專利名稱：運動部件二維位置共面檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及位置檢測領(lǐng)域，具體涉及一種運動部件二維位置共面檢測裝置， 可應(yīng)用于數(shù)控機床及光刻機等先進制造裝備的運動部件位置檢測。
背景技術(shù)：
位置檢測裝置是金屬切削機床、光刻機等設(shè)備的重要組成部分，主要作用是檢測工作臺相對于基座的實時位置，并發(fā)出反饋信號至控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。(見汪琢琢[D]，基于掃頻激光干涉的數(shù)控機床幾何誤差測量系統(tǒng)，浙江大學(xué)，2011(1) 14)?，F(xiàn)在可用于機床工作臺位置檢測的傳感器很多，如光柵尺、磁尺、電位式位移傳感器、電感式位移傳感器、激光距離檢測裝置等。(見楊曉紅[J]，納米級位移測量技術(shù)綜述， 鹽城工學(xué)院學(xué)報，2000年9月，13 :3)。其工作方式有一個共同點將位置檢測裝置的一部分(如標尺光柵)安裝在移動工作臺上，另一部分(如指示光柵)安裝在靜止的基座上。這樣就使得工作臺與基座位置的相對位移轉(zhuǎn)換到檢測裝置上。再通過檢測裝置里的轉(zhuǎn)換部件將位置信息轉(zhuǎn)換成光、磁、電等信號，處理后在顯示器件上給出位置值。這一共同點導(dǎo)致任何一維線性移動副需單獨對應(yīng)一套位置檢測單元，或者說一套位置檢測單元不可能同時測量多維位置信息。若想測得兩維線性移動副的相對位置，則需要兩套檢測單元分別進行檢測。此外，更重要的問題是這兩套位置檢測單元在空間上必須依附雙層工作臺分成正交式的上下兩層，形成疊加式結(jié)構(gòu)，不能形成共面布置的結(jié)構(gòu)形式。 這勢必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體積龐大，重量增大，兩層之間的間隙也將導(dǎo)致檢測精度降低。由于機械裝置復(fù)雜，傳動精度和速度都受到限制，成本高、可靠性差。針對這些缺陷，有必要開發(fā)能對二維平面運動機構(gòu)進行共面檢測的裝置。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供用于測量二維運動部件位置的共面檢測裝置，實現(xiàn)同一平面上兩正交方向位置的同步測量，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性好。運動部件二維位置共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設(shè)有懸浮驅(qū)動機構(gòu)和共面檢測機構(gòu)，另有控制器分別與上述兩機構(gòu)相接；所述共面檢測機構(gòu)包括同一平面正交布置的兩導(dǎo)波管和同一平面正交布置的兩對位置磁條副，其中，第一導(dǎo)波管與第一磁條副正交，第二導(dǎo)波管與第二磁條副正交；磁條副由兩條形磁體在豎直面上平行放置構(gòu)成，兩磁體相對面極性相反；導(dǎo)波桿位于其正交的磁條副的兩磁條之間，導(dǎo)波桿與磁條之間持有間距，兩導(dǎo)波管均連接控制器。所述懸浮驅(qū)動機構(gòu)包括同一平面正交的兩驅(qū)動線圈、同一平面正交的兩永磁體、 懸浮組件、間隙傳感器和位置傳感器；其中，第一驅(qū)動線圈與第一永磁體正交，第二驅(qū)動線圈與第二永磁體正交；懸浮組件包含四個呈正方形布置的氣動懸浮體；兩驅(qū)動線圈、兩傳感器和懸浮裝置均連接控制器。[0009]本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在本實用新型的特點是共面檢測機構(gòu)由兩個測量單元組成，檢測單元的導(dǎo)波桿與磁條副之間有二維平面內(nèi)的兩個自由度，這不同于傳統(tǒng)的傳感器，動靜元件間只有一個自由度。采用本實用新型可實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意點位置檢測，即共面檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相比于同等性能的檢測裝置，體積小，重量輕，由于不存在疊加機構(gòu)的間隙影響，所以精度高，系統(tǒng)可靠性高，操作方便。

圖I共面檢測裝置導(dǎo)波桿平面布置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2共面檢測裝置導(dǎo)波桿上下位置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3共面檢測裝置整體上下位置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4共面檢測裝置導(dǎo)波桿立體結(jié)構(gòu)圖；圖5共面檢測裝置整體平面結(jié)構(gòu)圖；圖6共面檢測裝置靜態(tài)平面位置示意圖；圖7共面檢測裝置運行至Y軸上限位置示意圖圖8共面檢測裝置運行至Y軸下限位置示意圖圖9共面檢測裝置運行至X軸左限位置示意圖圖10共面檢測裝置運行至X軸右限位置示意圖；圖11共面檢測裝置運行至X軸右限、Y軸下限位置示意圖圖12共面檢測裝置運行至X軸右限、Y軸上限位置示意圖圖13共面檢測裝置運行至X軸左限、Y軸上限位置示意圖圖14共面檢測裝置運行至X軸左限、Y軸下限位置示意圖圖15共面檢測裝置整體立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖16共面檢測裝置檢測原理示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。圖5和15分別給出本實用新型共面檢測裝置的整體平面和立體結(jié)構(gòu)圖，本實用新型共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設(shè)有懸浮驅(qū)動機構(gòu)和共面檢測機構(gòu)，另有控制器分別與上述兩機構(gòu)相接。懸浮驅(qū)動機構(gòu)用于工作臺與基座的脫離，實現(xiàn)非機械接觸。懸浮驅(qū)動機構(gòu)包括同一平面正交的兩驅(qū)動線圈11、同一平面正交的兩永磁體8、懸浮裝置9、間隙傳感器和位置傳感器10 ;兩永磁體8固定在工作臺6下表面,其它部件固定在基座7上表面。其中一驅(qū)動線圈與一永磁體正交，另一驅(qū)動線圈與另一永磁體正交。懸浮裝置9包含四個正方形布置的氣動懸浮體以保證工作臺平衡?？刂破鞣謩e連接兩驅(qū)動線圈11、兩傳感器和懸浮裝置9。共面檢測機構(gòu)包括兩導(dǎo)波管和兩對位置磁條副。圖I是導(dǎo)波桿平面布置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是導(dǎo)波桿上下位置結(jié)構(gòu)示意圖。兩副圖給出了本共面檢測機構(gòu)導(dǎo)波管與磁條副之間的空間位置關(guān)系。兩對位置磁條副I和4在同一平面正交布置，兩導(dǎo)波管2和3也在同一平面正交布置，其中磁條副I與導(dǎo)波管2正交布置，磁條副4與導(dǎo)波管3正交布置。磁條副由兩條形磁體在豎直面上平行放置構(gòu)成，兩磁體相對面極性相反。如圖4所示，導(dǎo)波桿2 位于磁條副I的兩磁條Ia和Ib之間，導(dǎo)波桿3位于磁條副4的兩磁條4a和4b之間，導(dǎo)波管與磁條間保持間距。兩導(dǎo)波管連接控制器。導(dǎo)波管3與磁條副4構(gòu)成X向的測量單元， 磁條副I與導(dǎo)波管2構(gòu)成Y向的測量單元。當工作臺沿X軸向運動，導(dǎo)波管3與磁條副4 的相對位置發(fā)生變化，即可測得工作臺在X向的位置；而導(dǎo)波管2上的確定點只在磁條副I 上作滑移，Y軸向位置沒有變化。這就實現(xiàn)了兩測量單元解耦，消除了 X單元測量的時候，Y 單元運動元與靜態(tài)元相干涉的可能?？刂破饔糜诜謩e對懸浮驅(qū)動機構(gòu)和共面檢測機構(gòu)進行控制。在用于控制懸浮驅(qū)動機構(gòu)時，提供驅(qū)動線圈電流，對來自間隙傳感器的信號進行處理，進而控制氣動懸浮裝置的氣流參數(shù)。在用于共面檢測機構(gòu)控制時，提供導(dǎo)波管激勵電脈沖，依據(jù)導(dǎo)波管反饋的應(yīng)力波信號實時計算工作臺位置。參見圖16，本實用新型工作原理導(dǎo)波管一端的問詢激勵脈沖生成器產(chǎn)生問詢脈沖,此脈沖沿導(dǎo)波管運行,產(chǎn)生運動磁場。當此運行磁場和磁條副上的永久磁鐵的磁場相遇時，兩磁場相互作用，在導(dǎo)波管內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，此扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波沿導(dǎo)波管表面向兩端運行，在導(dǎo)波管一端安裝有壓電陶瓷，可將接收到的應(yīng)力波轉(zhuǎn)換成電信號。再通過下列計算方法即可推算出運動部件的位置。具體如圖16所示
工作臺實時位置計算方法
L = = t2*v2(I)
νι(2)
t=tj+t2= (t2*—)+t2
v'(3)
t，=t* ~~
V1+V2(4)L=t2*v2=(t*^^)*v2=t*Z^(5)
Vl+V2 Vl+V2式中V1為磁場在導(dǎo)波管內(nèi)的運行速度，可預(yù)先測出；V2為應(yīng)力波在導(dǎo)波管內(nèi)的運行速度，可預(yù)先測出；h為磁場從產(chǎn)生點到條狀磁鐵的運行時間；t2為導(dǎo)波從產(chǎn)生點到被接收點的運行時間；t為磁場產(chǎn)生的時刻h到導(dǎo)波被接收的時刻之間的時間跨距；磁場發(fā)出時刻記為tQ = O?，F(xiàn)通過一個實例來解釋本實用新型提供的共面檢測機構(gòu)的測量過程以工作臺6沿X軸向右運動為例，如圖6、圖10所示。導(dǎo)波管2以軸上同一點沿著磁條副I滑移，所以由其交點發(fā)出的應(yīng)力波至其端部的距離不變，反映出工作臺6與基座7 的在Y向的位置沒有發(fā)生變化。導(dǎo)波管3以不同的軸上點和磁條副4相交，即應(yīng)力波到導(dǎo)波管3端部的位置發(fā)生變化，對應(yīng)于工作臺6相對基座7的位置發(fā)生變化。當導(dǎo)波管端部的問詢脈沖發(fā)生器發(fā)出電流問訊脈沖；此脈沖沿導(dǎo)波管向前運行，在導(dǎo)波管上產(chǎn)生運行磁場；磁條副的磁場與運行磁場交互作用，產(chǎn)生應(yīng)力波；應(yīng)力波沿導(dǎo)波管向端部傳輸；在導(dǎo)波管端部的壓電陶瓷接收到應(yīng)力波，轉(zhuǎn)換成電信號。再通過下列計算方法即可推算出運動部件的位置。工作臺實時位置計算方法
權(quán)利要求1.運動部件二維位置共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設(shè)有懸浮驅(qū)動機構(gòu)和共面檢測機構(gòu)，另有控制器分別與上述兩機構(gòu)相接；其特征在于，共面檢測機構(gòu)包括同一平面正交布置的兩導(dǎo)波管和同一平面正交布置的兩對位置磁條副，其中，第一導(dǎo)波管與第一磁條副正交，第二導(dǎo)波管與第二磁條副正交；磁條副由兩條形磁體在豎直面上平行放置構(gòu)成，兩磁體相對面極性相反；導(dǎo)波桿位于其正交的磁條副的兩磁條之間，導(dǎo)波桿與磁條之間持有間距，兩導(dǎo)波管均連接控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共面檢測裝置，其特征在于，所述懸浮驅(qū)動機構(gòu)包括同一平面正交的兩驅(qū)動線圈、同一平面正交的兩永磁體、懸浮組件、間隙傳感器和位置傳感器；其中，第一驅(qū)動線圈與第一永磁體正交，第二驅(qū)動線圈與第二永磁體正交；懸浮組件包含四個呈正方形布置的氣動懸浮體；兩驅(qū)動線圈、兩傳感器和懸浮裝置均連接控制器。
專利摘要本實用新型公開了運動部件二維位置共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設(shè)有懸浮驅(qū)動機構(gòu)和共面檢測機構(gòu)，另有控制器分別與上述兩機構(gòu)相接。其中，共面檢測機構(gòu)采用導(dǎo)波桿和位置磁條副構(gòu)成兩個方向的測量單元，導(dǎo)波桿與磁條副之間有二維平面內(nèi)的兩個自由度，這不同于傳統(tǒng)的位置傳感器那樣動靜元件間只有一個自由度。采用本實用新型可實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意點位置檢測，裝置結(jié)構(gòu)簡單，相比于同等性能的檢測裝置，體積小，重量輕，由于不存在疊加機構(gòu)的間隙影響，所以精度高，系統(tǒng)可靠性高，操作方便。
文檔編號G01B7/00GK202350725SQ201120525540
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者康宜華 申請人:華中科技大學(xué)