調整各預負荷真空空氣軸承(70)的空氣壓力，以回應尺規的水平位置；因此，調整空氣軸承和真空墊(24)的預負荷壓力，藉此補償運動載架(25)的真直度誤差。
  2. 一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，包含：高品質底座(21)，由花崗岩或鋁製成；兩個線性馬達(22)，以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動一運動載架；線性編碼器(23)，其檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差；空氣軸承和真空墊(24)，其使用底座(21)的表面作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架，運動載架(25)夾住設置在底座上的設備或運動有用負荷，鋼桿(26)用於引起磁鐵預負荷力；和預負荷磁鐵(27)，在空氣軸承和真空墊(24)的反方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力；線性編碼器(23)包括設置在該運動載架(25)之側表面上的一對側表面線性編碼器(23-1、23-1’)、和設置在該運動載架(25)之一側的下部分上的一對下表面線性 編碼器(23-2、23-2’)；和該線性編碼器(23)沿著尺規運動，該尺規包括標準記號(41)、用於補償直立位置誤差的L軌跡(42)、和用於補償水平位置誤差的T軌跡(43)，其中當附接至運動載架(25)之左/右側表面的該等側表面線性編碼器(23-1、23-1’)沿著尺規運動時，提供了關於L軌跡(42)之誤差值的反饋，以補償尺規的直立位置，且調整各預負荷真空空氣軸承(70)的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值；因此，在控制線性馬達(22)的同時，調整空氣軸承和真空墊(24)的預負荷壓力，藉此補償運動載架(25)的傾側角誤差。
  3. 一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，包含：高品質底座(21)，由花崗岩或鋁製成；兩個線性馬達(22)，以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動一運動載架；線性編碼器(23)，其檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差；空氣軸承和真空墊(24)，其使用底座(21)的表面作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架；運動載架(25)夾住設置在底座上的設備或運動有用負荷，鋼桿(26)用於引起磁鐵預負荷力；和預負荷磁鐵(27)，在空氣軸承和真空墊(24)的反 方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力；線性編碼器(23)包括設置在該運動載架(25)之側表面上的一對側表面線性編碼器(23-1、23-1’)、和設置在該運動載架(25)之一側的下部分上的一對下表面線性編碼器(23-2、23-2’)；和該線性編碼器(23)沿著尺規運動，該尺規包括標準記號(41)、用於補償直立位置誤差的L軌跡(42)、和用於補償水平位置誤差的T軌跡(43)，其中當附接至運動載架(25)之兩端的下部份之下表面線性編碼器(23-2、23-2’)沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡(43)之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，且同時調整預負荷真空空氣軸承(70)的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值；因此，調整空氣軸承和真空墊(24)的預負荷壓力，藉此補償運動載架(25)的平坦度誤差。
  4. 一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，包含：高品質底座(21)，由花崗岩或鋁製成；兩個線性馬達(22)，以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動一運動載架；線性編碼器(23)，其檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差；空氣軸承和真空墊(24)，其使用底座(21)的表面 作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架；運動載架(25)夾住設置在底座上的設備或運動有用負荷，鋼桿(26)用於引起磁鐵預負荷力；和預負荷磁鐵(27)，在空氣軸承和真空墊(24)的反方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力；線性編碼器(23)包括設置在該運動載架(25)之側表面上的一對側表面線性編碼器(23-1、23-1’)、和設置在該運動載架(25)之一側的下部分上的一對下表面線性編碼器(23-2、23-2’)：和該線性編碼器(23)沿著尺規運動，該尺規包括標準記號(41)、用於補償直立位置誤差的L軌跡(42)、和用於補償水平位置誤差的T軌跡(43)，其中當附接至運動載架(25)之兩端的下部份之該等下表面線性編碼器(23-2、23-2’)沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡(43)之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，提供了關於該等下表面線性編碼器(23-2、23-2’)之個別誤差值的反饋，且調整各預負荷真空空氣軸承(70)的空氣壓力，以回應提供反饋的誤差值；因此，調整空氣軸承和真空墊(24)的預負荷壓力，藉此補償運動載架(25)的節距誤差。
  5. 一種使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統，包含： 高品質底座(21)，由花崗岩或鋁製成；兩個線性馬達(22)，以在相同的進給軸方向平行的方式配置和被驅動，以運動一運動載架；線性編碼器(23)，其檢測各線性馬達的位置值，且提供此位置值作為反饋，以補償位置誤差；空氣軸承和真空墊(24)，其使用底座(21)的表面作為基準而運動，且賦予預定的接觸力/拉力/壓縮力作為被壓縮之空氣的力，以便能運動該運動載架；運動載架(25)夾住設置在底座上的設備或運動有用負荷，鋼桿(26)用於引起磁鐵預負荷力；和預負荷磁鐵(27)，在空氣軸承和真空墊(24)的反方向操作磁鐵力，以形成高度剛性，以便能夠承受力矩的外力；線性編碼器(23)包括設置在該運動載架(25)之側表面上的一對側表面線性編碼器(23-1、23-1’)、和設置在該運動載架(25)之一側的下部分上的一對下表面線性編碼器(23-2、23-2’)；和該線性編碼器(23)沿著尺規運動，該尺規包括標準記號(41)、用於補償直立位置誤差的L軌跡(42)、和用於補償水平位置誤差的T軌跡(43)，其中當附接至運動載架(25)之左/右側表面的一對側表面線性編碼器(23-1、23-1’)沿著尺規運動時，提供了關於T軌跡(43)之誤差值的反饋，以補償尺規的水平位置，且調整各預負荷真空空氣軸承(70)的空氣壓力， 以回應提供反饋的誤差值；因此，調整空氣軸承和真空墊(24)的預負荷壓力，藉此補償運動載架(25)的滾動誤差。
TW100110108A 2010-06-18 2011-03-24 使用編碼器反饋、誤差映像和空氣壓力控制的誤差補償系統 TWI549774B (zh)

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