TWI630975B - 主動誤差補償式平台 - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種主動誤差補償式平台，係適用於一線性運動平台上，其包括一五自由度奈米定位平台設置於線性運動平台上，且由一雙自由度奈米定位平台與一三自由度奈米定位平台所構成；以及一五自由度量測系統，其具有一移動端與一固定端，其中移動端設置於三自由度奈米定位平台上，並且包括兩個第一PSD定位感測器，固定端則設置於線性運動平台上位於五自由度奈米定位平台的外部，並且包括兩個第一雷射二極體、一訊號接收端，以及一設置於兩個第一雷射二極體中間之雙自由度量測系統。

Description

主動誤差補償式平台
本發明係有關於一種主動誤差補償式平台，尤其係指一種整合「五自由度量測系統」與「五自由度奈米定位平台」之模組化、微小化結構，其可直接安裝於線性運動平台上，藉由五自由度量測系統偵測線性運動平台行走運動時產生的阿貝誤差，並利用五自由度奈米定位平台補償線性運動平台之定位誤差，達到大幅降低成本與提高定位精度之目的。
隨著科技產業日益進步，不論是精密機械工業、半導體產業、電子週邊產業及生物工程等各種產業的製程上，皆朝向微小化與精密化的方向發展，精密量測儀器也不斷的增新，因此機械工業紛紛選擇製造附加價值高、精度高的產品做為重點研發項目。然而現今的工具機，例如CNC工具機及三次元量測儀之線性運動平台均具有阿貝誤差(Abbe's error)之問題，且缺乏角度誤差量測系統，其中偏角誤差會因阿貝誤差而放大，是造成定位誤差的主要原因。
目前檢測CNC工具機及三次元量測儀定位誤差之作法為使用雷射干涉儀、自動視準儀、電子水平儀等儀器，量測每一運動軸之六自由度誤差，進而求出各軸線性運動平台阿貝誤差。利用上述儀器於各移動軸的位移感測器即時回授動態位置至控制器以控制加工路徑的位移與速度，雖然可達到精密加工的功能，但實際上因直線軌跡運動與精密定位會將產生六自由度誤差，分別是定位誤差(Positioning Error)、水平/垂直直線度(Horizontal/Vertical Straightness)，以及俯仰度(Pitch)、偏搖度(Yaw)與滾動度(Roll)三個角度誤差；且上述儀器大多需仰賴國外廠商進口，更具有造價昂貴且體積龐大之缺點。再者，由於市面上常見的誤差檢測儀器皆僅應用於機台之校驗，而無法作主動誤差補償，因此需耗費大量的時間於檢測及手動調整誤差，於實際使用上極為不便。
為了達到多自由度的即時測量，中華民國專利公告第I426229號提供一種「線性平台五自由度量測系統」，其主要由一光學量測系統及一反射量測系統所構成，光學量測系統為提供一光源以一光束入射於一光柵，使光柵產生正負一階與正負二階繞射光，正負二階繞射光並由二位置感測器接收以量測四個自由度的移動訊號；反射量測系統分別為以第一反射鏡與第二反射鏡接收正負一階繞射光，以再分別產生正負一階反射光入射於分光鏡，以產生正負一階反射光與正負一階穿透光，正一階反射光與負一階穿透光形成第一合成光，負一階反射光與正一階穿透光形成第二合成光，合成光又經二檢偏元件後則入射二位置感測器以接收干涉光訊號；上述結構係以一光學量測系統之二位置感測器接收以量測四個自由度的移動訊號，再利用一反射量測系統之二位置感測器接收一個自由度的移動干涉光訊號，然而上述結構無法達到五自由度定位且無法達到模組化。
另，中華民國專利公告第I425334號揭示一種方便組裝、成本低且具高精度長行程定位效果之「混合式六自由度奈米級精密定位平台系統」，係設有一平台組、一量測回授組及一控制組，平台組設有一底座、一雙軸滑軌平台及一微動壓電平台，雙軸滑軌平台可移動地設於底座，微動壓電平台設於雙軸滑軌平台上，量測回授組與平台組相結合且設有兩單光束雷射干涉儀、一雙光束雷射干涉儀及一反射裝置，控制組與平台組及量測回授組相電連接且設有一電腦及一控制器，控制器是與電腦、雙軸滑軌平台及微動壓電平台相電連接；由於上述結構係以高單價之兩單光束雷射干涉儀、一雙光束雷射干涉儀及一反射裝置量測五自由度誤差，因此成本耗費高，另上述結構將微動壓電平台設於雙軸滑軌平台上以達到五自由度定位，但雙軸滑軌平台之定位精度較差，且僅適用於特定之線性平台，無法達到模組化。
由於上述結構仍具有多項缺失，因此如何研發低成本與高定位精度度之模組化結構，以直接安裝於線性運動平台上，有效偵測線性運動平台行走運動時產生的阿貝誤差，並補償該線性運動平台之定位誤差，乃為相關領域發明人思及之方向。
本發明主要目的為提供一種主動誤差補償式平台，其係整合「五自由度量測系統」與「五自由度奈米定位平台」之模組化結構，其可直接安裝於線性運動平台上，藉由五自由度量測系統偵測線性運動平台行走運動時產生的阿貝誤差，並利用五自由度奈米定位平台補償線性運動平台之定位誤差，達到大幅降低成本與提高定位精度之目的。
為了達到上述實施目的，本發明一種主動誤差補償式平台，係適用於一線性運動平台上，其包括一五自由度奈米定位平台，係設置於線性運動平台上，且係由一雙自由度奈米定位平台以及設置於雙自由度奈米定位平台上之一三自由度奈米定位平台所構成；以及一五自由度量測系統，係具有一移動端以及與移動端相對之一固定端，其中移動端係設置於三自由度奈米定位平台上，並且係包括兩個第一PSD (position sensing detector)定位感測器，固定端則設置於線性運動平台上五自由度奈米定位平台的外部，並且係包括兩個第一雷射二極體、一訊號接收端，以及一設置於兩個第一雷射二極體中間之雙自由度量測系統。
於本發明之一實施例中，雙自由度奈米定位平台之兩側面可例如各設有一撓性機構與一第一壓電致動器。
於本發明之一實施例中，三自由度奈米定位平台係具有一第二壓電致動器及與第二壓電致動器連接之三組直線定位放大機構。
於本發明之一實施例中，每一組直線定位放大機構係具有一板狀彈簧槓桿機構以及一與板狀彈簧槓桿機構撓性連接之肘節機構，且三組直線定位放大機構彼此間係分別由一連桿以一角度撓性連接各肘節機構。
於本發明之一實施例中，連桿可例如以120∘連接各肘節機構，以達到X、Y軸之直線運動與θ z之旋轉運動。
於本發明之一實施例中，移動端之兩個第一PSD定位感測器與固定端之兩個第一雷射二極體係分別呈對應設置。
於本發明之一實施例中，雙自由度量測系統係具有一第二雷射二極體，且由第二雷射二極體之準直雷射光射出方向依序設置有一極化分光鏡、四分之一波片與一反射鏡，又於垂直極化分光鏡與四分之一波片處依序設置有一聚焦透鏡與一第二PSD定位感測器；且其中第二PSD定位感測器 (236)作為訊號接受端(222)。
於本發明之一實施例中，反射鏡係設置於兩個第一PSD定位感測器中間。
於本發明之一實施例中，第一雷射二極體可例如進一步設有一微調機構。
藉此，本發明可應用於提升CNC工具機與三次元量測儀之線性運動平台的定位精度。
本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
請參閱第一圖，本發明一種主動誤差補償式平台，係適用於一線性運動平台(A)上，其包括一五自由度奈米定位平台(1)設置於線性運動平台(A)上，且係由一雙自由度奈米定位平台(11)以及設置於雙自由度奈米定位平台(11)上之一三自由度奈米定位平台(12)所構成，其中雙自由度奈米定位平台(11)之兩側面各設有一撓性機構(111)與一第一壓電致動器(112)(參第六圖)，三自由度奈米定位平台(12)係具有一第二壓電致動器(121)及與第二壓電致動器(121)連接之三組直線定位放大機構(122)；以及一五自由度量測系統(2)係具有一移動端(21)以及與移動端(21)相對之一固定端(22)，其中移動端(21)係設置於三自由度奈米定位平台(12)上，並且係包括兩個第一PSD定位感測器(211)，固定端(22)則設置於線性運動平台(A)上位於五自由度奈米定位平台(1)的外部，並且係包括兩個第一雷射二極體(221)、一訊號接收端(222)，以及一設置於兩個第一雷射二極體(221)中間之雙自由度量測系統(23)；較佳而言，第一雷射二極體(221)可進一步設有一微調機構(3)；移動端(21)之兩個第一PSD定位感測器(211)與固定端(22)之兩個第一雷射二極體(221)係分別呈對應設置。
請參閱第二圖，上述每一組直線定位放大機構(122)係具有一板狀彈簧槓桿機構(122a)以及一與板狀彈簧槓桿機構(122a)撓性連接之肘節機構(122b)，且三組直線定位放大機構(122)彼此間係分別由一連桿(123)以一角度撓性連接各肘節機構(122b)；較佳而言，連桿(123)係以120∘連接各肘節機構(122b)，以達到X、Y軸之直線運動與θ z之旋轉運動。
另，所述雙自由度量測系統(23)係具有一第二雷射二極體(231)，且由第二雷射二極體(231)之準直雷射光射出方向依序設置有一極化分光鏡(232)、四分之一波片(233)與一反射鏡(234)，其中反射鏡(234)係設置於兩個第一PSD定位感測器(211)中間，又於垂直極化分光鏡(232)與四分之一波片(233)處依序設置有一聚焦透鏡(235)與一第二PSD定位感測器(236)。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
簡言之，本實施例主要為將三自由度奈米定位平台與雙自由度奈米定位平台整合為五自由度奈米定位平台，以及將雙自由度量測系統與三自由度量測系統整合為五自由度量測系統；再將自製之五自由度量測系統與五自由度奈米定位平台整合成一主動誤差補償式平台，可由量測系統即時偵測到主動補償線性運動平台於運動過程中之六自由度誤差，並回饋至奈米定位平台上作為定位補償修正，藉以補償線性運動平台之阿貝誤差。
實施例一
1. 三自由度奈米定位平台之設計
請參閱第二圖~第五圖，三自由度奈米定位平台(12)包括第二壓電致動器(121)及與其連接之三組直線定位放大機構(122)，每一組直線定位放大機構(122)皆具有板狀彈簧槓桿機構(122a)以及肘節機構(122b)。三組直線定位放大機構(122)彼此間分別由連桿(123)以120∘撓性連接各肘節機構(122b)，達到X、Y軸之直線運動與θ z之旋轉運動。此三自由度奈米定位平台(12)基本設計原理乃採對稱結構設計方式，由於採用槓桿機構之設計做為壓電致動器位移放大時，其輸出端所產生的分量將造成定位上的誤差，因此將板狀彈簧槓桿機構(122a)與肘節機構(122b)以撓性方式連結，可有效減少其側向分量，並達到二次放大位移的功用。
如第三圖與第五圖所示，分別為直線定位放大機構及其進行等效運動之示意圖，當第二壓電致動器(121)對結構輸入一位移 時，透過板狀彈簧槓桿機構(122a)放大後，依靜力學原理將槓桿輸出端力量分解成X軸向分量與Y軸向分量，Y軸向分量的作用拉動肘節機構(122b)做第一次的位移放大輸出。此外，側向分量可轉為肘節機構(122b)的輸入位移，進而扭轉肘節機構(122b)，並以柔性鉸鍊相較於其他鉸鍊容易變形的原理拉動連桿(123)使三自由度奈米定位平台(12)移動，達到二次放大之功用。當三自由度奈米定位平台(12)運動時，藉由連桿(123)的作用，減少三自由度奈米定位平台(12)運動時側向偏差以及扭轉的問題產生。根據第四圖，由直線定位放大機構(122)變形關係圖搭配向量圖顯示，在肘節機構(122b)柔性鉸鍊輸出端確實可達準直線位移輸出。如第五圖所示將三組直線定位放大機構(122)整合成三自由度奈米定位平台(12)，並以對稱之撓性鉸鏈成120∘三角形均勻分布轉換成旋轉奈米定位平台，便可達到X、Y軸直線運動與θ z之旋轉運動。
2. 雙自由度奈米定位平台之設計
請參閱第六圖所示，設計一具俯仰(Pitch)與偏搖(Yaw)運動之雙自由度奈米定位平台(11)，並於雙自由度奈米定位平台(11)之左右兩面皆設計撓性機構(111)與第一壓電致動器(112)。利用第一壓電致動器(112)的微量位移及材料本身受力產生之彈性變形原理，使雙自由度奈米定位平台(11)達到俯仰與偏搖運動之目標。
實施例二
1. 五自由度量測系統
現有之微小角度量測方法一般為應用雷射干涉儀或者自動視準儀，其共通之缺點為價格昂貴、體積大、維護不易等缺點，針對以上缺點，本發明將自行組裝雙自由度量測系統，可同時量測俯仰度(Pitch)、偏搖度(Yaw)誤差，此外再加上自行組裝之三自由度量測系統檢測垂直/水平直線度(Horizontal Straightness/Vertical Straightness)與滾動度(Roll)誤差。
請參閱第七圖，為五自由度量測系統之結構示意圖，此五自由度量測系統(2)主要可分為：第一雷射二極體(221)與訊號接受端(222)(固定端(22))，以及反射端(移動端(21))兩部分。固定端(22)之第一雷射二極體(221)與訊號接收端(222)安裝在固定不動之處，如第一圖所示為設置於線性運動平台(A)上位於五自由度奈米定位平台(1)的外部，且固定端(22)在兩個第一雷射二極體(221)中間設有雙自由度量測系統(23)；移動端(21)則安裝在欲量測之線性運動平台(A)上，並且係包括兩個第一PSD定位感測器(211)。當線性運動平台(A)產生俯仰度與偏搖度時，雙自由度量測系統(23)將可量得誤差訊號，當平台產生滾動度誤差時，則由三自由度量測系統量取誤差訊號。詳細而言，雙自由度量測系統(23)與三自由度量測系統之結構如下。
2. 雙自由度量測系統
本發明的雙自由度量測系統採用市售價廉之光學元件來設計，並將其整體化、微小化與模組化，如第八圖與第九圖所示，分別為雙自由度量測系統(23)其結構圖與光路設計圖，其具有第二雷射二極體(231)，且由第二雷射二極體(231)之準直雷射光射出方向依序設置有極化分光鏡(232)(polarization beam splitter，PBS)、四分之一波片(233)(quarter-wave plate，QWP)與反射鏡(234)，又於垂直極化分光鏡(232)與四分之一波片(233)處依序設置有聚焦透鏡(235)與第二PSD定位感測器(236)，其中第二PSD定位感測器 (236) 亦作為訊號接受端(222)。由第二雷射二極體(231)所發出之準直雷射光，經過極化分光鏡(232)及四分之一波片(233)後打入反射鏡(234)，經反射鏡(234)之反射光再打入四分之一波片(233)(QWP)後，由於其偏極方向已改變90∘，故再次進入極化分光鏡(232)(PBS)時，將被反射進入四象限感測器中。另，如第七圖所示，反射鏡(234)係設置於兩個第一PSD定位感測器(211)中間。
3. 三自由度量測系統
此量測系統採用簡單直接的方式來完成三自由度(二維直線度及滾動度)的量測，如第十圖所示，利用由第一雷射二極體(221)所發出之準直雷射光，分別以兩道準直光束射入置於三自由度奈米定位平台(12)(參第一圖)中左右的兩個第一PSD定位感測器(211)上，當有位移產生時，第一PSD定位感測器(211)會產生電壓訊號，經過訊號處理器處理過後，將電壓之變化與位移距離經過比對後便能得知兩者間的關係，計算出平台之垂直/水平直線度(Horizontal straightness/Vertical straightness)與滾動度(Roll)誤差。另，第一雷射二極體(221)可進一步設有一微調機構(3)，藉以調整第一雷射二極體(221)校準第一PSD定位感測器(211)中心。
實施例三：整合五自由度奈米定位平台與五自由度量測系統
如第一圖所示，將五自由度奈米定位平台(1)放置於線性運動平台(A)上，三自由度奈米定位平台(12)上則是放置兩個第一PSD定位感測器(211)與反射鏡(234)，並於外部架設五自由度量測系統(2)，當線性運動平台(A)行走運動產生阿貝誤差時，由五自由度量測系統(2)偵測到誤差，即可利用五自由度奈米定位平台(1)來補償線性運動平台(A)之定位誤差。
由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:
1. 本發明採用市售價廉之光學元件來設計五自由度量測系統，達到同時量測俯仰度、偏搖度、滾動度與垂直/水平直線度誤差之目的，並具有將其整體化、微小化與模組化之優點。
2. 本發明採用對稱之撓性鉸鏈機構，再利用壓電致動器的微量位移，及材料本身受力產生之彈性變形原理，使五自由度奈米定位平台達到五自由度定位之目的。
3. 本發明之「五自由度量測系統」及「五自由度奈米定位平台」皆可模組化，因此可直接組裝於目前市售之線性運動平台，達到補償線性運動誤差之目的，並可大幅降低成本與提高定位精度。
綜上所述，本發明之主動誤差補償式平台，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(A)‧‧‧線性運動平台
(1)‧‧‧五自由度奈米定位平台
(11)‧‧‧雙自由度奈米定位平台
(111)‧‧‧撓性機構
(112)‧‧‧第一壓電致動器
(12)‧‧‧三自由度奈米定位平台
(121)‧‧‧第二壓電致動器
(122)‧‧‧直線定位放大機構
(122a)‧‧‧板狀彈簧槓桿機構
(122b)‧‧‧肘節機構
(123)‧‧‧連桿
(2)‧‧‧五自由度量測系統
(21)‧‧‧移動端
(211)‧‧‧第一PSD定位感測器
(22)‧‧‧固定端
(221)‧‧‧第一雷射二極體
(222)‧‧‧訊號接收端
(23)‧‧‧雙自由度量測系統
(231)‧‧‧第二雷射二極體
(232)‧‧‧極化分光鏡
(233)‧‧‧四分之一波片
(234)‧‧‧反射鏡
(235)‧‧‧聚焦透鏡
(236)‧‧‧第二PSD定位感測器
(3)‧‧‧微調機構
第一圖：本發明主動誤差補償式平台之外觀結構示意圖。
第二圖：本發明其較佳實施例之三自由度奈米定位平台之示意圖。
第三圖：本發明其較佳實施例之直線定位放大機構之示意圖。
第四圖：本發明其較佳實施例之直線定位放大機構變形關係搭配向量變化之示意圖。
第五圖：本發明其較佳實施例之三自由度奈米定位平台之外觀示意圖。
第六圖：具俯仰與偏搖運動之雙自由度奈米定位平台之結構示意圖。
第七圖：本發明其較佳實施例之五自由度量測系統之結構示意圖。
第八圖：本發明其較佳實施例之雙自由度量測系統之結構示意圖。
第九圖：本發明其較佳實施例之雙自由度量測系統之光路設計示意圖。
第十圖：本發明其較佳實施例之三自由度量測系統之結構示意圖。

Claims (9)

  1. 一種主動誤差補償式平台，係適用於一線性運動平台上，其包括： 　　一五自由度奈米定位平台，係設置於該線性運動平台上，且係由一雙自由度奈米定位平台以及設置於該雙自由度奈米定位平台上之一三自由度奈米定位平台所構成；以及 　　一五自由度量測系統，係具有一移動端以及與該移動端相對之一固定端，其中該移動端係設置於該三自由度奈米定位平台上，並且係包括兩個第一PSD定位感測器，該固定端則設置於該線性運動平台上位於該五自由度奈米定位平台的外部，並且係包括兩個第一雷射二極體、一訊號接收端，以及一設置於該兩個第一雷射二極體中間之雙自由度量測系統。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動誤差補償式平台，其中該雙自由度奈米定位平台之兩側面各設有一撓性機構與一第一壓電致動器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之主動誤差補償式平台，其中該三自由度奈米定位平台係具有一第二壓電致動器及與該第二壓電致動器連接之三組直線定位放大機構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之主動誤差補償式平台，其中每一組該直線定位放大機構係具有一板狀彈簧槓桿機構以及一與該板狀彈簧槓桿機構撓性連接之肘節機構，且該三組直線定位放大機構彼此間係分別由一連桿以一角度撓性連接各該肘節機構。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之主動誤差補償式平台，其中該連桿係以120∘連接各該肘節機構，以達到X、Y軸之直線運動與θ z之旋轉運動。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之主動誤差補償式平台，其中該移動端之兩個第一PSD定位感測器與該固定端之兩個第一雷射二極體係分別呈對應設置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動誤差補償式平台，其中該雙自由度量測系統係具有一第二雷射二極體，且由該第二雷射二極體之準直雷射光射出方向依序設置有一極化分光鏡、四分之一波片與一反射鏡，又於垂直該極化分光鏡與該四分之一波片處依序設置有一聚焦透鏡與一第二PSD定位感測器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之主動誤差補償式平台，其中該反射鏡係設置於該兩個第一PSD定位感測器中間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之主動誤差補償式平台，其中該第一雷射二極體係進一步設有一微調機構。
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