專利名稱：用于測量二維運動部件位置的共面檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及位置檢測領域，具體涉及一種用于測量二維運動部件位置的共面檢測裝置，可應用于數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：
位置檢測裝置是金屬切削機床、光刻機等設備的重要組成部分，主要作用是檢測工作臺相對于基座的實時位置，并發出反饋信號至控制系統，構成閉環或半閉環控制系統。(見汪琛琛[D]，基于掃頻激光干涉的數控機床幾何誤差測量系統，浙江大學，2011(1) 14)。現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綜述， 鹽城工學院學報，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換到檢測裝置上。再通過檢測裝置里的轉換部件將位置信息轉換成光、磁、電等信號，處理后在顯示器件上給出位置值。這一共同點導致任何一維線性移動副需單獨對應一套位置檢測單元，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，形成疊加式結構，不能形成共面布置的結構形式。 這勢必導致結構體積龐大，重量增大，兩層之間的間隙也將導致檢測精度降低。由于機械裝置復雜，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，有必要開發能對二維平面運動機構進行共面檢測的裝置。
發明內容
本發明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，實現同一平面上兩正交方向位置的同步測量，結構簡單，系統可靠性好。用于測量二維運動部件位置的共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設有懸浮驅動機構和共面檢測機構，另有控制器分別與上述兩機構相接；所述共面檢測機構包括同一平面正交布置的兩導波管和同一平面正交布置的兩對位置磁條副，其中，第一導波管與第一磁條副正交，第二導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成，兩磁體相對面極性相反；導波桿位于其正交的磁條副的兩磁條之間，導波桿與磁條之間持有間距，兩導波管均連接控制器。所述懸浮驅動機構包括同一平面正交的兩驅動線圈、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，第一驅動線圈與第一永磁體正交，第二驅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；兩驅動線圈、兩傳感器和懸浮裝置均連接控制器。
本發明的技術效果體現在本發明的特點是共面檢測機構由兩個測量單元組成， 檢測單元的導波桿與磁條副之間有二維平面內的兩個自由度，這不同于傳統的傳感器，動靜元件間只有一個自由度。采用本發明可實現二維平面內任意點位置檢測，即共面檢測。系統結構簡單，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的間隙影響，所以精度高，系統可靠性高，操作方便。
圖1共面檢測裝置導波桿平面布置結構示意圖；圖2共面檢測裝置導波桿上下位置結構示意圖；圖3共面檢測裝置整體上下位置結構示意圖；圖4共面檢測裝置導波桿立體結構圖；圖5共面檢測裝置整體平面結構圖；圖6共面檢測裝置靜態平面位置示意圖；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構示意圖；圖16共面檢測裝置檢測原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明作進一步詳細的說明。圖5和15分別給出本發明共面檢測裝置的整體平面和立體結構圖，本發明共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設有懸浮驅動機構和共面檢測機構，另有控制器分別與上述兩機構相接。懸浮驅動機構用于工作臺與基座的脫離，實現非機械接觸。懸浮驅動機構包括同一平面正交的兩驅動線圈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。其中一驅動線圈與一永磁體正交，另一驅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。控制器分別連接兩驅動線圈11、兩傳感器和懸浮裝置 9。共面檢測機構包括兩導波管和兩對位置磁條副。圖1是導波桿平面布置結構示意圖，圖2是導波桿上下位置結構示意圖。兩副圖給出了本共面檢測機構導波管與磁條副之間的空間位置關系。兩對位置磁條副1和4在同一平面正交布置，兩導波管2和3也在同一平面正交布置，其中磁條副1與導波管2正交布置，磁條副4與導波管3正交布置。磁條副由兩條形磁體在豎直面上平行放置構成，兩磁體相對面極性相反。如圖4所示，導波桿2 位于磁條副1的兩磁條Ia和Ib之間，導波桿3位于磁條副4的兩磁條4a和4b之間，導波管與磁條間保持間距。兩導波管連接控制器。導波管3與磁條副4構成X向的測量單元， 磁條副1與導波管2構成Y向的測量單元。當工作臺沿X軸向運動，導波管3與磁條副4 的相對位置發生變化，即可測得工作臺在X向的位置；而導波管2上的確定點只在磁條副1 上作滑移，Y軸向位置沒有變化。這就實現了兩測量單元解耦，消除了 X單元測量的時候，Y 單元運動元與靜態元相干涉的可能。控制器用于分別對懸浮驅動機構和共面檢測機構進行控制。在用于控制懸浮驅動機構時，提供驅動線圈電流，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。在用于共面檢測機構控制時，提供導波管激勵電脈沖，依據導波管反饋的應力波信號實時計算工作臺位置。參見圖16，本發明工作原理導波管一端的問詢激勵脈沖生成器產生問詢脈沖， 此脈沖沿導波管運行，產生運動磁場。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，在導波管內產生扭轉應力波，此扭轉應力波沿導波管表面向兩端運行，在導波管一端安裝有壓電陶瓷，可將接收到的應力波轉換成電信號。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
權利要求
1.用于測量二維運動部件位置的共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設有懸浮驅動機構和共面檢測機構，另有控制器分別與上述兩機構相接；其特征在于，共面檢測機構包括同一平面正交布置的兩導波管和同一平面正交布置的兩對位置磁條副，其中，第一導波管與第一磁條副正交，第二導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成，兩磁體相對面極性相反；導波桿位于其正交的磁條副的兩磁條之間，導波桿與磁條之間持有間距，兩導波管均連接控制器。
2.根據權利要求1所述的共面檢測裝置，其特征在于，所述懸浮驅動機構包括同一平面正交的兩驅動線圈、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，第一驅動線圈與第一永磁體正交，第二驅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；兩驅動線圈、兩傳感器和懸浮裝置均連接控制器。
全文摘要
本發明公開了一種用于測量二維運動部件位置的共面檢測裝置，包括基座和工作臺，在基座和工作臺之間設有懸浮驅動機構和共面檢測機構，另有控制器分別與上述兩機構相接。其中，共面檢測機構采用導波桿和位置磁條副構成兩個方向的測量單元，導波桿與磁條副之間有二維平面內的兩個自由度，這不同于傳統的位置傳感器那樣動靜元件間只有一個自由度。采用本發明可實現二維平面內任意點位置檢測，裝置結構簡單，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的間隙影響，所以精度高，系統可靠性高，操作方便。
文檔編號G01B7/00GK102435129SQ20111026613
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者康宜華 申請人:華中科技大學