[發明專利]基于光柵尺和二維PSD的平面電機動子位置測量系統及方法

有效

• 申請號: 201710213466.3
• 申請日: 2017-04-01
• 公開（公告）號: CN107063104B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 朱煜;楊開明;黃偉才;李鑫;成榮;胡金春
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03;G01B11/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

基于光柵尺和二維PSD的平面電機動子位置測量系統及方法，屬于半導體裝備技術領域。本發明采用的測量系統包括一個X方向光柵尺，一個Y方向光柵尺以及三個激光頭和三個二維PSD傳感器。其中X方向光柵尺和Y方向光柵尺分別對平面電機動子在X方向和Y方向的主要行程進行測量，而每一對激光頭和二維PSD傳感器都可以測量動子在X、Y和Z三個方向中指定的兩個方向的位移，三對激光頭和二維PSD傳感器可以覆蓋動子在X、Y和Z三個方向的運動信息；本發明提供的測量方法基于以上測量系統測得的數據進行動子位置解算，可以得到平面電機動子在平面電機定子固定坐標系下全部六自由度的位移。

技術領域

本發明屬于半導體裝備技術領域，涉及一種基于光柵尺和二維PSD傳感器的平面電機動子位置六自由度測量方法。

背景技術

平面電機是一種不經中間結構轉換，直接將電磁能轉換為平面運動的裝備，具有高精度、靈敏度高、隨動性好等諸多優點，因此逐漸引起企業和學者的關注，目前已在半導體加工等二維平面定位平面加工領域取得應用。

平面電機運用到高精度的運動系統中時，為了實現高精度的運動控制，需要對平面電機的運動情況進行反饋，即需要對平面電機的運動進行有效的測量。平面電機動子主要在二維平面上進行大行程的運動，而其它方向上因為耦合和振動等因素也會有微小的振動，但由于高精度平面電機運動系統對精度要求較高，因此這些微小的振動也需要予以測量和控制。因此在運動平面內的測量需要同時兼具大行程和高精度的特點，相比之下，在其它方向上可以用測量范圍較小但精度較高的傳感器完成，對平面電機動子的運動進行六自由度的準確測量，有助于提高控制性能，進一步提升平面電機的運動精度。

發明內容

本發明的目的在于針對平面電機高精度運動控制的需求，提供一種結構簡單、測量精度高的平面電機動子六自由度測量系統，使其滿足平面電機動子大行程二維平面運動的位移測量要求。

本發明的技術方案如下：

本發明提供的基于光柵尺和二維PSD傳感器的平面電機動子位置測量系統：該測量系統包括一號導桿、二號導桿、滑塊、一號激光頭、一號PSD傳感器、二號激光頭、二號PSD傳感器、三號激光頭、三號PSD傳感器、X方向光柵尺和Y方向光柵尺；所述一號導桿與二號導桿均與線纜臺固聯，隨動子運動沿Y向平移；所述滑塊安裝于二號導桿上，隨動子沿X方向運動，隨二號導桿沿Y向運動；所述的一號激光頭安裝于二號導桿上，一號PSD傳感器安裝于平面電機動子上表面，一號PSD傳感器接收一號激光頭沿X方向發射的激光信號，讀出平面電機動子在Y方向和Z方向的位移信息；二號激光頭安裝于滑塊上，二號PSD傳感器安裝于平面電機動子上表面，二號PSD傳感器接收二號激光頭沿Y方向發射的激光信號，并讀取平面電機動子在X方向和Z方向的位移信息；三號激光頭安裝于一號導桿上，三號PSD傳感器安裝于平面電機動子上表面，三號PSD傳感器接收三號激光頭沿X方向發射的激光信號，讀出平面電機動子在Y方向和Z方向的位移信息；所述X方向光柵尺的讀數頭安裝于滑塊上，標尺貼于二號導桿靠近動子一側的側面上，用于測量動子在X方向的位移；所述Y方向光柵尺的讀數頭安裝于線纜臺上，標尺貼于平面電機定子側面邊緣，用于測量平面電機動子在Y方向的位移。

本發明提供的基于光柵尺和二維PSD傳感器的平面電機動子位置測量方法，其包含以下步驟：

1)建立定子上的固定坐標系O_A-X_AY_AZ_A和動子上的隨動坐標系O-XYZ，隨動坐標系中X軸沿著初始時刻一號導桿的方向，Y軸沿著垂直于一號導桿的方向，Z軸垂直于平面電機動子上表面，原點在動子幾何中心，兩個坐標系在初始時刻完全重合；