用于使用了線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的對(duì)象的精密定位的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于使用了線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的對(duì)象的精密定位的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，尤其涉及用于精密定位使用了線性步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的對(duì)象的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常包括例如圖1所示的臺(tái)板10和沖頭20。臺(tái)板10是電動(dòng) 機(jī)的固定被動(dòng)部分，并且其長(zhǎng)度將決定電動(dòng)機(jī)移動(dòng)的距離。臺(tái)板10通常具有沿著 其長(zhǎng)度等距分隔的許多齒12，并且除了其不是永久磁鐵之外，類似于常規(guī)旋轉(zhuǎn)式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子。沖頭20通常包括各自具有三個(gè)或多個(gè)齒24的四個(gè)極片22。 每個(gè)齒24的間距相對(duì)于臺(tái)板10的齒12交錯(cuò)排列。沖頭20使用機(jī)械滾柱軸承或空 氣軸承，以便在臺(tái)板之上騎行于氣隙上，從而兩者在物理上彼此永不形成接觸。沖 頭中的磁場(chǎng)通過(guò)使電流流經(jīng)其線圈(例如線圈A和B)來(lái)改變。這個(gè)動(dòng)作使得下 一組齒24與臺(tái)板上的齒12對(duì)齊，并使得沖頭以逐步移動(dòng)的方式在臺(tái)板上的齒和齒 之間移動(dòng)。當(dāng)電流模式反向時(shí)，沖頭改變其移動(dòng)方向。線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器控制 施加到線圈的電流勵(lì)磁模式(開(kāi)關(guān)周期)，從而電動(dòng)機(jī)以逐步可控方式移動(dòng)。 一個(gè) 完整的開(kāi)關(guān)周期包括四個(gè)整步，該周期使沖頭20在臺(tái)板10上移動(dòng)一個(gè)齒距的距離。 在微步模式，沖頭可被控制成移動(dòng)整步的幾分之一，例如，通過(guò)將每個(gè)施加的電流 步分隔成多個(gè)電流步。例如，多個(gè)電流步可施加在全正、零電流和全負(fù)之間。線性 電動(dòng)機(jī)的典型分辨率是每英寸約IOO個(gè)整步。在微步模式，分辨率極大增加。
眾所周知，例如由于周期性定位誤差、熱膨脹誤差、致動(dòng)器的平直度的存在， 以及由于電動(dòng)機(jī)的制造中的缺陷所致的其它誤差，線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)的精確度 和平滑度方面受到限制。因此，誤差可能被引入到由電動(dòng)機(jī)移動(dòng)的對(duì)象的期望和實(shí)際位置之間，特別是如果該對(duì)象定位于與沖頭的中心隔開(kāi)一段距離的地方。誤差也 可能被引入到連接于電動(dòng)機(jī)的可動(dòng)部分(即沖頭20)的對(duì)象的期望與實(shí)際定向之 間。如圖2所示。沖頭的定位(圖2中的點(diǎn)C)受到臺(tái)板齒中的周期、熱和隨機(jī)誤差的影響。 然而，與理想運(yùn)動(dòng)路線(X)偏離中心的對(duì)象P的位置不僅受到點(diǎn)C處的定位誤差的 影響，而且受到定向誤差(-)，該定向誤差主要是由于臺(tái)板的不良平直度而產(chǎn)生。 沿著與軸X平行的軸X'的對(duì)象P的定位誤差可描述成E = 其中&是點(diǎn)C處的定位誤差，r是點(diǎn)C與P之間的距離，而-是定向誤差。明顯地，定位誤差五是實(shí)現(xiàn)對(duì)象P的高精度定位的關(guān)鍵。因此，期望提供系統(tǒng)和方法來(lái)不僅補(bǔ)償沖 頭的線性位置誤差&，而且補(bǔ)償總誤差五。對(duì)于諸如微點(diǎn)陣裝置、或者使用在各種儀器和機(jī)器中的高精度X-Y平臺(tái)的一 些應(yīng)用，非常期望獲得落在給定規(guī)范內(nèi)的精確和平滑的運(yùn)動(dòng)。在許多應(yīng)用中，解決 方案是基于通過(guò)DC、 AC、或者步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)螺桿機(jī)構(gòu)、以及沿著導(dǎo)螺桿 引導(dǎo)對(duì)象的線性導(dǎo)軌。對(duì)于這些應(yīng)用，基于線性電動(dòng)機(jī)和線性光學(xué)編碼器的機(jī)構(gòu)提 供了以下超出常規(guī)導(dǎo)螺桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)無(wú)傳動(dòng)裝置(齒輪)、極小的摩擦力(當(dāng)使 用輪時(shí))或可忽略(當(dāng)使用空氣軸承時(shí))、極高的速度(通常超出每秒若干米)、 極高的加速度(通常超出1G)、長(zhǎng)度上的靈活性(臺(tái)板可制成若干米長(zhǎng))等。通 常，線性編碼器或一些其它測(cè)量設(shè)備被用作反饋裝置。然而，典型無(wú)電刷DC或 AC線性電動(dòng)機(jī)和線性光學(xué)編碼器的成本可能極度昂貴的，并且會(huì)將這種技術(shù)限制 于"高端"應(yīng)用。換言之，從產(chǎn)品成本的觀點(diǎn)來(lái)看，許多實(shí)驗(yàn)室儀器和機(jī)器負(fù)擔(dān)不 起這種技術(shù)。磁滯現(xiàn)象是存在于大部分電磁系統(tǒng)中的一種效應(yīng)。當(dāng)從兩個(gè)不同方向移動(dòng)到 相同的期望位置時(shí)，線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也顯示了所到達(dá)位置之間的差異。在諸如以陣 列方式印刷生物樣品的一些應(yīng)用中，不管以哪個(gè)運(yùn)動(dòng)方向朝著期望位置，獲得高定 位精度都是極其重要的。微步模式中的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制通過(guò)使用微步步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí) 行。盡管這些驅(qū)動(dòng)器被校準(zhǔn)成在微步之間實(shí)現(xiàn)相等距離，但是如果不同驅(qū)動(dòng)器用在 相同的電動(dòng)機(jī)上，連接到?jīng)_頭的對(duì)象的實(shí)際位置中仍存在差異。當(dāng)期望高定位精度 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器特性的影響也是需要考慮的影響之一。因此，期望提供將相對(duì)可負(fù)擔(dān)的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與可提供高定位精度的先進(jìn) 的控制器相結(jié)合的系統(tǒng)和方法。此外，這些系統(tǒng)和方法應(yīng)當(dāng)提供增強(qiáng)移動(dòng)和定位精
度的能力，包括補(bǔ)償周期誤差和磁滯現(xiàn)象的能力
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于精密定位使用基于釆用根據(jù)補(bǔ)償表的控制算法工作于微步 模式的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的線性致動(dòng)器的對(duì)象的系統(tǒng)和方法。方法包括補(bǔ)償沿著對(duì)象 路徑的總誤差，該誤差包括由于對(duì)象定向的改變以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的影響而產(chǎn)生的 誤差。
本發(fā)明提供了包括線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、但不具有用于測(cè)量位置的任何裝置的定 位裝置。在一個(gè)方面，位置誤差i 和磁滯現(xiàn)象通過(guò)使用在正向和反向上跟蹤偏離中 心對(duì)象的實(shí)際定位中的誤差的誤差-補(bǔ)償表來(lái)最小化。線性光學(xué)編碼器(或其它測(cè) 量裝置)可用于校準(zhǔn)目的，然而，在元件被校準(zhǔn)之后，可以從此元件中移除測(cè)量裝 置。
本發(fā)明有益地補(bǔ)償由包括致動(dòng)器上可在某種程度上使臺(tái)板變形(彎曲)的裝 置的各種影響導(dǎo)致的非線性。在一個(gè)方面中，在將致動(dòng)器安裝到儀器和機(jī)器支承板 上之后(例如微陣列點(diǎn)樣器中的底座上)，提供機(jī)載校準(zhǔn)裝置來(lái)自動(dòng)獲得補(bǔ)償表。
在不需要任何位置反饋裝置的情況下，本發(fā)明也有益地顯著較小定位誤差。 此外，被移動(dòng)的對(duì)象的運(yùn)動(dòng)由于不存在大的重復(fù)誤差而變得平滑(變得均勻)。在 一些應(yīng)用(例如分子生物學(xué)應(yīng)用中的載片上的特性的掃描)中，均勻和平滑的運(yùn)動(dòng) 可能是更重要的，雖然在一些其它應(yīng)用(例如微陣列點(diǎn)樣器中的精密X-Y平臺(tái)) 中定位精度可能更重要。
本發(fā)明的各個(gè)方面被應(yīng)用于其中高精度的范圍被定義成X-Y平面內(nèi)的矩形的X-Y平臺(tái)。本發(fā)明也被用于X-Y-Z組件的精密定位和平滑運(yùn)動(dòng)，該組件包括是線 性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的X和Y致動(dòng)器、以及被用于端-操縱裝置(例如微陣列點(diǎn)樣器打印 頭)的垂直定位的Z致動(dòng)器。在X-Y平面內(nèi)的總運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)較高速度和加速度， 同時(shí)Z-致動(dòng)器是應(yīng)用相關(guān)的，并且可以包括例如線圈致動(dòng)器(用于較小有效負(fù)載)、 球形-螺桿步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組件(用于較高負(fù)載)等的各種方式進(jìn)行構(gòu)建。根據(jù)本發(fā)明 的X-Y-Z組件的一種應(yīng)用是用于具有高精度(幾微米)、高速度(每秒幾米)、 大加速度(例如1G和更大)以及低成本(系統(tǒng)中不需要位置測(cè)量裝置)的微陣列 點(diǎn)樣器中。本發(fā)明也消除了在制造過(guò)程中物理調(diào)節(jié)歸位傳感器的位置的需求，但是仍獲 得總是向著相同的單線圈全電流位置的一致的歸位。 本發(fā)明也提供在歸位期間消除跳動(dòng)的歸位方法，從而獲得對(duì)于精密定位來(lái)說(shuō) 極其重要的高可重復(fù)的歸位。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于自動(dòng)生成用來(lái)校準(zhǔn)具有臺(tái)板和能夠沿著 該臺(tái)板以微步線性移動(dòng)的沖頭的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償表的方法。此方法通常包括從起始位置開(kāi)始；沿著第一線性方向以一個(gè)和多個(gè)微步的第一間隔移動(dòng)沖頭； 沿著第一方向使用位置測(cè)量裝置確定連接到?jīng)_頭的對(duì)象的實(shí)際位置；以及將與從起 始位置開(kāi)始所移動(dòng)的總微步數(shù)量相關(guān)的對(duì)象的實(shí)際位置記錄在存儲(chǔ)器中。該方法通 常也包括將這些步驟重復(fù)多次，直到到達(dá)終點(diǎn)位置。起始位置和終點(diǎn)位置可沿著臺(tái) 板限定沖頭運(yùn)動(dòng)的所有和部分可能范圍。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了用于使用工作于微步模式的線性步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)而不使用位置反饋裝置來(lái)高精度地定位對(duì)象的方法，并且該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有臺(tái)板 和沿著此臺(tái)板線性移動(dòng)的沖頭，其中對(duì)象連接到?jīng)_頭。該方法通常包括接收將沖 頭移動(dòng)到期望位置的命令；基于沖頭的當(dāng)前位置確定是否需要沿臺(tái)板向前或向后移 動(dòng)；以及使用存儲(chǔ)有表示與從沖頭的原位置開(kāi)始的微步數(shù)量相關(guān)的對(duì)象的實(shí)際位置 的多個(gè)值的補(bǔ)償表來(lái)確定沖頭從當(dāng)前位置到期望位置需要移動(dòng)的第一微步數(shù)量。該 方法也通常包括在正向和方向上將沖頭移動(dòng)第一微步數(shù)量到期望位置。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了用于精確歸位工作于微步模式的步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的方法，該電動(dòng)機(jī)包括臺(tái)板和具有用于沿著此臺(tái)板以微步移動(dòng)沖頭自身的兩個(gè)線 圈的沖頭。該方法通常包括將歸位傳感器連接到臺(tái)板；確定歸位傳感器激活位置 與第一線圈的最近線圈全電流位置之間的微步數(shù)量；確定從歸位傳感器激活位置到 最近線圈全電流位置的運(yùn)動(dòng)方向；以及將微步數(shù)量和方向存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供通常包括臺(tái)板、能夠沿著該臺(tái)板線性移動(dòng)的 沖頭和用于以微步方式控制該沖頭的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)通常也包括存儲(chǔ)在 存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償表，該表包括表示與從沖頭的起始位置開(kāi)始的微步數(shù)量相關(guān)的連接 到?jīng)_頭的對(duì)象沿著臺(tái)板的實(shí)際位置的值。在工作時(shí)，響應(yīng)于將對(duì)象移動(dòng)到期望位置 的信號(hào)，控制器根據(jù)補(bǔ)償表確定將沖頭移動(dòng)到期望位置所需的第一微步數(shù)量，并且 在不使用位置反饋裝置的情況下，控制器將沖頭控制成移動(dòng)第一微步數(shù)量到期望位 置。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供通常包括配置成控制對(duì)象在X方向上移動(dòng)的 第一線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和配置成控制對(duì)象在Y方向上移動(dòng)的第二線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 X-Y平臺(tái)。每個(gè)線性歩進(jìn)電動(dòng)機(jī)都具有能夠沿著臺(tái)板以微步方式移動(dòng)的沖頭和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償表，每個(gè)補(bǔ)償表包括表示與從相應(yīng)沖頭的起始位置開(kāi)始的微步數(shù) 量相關(guān)的對(duì)象的實(shí)際位置的值，其中在不使用反饋裝置的情況下，使用補(bǔ)償表將每 個(gè)沖頭操作成移動(dòng)到精確位置。在另一個(gè)方面中，該平臺(tái)包括用于控制對(duì)象在基本上垂直于X和Y方向的Z方向上的移動(dòng)的致動(dòng)器。參考說(shuō)明書(shū)包括附圖和權(quán)利要求的剩余部分將理解本發(fā)明的其它特性和優(yōu) 點(diǎn)。以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)、以及本發(fā)明的各種實(shí)施例 的結(jié)構(gòu)和操作。在附圖中，相同標(biāo)號(hào)表示相同或者功能上類似的元件。


圖1示出了包括臺(tái)板和沖頭的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)示例。圖2示出了在使用線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的對(duì)象的移動(dòng)期間引入的誤差。 圖3a示出了包括正交線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的X-Y定位平臺(tái)。 圖3b示出了在一個(gè)方面包括永久編碼器的校準(zhǔn)裝置，或者在另一個(gè)方面包括 可拆卸編碼器的X-Y平臺(tái)裝置。圖4示出了線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)周期誤差的一個(gè)示例。圖5示出了用于圖4的致動(dòng)器的、沿著在正向上(以微步方式從較小位置到 較大位置)移動(dòng)的致動(dòng)器的沖程以1500點(diǎn)測(cè)量的到達(dá)位置的范圍。圖6a示出了周期誤差與由重復(fù)性所產(chǎn)生的誤差之間的相互關(guān)系。多次試驗(yàn)中 獲得的實(shí)際位置繞著平均位置在最大僅達(dá)士5 pm的范圍變化，但是平均(周期) 誤差可在范圍[一35,+ 10] pm內(nèi)變化。圖6b示出了當(dāng)從相距臺(tái)板的兩個(gè)不同距離進(jìn)行測(cè)量時(shí)，沖頭定向?qū)傉`差的 影響。圖7示出了根據(jù)5次運(yùn)行獲得的、以沿著致動(dòng)器的沖程相距10微步的500點(diǎn) 測(cè)量的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁滯現(xiàn)象。圖8a和b示出了常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的歸位過(guò)程。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的歸位過(guò)程的各個(gè)方面。圖IO示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償表的形象化顯示。圖11示出了未校準(zhǔn)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前向移動(dòng)的絕對(duì)位置誤差和誤差范圍。圖12示出了經(jīng)校準(zhǔn)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前向移動(dòng)的絕對(duì)位置誤差和誤差范圍。圖13示出了未校準(zhǔn)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)后向移動(dòng)的絕對(duì)位置誤差和誤差范圍。圖14示出了經(jīng)校準(zhǔn)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)后向移動(dòng)的絕對(duì)位置誤差和誤差范圍。
圖15示出了在補(bǔ)償之前沿著線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器沖程的磁滯現(xiàn)象。 圖16示出了沿著經(jīng)校準(zhǔn)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器沖程的磁滯現(xiàn)象。 圖17示出了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置誤差的影響。圖18示出了其中本發(fā)明的校準(zhǔn)、歸位和精密定位方法是特別有用的微陣列點(diǎn) 樣器(例如X-Y-Z平臺(tái))的一個(gè)示例。
具體實(shí)施方式
根據(jù)如圖l所示的一個(gè)實(shí)施例，線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括活動(dòng)沖頭20和固定臺(tái)板 10。沖頭20包括插入到具有齒24的鋼芯中的兩個(gè)線圈(A和B)和密封到鋁外殼 中的單個(gè)永久磁鐵。沖頭20沿著例如與圖2的X軸(也在圖1中示出為橫截面) 垂直的具有齒12的光化學(xué)蝕刻鋼條的臺(tái)板10在空氣軸承或輪上移動(dòng)。沖頭20具 有面向臺(tái)板10的齒12的4組齒24 (例如以40微米的距離)。這4組齒之間的距 離不是多個(gè)臺(tái)板齒間距，而是具有偏移，從而僅一組齒可與臺(tái)板齒正面相對(duì)。其它 組偏離間隔的X、 ％和％。通過(guò)將電流施加到第一線圈(A)，則第一組齒將與臺(tái)板 齒對(duì)齊。當(dāng)A中的電流為零但在線圈B中施加電流時(shí)，第三組齒將與臺(tái)板齒對(duì)齊。 這將導(dǎo)致小運(yùn)動(dòng)一為齒間距的X的一步。當(dāng)B中的電流減至零并且在線圈A中以 反向施加全電流時(shí)，第二組齒將與臺(tái)板齒對(duì)齊，從而沖頭將在相同方向上前進(jìn)另一 步。最后，通過(guò)將全負(fù)電流施加到線圈B，同時(shí)將線圈A中的電流減至零，則將 使第四組齒與臺(tái)板齒對(duì)齊，從而產(chǎn)生另一步移動(dòng)。因此，當(dāng)以特定次序激勵(lì)線圈時(shí)， 線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將逐步移動(dòng)。這類似于常規(guī)旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的操作，除了移動(dòng)是 線性的而非旋轉(zhuǎn)的之外。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器(未示出)提供控制信號(hào)，以便以期望 次序激勵(lì)線圈。在某些方面中，控制器包括用于存儲(chǔ)補(bǔ)償表數(shù)據(jù)和本文所述的其它 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器(例如ROM)。因?yàn)樵谝粋€(gè)方面中，齒間距約為lmm，所以一步是間距的X—約為250 pm。 通過(guò)施加其中A和B中的電流以比全正、零和全負(fù)更小的步進(jìn)行變化的微步來(lái)獲 得較小的步。由A和B電流構(gòu)成的電流矢量以相等的角微步(例如256微步每整 步)進(jìn)行變化。這允許微步以每微步線性增加約lpm的方式進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)理解1 mm 的齒間距(以及同樣l)Lim的微步)是示例性的，并且本發(fā)明可被應(yīng)用于包括任意 尺寸的齒間距的致動(dòng)器，不管該尺寸大于還是小于此示例的。周期誤差
每個(gè)實(shí)際線性微步增量都受到電磁現(xiàn)象、齒的幾何形狀、所使用的材料、間 隙距離、臺(tái)板和沖頭的溫度、輪中的摩擦力(如果未使用空氣軸承)等的影響。實(shí)際增量與理想增量之間的誤差意味著可達(dá)50pm (或甚至更大)的位置誤差，盡管 微步僅為l)iim。誤差取決于臺(tái)板上的位置。它具有重復(fù)分量(稱為"周期誤差"， 它以根據(jù)齒間'距確定的頻率進(jìn)行重復(fù))和平均移動(dòng)分量(沿著臺(tái)板長(zhǎng)度變化)。周 期誤差常常假定成沿著每個(gè)齒間距都相等。事實(shí)上，它可能變化，并且可能在齒與 齒之間是不同的。圖4示出了線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的周期誤差的一個(gè)示例(Baldor電子設(shè)備一單軸 51b沖頭LMSS1302-2WW0和臺(tái)板LTS13WB)。在所示示例中，電動(dòng)機(jī)具有1016 Hm的間距(4個(gè)整步，每個(gè)為254iim)，并且以256微步每整步進(jìn)行控制(一微 步對(duì)應(yīng)于0.9921875 nm)。這樣，以(每)4x256微步=1024微步重復(fù)周期誤差。 在圖4中，x軸按微步方式示出受控位置，而y軸示出按微米方式Oim)的理想位置 與使用線性光學(xué)編碼器測(cè)量的實(shí)際位置之間的差異。在此示例中，周期誤差在約 [-35,10] pm的范圍內(nèi)。另一方面，此致動(dòng)器具有更好的重復(fù)性。此致動(dòng)器的重復(fù) 性被示出為落在土5 ^m的范圍內(nèi)。圖5示出了沿著在正向上(以微步方式從較小 位置到較大位置)移動(dòng)的致動(dòng)器的沖程以1500點(diǎn)測(cè)量的相同致動(dòng)器所達(dá)到的位置 的范圍。以微步方式將到達(dá)相同位置的移動(dòng)重復(fù)100次來(lái)采集實(shí)際位置，并且沿著 沖程對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算所到達(dá)位置的范圍。可了解由于固有電動(dòng)機(jī)特性，誤差的范圍 具有9pm的最大值，即在沿著致動(dòng)器沖程的所有測(cè)量點(diǎn)中，其重復(fù)性超出土5pm。圖6a示出了周期誤差與由重復(fù)性所產(chǎn)生的誤差之間的相互關(guān)系。4次試驗(yàn)中 到達(dá)的實(shí)際位置繞著平均位置的變化最大僅僅到達(dá)土5 pm，但是平均(周期)誤 差可在范圍[—35，+10]^im內(nèi)變化。定向誤差的影響對(duì)于將通過(guò)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位的偏離中心的對(duì)象，即位于與沖頭的中心相 距若干距離r的對(duì)象，總位置誤差將包括作為對(duì)象定向誤差的結(jié)果的線性位置誤 差，如圖2所示。沿著與軸X平行的軸X，的對(duì)象P的定位誤差可描述成 ￡ = &+rSinW)，其中^是點(diǎn)C處的定位誤差，r是點(diǎn)C與P之間的距離，而0是定向誤差。明顯地，定位誤差E是實(shí)現(xiàn)對(duì)象P的高精度定位的關(guān)鍵。緩慢變化的對(duì) 象定向誤差主要是由于臺(tái)板不良的平直度而產(chǎn)生(如果對(duì)象適當(dāng)?shù)毓潭ǖ經(jīng)_頭)。 圖6b示出了通過(guò)定位在相距臺(tái)板的中心30 cm處的遠(yuǎn)程線性光學(xué)編碼器測(cè)量的位
置誤差與通過(guò)定位在相距臺(tái)板的中心15cm處的"中間"編碼器測(cè)量的位置(經(jīng)濾 波的信號(hào))之間的差異。可了解隨著對(duì)象/沖頭的定向的變化，相距15 cm處所 測(cè)量的位置誤差的差異在約3-4微步的范圍內(nèi)擺動(dòng)。因此，其中補(bǔ)償總誤差，并且特別是周期誤差的策略將是非常有益的。根據(jù) 本發(fā)明的補(bǔ)償表的方法對(duì)于補(bǔ)償總誤差是有用的。此外，沿著對(duì)象路徑(例如圖2 中的X')補(bǔ)償總誤差是有用的。本發(fā)明還可應(yīng)用于X-Y平臺(tái)。在圖3a中示出了這 種情況。使用沿著與對(duì)應(yīng)致動(dòng)器X和Y平行、同時(shí)與區(qū)域R的中點(diǎn)相交放置、并 且位于與致動(dòng)器相距某個(gè)距離處的光學(xué)編碼器ENCx和ENCy來(lái)執(zhí)行圖3a所示的 X-Y平臺(tái)的校準(zhǔn)。因此，使得波動(dòng)(臺(tái)板X和臺(tái)板Y的平直度)的影響最小化。圖3b示出了用于承載(有效負(fù)載)位于相距臺(tái)板某個(gè)距離處的對(duì)象的線性步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的校準(zhǔn)裝置。感興趣的區(qū)域示出為矩形區(qū)，并且線性標(biāo)度定位在此區(qū)域 的中間。在一個(gè)方面中，光學(xué)編碼器傳感器(頭)被連接到連接于沖頭的支架。此 支架是被動(dòng)式的，并且其目的是承載傳感器，從而它被定位成在線性標(biāo)度之上并相 距一段距離，該距離由光學(xué)編碼器的制造商精確限定。在制造裝置期間，此校準(zhǔn)裝 置被有益地用來(lái)在將致動(dòng)器移除并集成到機(jī)器中之前生成校準(zhǔn)表。在另一個(gè)方面 中，圖3b同樣示出了其中X和Y致動(dòng)器是線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并且其中X致動(dòng)器 已經(jīng)如上所述進(jìn)行校準(zhǔn)的X-Y平臺(tái)裝置。在此方面中，平臺(tái)裝置不具有任何永久 連接的光學(xué)編碼器。然而，機(jī)載校準(zhǔn)可通過(guò)將可拆卸光學(xué)編碼器(或其它測(cè)量裝置) 連接到元件來(lái)執(zhí)行。在此方面中，線性編碼器包括頭(傳感器)和可連接到系統(tǒng)或 從其上拆卸的線性標(biāo)度。此光學(xué)編碼器可被用來(lái)"機(jī)載"校準(zhǔn)X軸(獲得補(bǔ)償表、 核對(duì)精度等)。如果更換了致動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器，則這通常需要進(jìn)行，從而元件必須(重 新)校準(zhǔn)。Y軸致動(dòng)器進(jìn)行類似的校準(zhǔn)，例如，使用第二可拆卸編碼器，或者重定 位用來(lái)校準(zhǔn)X軸的編碼器，從而它可被用來(lái)校準(zhǔn)Y軸電動(dòng)機(jī)。圖18示出了其中本發(fā)明的校準(zhǔn)、歸位和精密定位方法是特別有用的微陣列點(diǎn) 樣器(例如X-Y-Z平臺(tái))。如所示，陣列點(diǎn)樣器包括基于線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(如本 文所述)的X和Y軸，并且不使用光學(xué)編碼器進(jìn)行操作(盡管可拆卸"機(jī)載"光 學(xué)編碼器可被用于如上所述的重校準(zhǔn))。如所示，連接到Y(jié)致動(dòng)器的沖頭的Z組 件包括支架、具有導(dǎo)螺桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、精密線性導(dǎo)軌和打印頭。此步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)導(dǎo)螺桿的螺母(位于電動(dòng)機(jī)外殼內(nèi)一未示出)，該導(dǎo)螺桿通過(guò)圍 繞其的外殼防止旋轉(zhuǎn)。因此，螺桿僅在垂直方向上移動(dòng)。打印頭牢固地連接到線性 導(dǎo)軌的活動(dòng)塊，并且還伸縮自如地連接到導(dǎo)螺桿的底部。因此，打印頭在垂直方向 上移動(dòng)(由線性導(dǎo)軌的精度來(lái)確定)，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)基于導(dǎo)螺桿的傳遞進(jìn)行致 動(dòng)。這僅是Z軸組件結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例。明顯地，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以 各種其它方式或其它手段(音圈、DC電動(dòng)機(jī)等)構(gòu)建Z軸組件是顯而易見(jiàn)的。在一個(gè)方面中，打印頭使用浮置于對(duì)應(yīng)孔中的針?shù)N(未示出)來(lái)組裝。當(dāng)z軸向下移動(dòng)觸及對(duì)象時(shí)，針?shù)N可突起。微孔板是可更換的，并且可包含不同液體樣品(生 物制品、化學(xué)制品等)。針?shù)N進(jìn)入插孔以使用毛細(xì)管或其它樣品提取手段來(lái)獲得樣品。在一個(gè)方面中，(所提取)的樣品通過(guò)向上移動(dòng)Z、并且移動(dòng)X和Y沖頭來(lái) 轉(zhuǎn)移，從而針?shù)N到達(dá)涂抹載片的頂部。涂抹載片上的輕柔引流允許從針?shù)N上移除多 余的液體。然后，頭通過(guò)載片之上的X-Y-Z致動(dòng)器來(lái)重定位。載片上的樣品的布 置通過(guò)參照期望圖案接觸載片來(lái)完成。在載片上進(jìn)行印刷之后，針?shù)N被轉(zhuǎn)移到洗滌 區(qū)，其中它們通過(guò)使用真空臺(tái)、流通洗滌臺(tái)的液流以及包含一些洗液的被動(dòng)式洗滌 臺(tái)來(lái)清洗。在對(duì)針?shù)N進(jìn)行清洗和干燥之后，可使用打印頭重復(fù)整個(gè)過(guò)程，從而使下 一組樣品(孔)進(jìn)入到微孔板中。在一個(gè)方面中，陣列點(diǎn)樣器是旨在從諸如96-孔、384-孔和1536-孔的標(biāo)準(zhǔn)微 滴定度板在具有涂層的玻璃載片或薄膜上印刷陣列的較小、經(jīng)濟(jì)、桌面儀器。樣品 可包含單或雙螺旋DNA、蛋白質(zhì)或其它材料。如上所述，可基于允許吸引樣品、 轉(zhuǎn)移樣品和將其沉積在表面上的毛細(xì)管效應(yīng)來(lái)進(jìn)行打印。在此方面中，樣品的載體 包括可以是羽毛針(具有細(xì)孔)或?qū)嵭尼?具有實(shí)心圓柱形尖端)的圓形尖端針?shù)N。 針?shù)N最好以陣列方式排列在打印頭上。打印過(guò)程從將針?shù)N浸入到微孔板內(nèi)開(kāi)始、然 后在涂抹載片上引流若干次、在載片上進(jìn)行印刷、以及對(duì)針?shù)N進(jìn)行清洗/干燥。然 后，針?shù)N將浸入到板中的另一組插孔中、在涂抹載片上的略為不同的位置上引流若 干次、在所有載片上進(jìn)行打印、撞擊略微不同的位置、以及最后進(jìn)行清洗和干燥。 之后，用戶可更換板并繼續(xù)打印過(guò)程。載片襯底上的點(diǎn)圖案可交錯(cuò)。點(diǎn)之間的距離 可小至200微米。明顯地，X和Y致動(dòng)器的精度和速度對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量印刷是非 常重要的。磁滯現(xiàn)象眾所周知，磁滯現(xiàn)象是存在于大部分電磁系統(tǒng)中的現(xiàn)象。當(dāng)在正向上移動(dòng)時(shí)， 電動(dòng)機(jī)停止的平均位置可能與在反向或后向上移動(dòng)時(shí)(所停止)的位置不同。當(dāng)從 前向或后向移動(dòng)到相同位置時(shí)的平均實(shí)際位置的差異被定義為該位置上的磁滯。圖 7示出了根據(jù)5次運(yùn)行獲得的、以沿著致動(dòng)器的沖程相距10微步的500點(diǎn)測(cè)量的 線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的平均磁滯。據(jù)此可了解線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁滯也具有波動(dòng)。對(duì) 于此研究中所使用的致動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器(與圖4致動(dòng)器一樣)，在沿著沖程的不同點(diǎn) 上，磁滯在1與15 pm之間變化。因此，在從不同方向移動(dòng)到相同位置時(shí)，為了 獲得高定位精度，消除磁滯現(xiàn)象的影響是有益的。補(bǔ)償表的生成根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，沿著對(duì)象路徑的總誤差通過(guò)使用位于靠近其中要求 高定位精度的區(qū)域的相距致動(dòng)器的中心某個(gè)距離處的光學(xué)無(wú)觸點(diǎn)線性編碼器來(lái)沿 著對(duì)象路徑校準(zhǔn)致動(dòng)器?？墒褂脺y(cè)量距離的激光-干涉儀或任意類似裝置來(lái)替代光 學(xué)編碼器。補(bǔ)償表通過(guò)記錄實(shí)際位置來(lái)生成，該位置通過(guò)對(duì)象被控制成前進(jìn)確定數(shù)量的微步(例如16微步)來(lái)獲得。表對(duì)沿著臺(tái)板的所有點(diǎn)進(jìn)行記錄。最好對(duì)沿著臺(tái)板的前向或后向運(yùn)動(dòng)兩者分別生成補(bǔ)償表。表存儲(chǔ)在諸如控制器的永久存儲(chǔ)器(ROM)的存儲(chǔ)器元件中或者控制裝置的主機(jī)的硬盤驅(qū)動(dòng)器上。在補(bǔ)償表生成算法的一個(gè)先進(jìn)方式中，在整個(gè)臺(tái)板長(zhǎng)度上多次一N次(例如5或更多次)采集并記錄表數(shù)據(jù)，并且記錄和存儲(chǔ)在這N次試驗(yàn)中的微步的平均數(shù)量。這種策略使得致動(dòng)器的重復(fù)性對(duì)表中數(shù)據(jù)的質(zhì)量的影響最小化。因?yàn)檠刂鴮?shí)際對(duì)象路徑、或者在其中要求高精度的區(qū)域內(nèi)(在相距致動(dòng)器軸某個(gè)距離處)執(zhí)行對(duì)象的實(shí)際位置的測(cè)量，所以補(bǔ)償表將包括所有誤差源，包括對(duì)象的定向誤差和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的影響。對(duì)致動(dòng)器采集數(shù)據(jù)并生成補(bǔ)償表的過(guò)程也稱為致動(dòng)器校準(zhǔn)。圖10示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償表的形象可視化。圖10 中的表示出了以 微步增量方式對(duì)受控位置的前向和后向移動(dòng)釆集的平均位置。例如，"、可以是所期望的任意可控值(例如2或12或16或更大)。對(duì) 選擇較大 值將傾向于減小生成表所需的時(shí)間。在表中，力(/0,* = 0，1,2...表示當(dāng)電動(dòng)機(jī)被控制 成在前向上以微步方式移動(dòng)到b,位置時(shí)的平均實(shí)際位置，同時(shí)h(yfe),;fc-0,1,2...表示當(dāng)電動(dòng)機(jī)被控制成在后向上以微步方式移動(dòng)到;K位置時(shí)的平均實(shí)際位置。補(bǔ)償表的粒度采集補(bǔ)償數(shù)據(jù)的過(guò)程可以是相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)程，因?yàn)樽詈醚刂聞?dòng)器的整個(gè)沖 程對(duì)相對(duì)較大數(shù)量的點(diǎn)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)良好精度的線性內(nèi)插法。如果其中 平均實(shí)際位置以pm進(jìn)行測(cè)量的點(diǎn)的數(shù)量較大，則線性內(nèi)插法將是有益的，但是釆 集表的時(shí)間可能較長(zhǎng)。另一方面，如果對(duì)于給定沖程，表中行的數(shù)量較小，則將在
較短的時(shí)間內(nèi)獲得表，但是內(nèi)插法的精度可能不夠好。因?yàn)檫@個(gè)原因，所以期望最優(yōu)化其中平均實(shí)際位置以pm進(jìn)行測(cè)量的點(diǎn)的數(shù)量(按微步方式的位置)，即最優(yōu)化補(bǔ)償表中的行的數(shù)量。在一個(gè)方面中，補(bǔ)償表中的行的數(shù)量的最優(yōu)化最好執(zhí)行成由線性內(nèi)插法引起的誤差不大于士l微步。例如，在根據(jù)圖4致動(dòng)器的一個(gè)示例中，每16微步采集 平均實(shí)際位置是足夠的，即每個(gè)整步內(nèi)進(jìn)行16次。電動(dòng)機(jī)可重復(fù)性的影響由于固有電動(dòng)機(jī)特性，當(dāng)控制成多次定位于某個(gè)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能到達(dá)不 同實(shí)際位置。誤差的范圍定義了電動(dòng)機(jī)的可重復(fù)性。為了獲得高質(zhì)量的補(bǔ)償表，期 望得到根據(jù)足夠次數(shù)的試驗(yàn)所獲得的實(shí)際位置的平均值。因此，在一個(gè)方面，將沿 著致動(dòng)器沖程對(duì)每個(gè)點(diǎn)采集實(shí)際位置的過(guò)程重復(fù)多次。次數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。也 期望最優(yōu)化獲得平均位置值所需的掃描的數(shù)量，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)量也影響校準(zhǔn)致動(dòng)器所 需的時(shí)間。例如，對(duì)于圖4中所使用的致動(dòng)器，沿著致動(dòng)器沖程執(zhí)行6次掃描足夠 獲得平均實(shí)際位置(即如果掃描的數(shù)量增加，則平均位置的變化將不大于土l微 步)。靜摩擦的影響在測(cè)量實(shí)際位置之前，導(dǎo)致到達(dá)某個(gè)位置的移動(dòng)應(yīng)當(dāng)足夠長(zhǎng)至消除致動(dòng)器中 可能存在的靜摩擦的影響。在采集補(bǔ)償表的過(guò)程中，不推薦過(guò)短的移動(dòng)。例如，對(duì) 于圖4中所使用的致動(dòng)器，盡管每16微步對(duì)表進(jìn)行采集，仍使用200微步的移動(dòng)。穩(wěn)定時(shí)間的影響在到達(dá)某個(gè)位置、以及在使用編碼器測(cè)量實(shí)際位置之前，應(yīng)當(dāng)允許足夠的時(shí) 間來(lái)使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定下來(lái)，以便獲得可靠的數(shù)據(jù)。穩(wěn)定時(shí)間隨著致動(dòng)器變化，并且應(yīng) 當(dāng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。在采集補(bǔ)償表的過(guò)程中，完成移動(dòng)的等待時(shí)間應(yīng)當(dāng)或多或少大 于致動(dòng)器的穩(wěn)定時(shí)間。另一方面，過(guò)分長(zhǎng)的等待時(shí)間會(huì)不必要地增加采集補(bǔ)償表所 需的時(shí)間。對(duì)于圖4中所使用的致動(dòng)器，等待時(shí)間被設(shè)定成160 ms，因?yàn)榉€(wěn)定時(shí) 間是150 ms。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的影響
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特性可對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位以及對(duì)其磁滯現(xiàn)象大小產(chǎn)生 顯著影響。圖17示出了對(duì)于圖4中所使用的相同的電動(dòng)機(jī)，使用三個(gè)相同類型的驅(qū)動(dòng)器元件(Testm公司的微步驅(qū)動(dòng)器SS483-R)時(shí)的周期誤差的差異。可了解 在示例中，當(dāng)以這些驅(qū)動(dòng)器交換此致動(dòng)器時(shí)，總位置的變化大至4 nm (或近似于 微步)。為了消除驅(qū)動(dòng)器對(duì)致動(dòng)器校準(zhǔn)過(guò)程的影響，校準(zhǔn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器以 及歸位傳感器最好一起進(jìn)行校準(zhǔn)。如果驅(qū)動(dòng)器需要替換，則致動(dòng)器應(yīng)當(dāng)重新校準(zhǔn)。高精度的歸位過(guò)程一致的歸位過(guò)程對(duì)于為任意步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得整步等級(jí)的定位精度是重要的， 因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)處于使用中時(shí)，常常不存在關(guān)于實(shí)際電動(dòng)機(jī)位置的反饋。如果要獲得 微步級(jí)別(例如土l微步)的定位精度，則歸位過(guò)程應(yīng)當(dāng)是極其可靠并一致的。為 了完全利用本發(fā)明的補(bǔ)償算法的優(yōu)點(diǎn)，在歸位之后、在采集補(bǔ)償數(shù)據(jù)之前、以及稍 后該數(shù)據(jù)被用于對(duì)象定位過(guò)程時(shí)的實(shí)際致動(dòng)器位置應(yīng)當(dāng)幾乎相等。如果歸位不一 致，則表中的位置將存在偏移，并且對(duì)周期誤差的補(bǔ)償將是較差的。在一個(gè)方面中，通過(guò)選擇精密歸位傳感器、將該傳感器直接連接到致動(dòng)器一 從而如果致動(dòng)器被拆卸或重安裝到機(jī)器上時(shí)它隨著致動(dòng)器移動(dòng)、以及通過(guò)在歸位期 間對(duì)歸位實(shí)施消除跳動(dòng)的策略，以便獲得一致和可靠的歸位。如果將相對(duì)于電動(dòng)機(jī) 移動(dòng)歸位傳感器，則將需要重復(fù)致動(dòng)器校準(zhǔn)的過(guò)程。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供歸位過(guò)程來(lái)以在制造期間不需要物理調(diào)節(jié)歸位傳感器 的位置的方式歸位致動(dòng)器，并且因此在歸位期間(在重置電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí))不存在 沖頭的大跳變，并且因此可靠地執(zhí)行到相同位置的歸位。重置驅(qū)動(dòng)器時(shí)的大跳變是 不適宜的，因?yàn)樵趦H施加單線圈全電流時(shí)它們將導(dǎo)致不一致的致動(dòng)器位置，即不一 致歸位過(guò)程。例如，如圖8a所示的常規(guī)歸位過(guò)程可導(dǎo)致不一致的歸位。在常規(guī)歸 位過(guò)程期間，沖頭在軸的負(fù)向上以微步緩行模式緩慢移動(dòng)，直到來(lái)自歸位傳感器的 信號(hào)不再變化。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)停止并且電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器重置，這等價(jià)于在電動(dòng)機(jī)的線 圈A中引入全電流。此時(shí)，沖頭從當(dāng)前位置跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)于最近的A線圈全電流位 置的位置。例如圖8b所示，如果其中傳感器被激活的位置靠近的兩個(gè)A線圈全電 流位置之間的中間，則可能發(fā)生(因?yàn)閭鞲衅鞑⒎强偳『迷诖讼嗤恢眉せ?沖頭 跳轉(zhuǎn)到兩個(gè)最靠近的A線圈全電流位置(它們相距4整步)的任一個(gè)。這會(huì)導(dǎo)致 極大位置誤差的不準(zhǔn)確的歸位。通常，歸位傳感器需要物理移動(dòng)到靠近A線圈全 電流位置的任一個(gè)，以便避免這種不定性。另外，可能具有沖頭的大跳變，這將導(dǎo) 致在A線圈全電流位置周圍的非精確沖頭位置?，F(xiàn)在將參考圖9描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的歸位過(guò)程。在制造過(guò)程期間， 確定歸位傳感器激活與最近的A線圈全電流位置之間的距離，并以例如致動(dòng)器的 存儲(chǔ)表方式存儲(chǔ)在文件中。隨后，在歸位過(guò)程中，在重置驅(qū)動(dòng)器之前引入基于歸位 傳感器激活的附加移動(dòng)(將使沖頭靠近A線圈全電流位置)。即使其中歸位傳感器被激活的位置的稍微變化，也將總是使得沖頭靠近相同的A線圈全電流位置，并且歸位將是一致的。在一個(gè)方面中，為了以微步方式確定歸位傳感器激活與最近的A線圈全電流 位置之間的距離(7V—AW)，在歸位過(guò)程的開(kāi)始，重置驅(qū)動(dòng)器以到達(dá)一個(gè)線圈位置，并且重置以微步方式測(cè)量位置的計(jì)數(shù)器。接著，向后緩慢移動(dòng)致動(dòng)器(與歸位傳感器)，直到歸位傳感器被激活，并且獲得微步方式的位置(W—home)。然后，計(jì)算 將這個(gè)數(shù)除以臺(tái)板的齒間距離中的微步數(shù)量n的余數(shù) TV —畫(huà)= Re _/V—hom e /(例如，對(duì)于一個(gè)電動(dòng)機(jī)，"是兩個(gè)A線圈全電流位置之間的1024=4x256微 步，因?yàn)樵邶X間距離中有四整步，并且每整步有256微步。)如果距離在
(例如
)的范圍內(nèi)，則致動(dòng)器應(yīng)當(dāng)在正向(前向)上移動(dòng)HOMEPOS-iV—^w。 如果這個(gè)距離大于w/2 (兩個(gè)A線圈全電流位置之間的距離的一半)，即在["/2，n](例如[512,1024])的范圍內(nèi)，則致動(dòng)器應(yīng)當(dāng)在負(fù)向(后向)上移動(dòng) HOMEPOS= W—w 。HOMEPOS信息可以致動(dòng)器補(bǔ)償數(shù)據(jù)方式存儲(chǔ)在文件中。將歸位執(zhí)行成當(dāng)歸 位傳感器被激活時(shí)，電動(dòng)機(jī)移動(dòng)指定的距離(HOMEPOS步)，然后重置驅(qū)動(dòng)器。 這等價(jià)于移動(dòng)傳感器。這樣，在歸位期間不發(fā)生顯著的沖頭跳變，并且在制造過(guò)程 中不需要物理調(diào)節(jié)傳感器。使用補(bǔ)償算法的精密定位一旦已生成補(bǔ)償表，則它可被致動(dòng)器控制器用來(lái)獲得高定位精度。對(duì)于以iim 計(jì)的到達(dá)給定期望致動(dòng)器位置力的每個(gè)移動(dòng)，首先確定需要從當(dāng)前電動(dòng)機(jī)位置y向 前還是向后移動(dòng)。為到達(dá)以lim計(jì)的期望位置力而用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的致動(dòng)器 位置x^通過(guò)在補(bǔ)償表中的記錄項(xiàng)之間進(jìn)行內(nèi)插來(lái)計(jì)算。在一個(gè)實(shí)施例中，為到達(dá) 以微米計(jì)的期望位置力而用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的致動(dòng)器位置&使用將要描述的 線性內(nèi)插算法來(lái)計(jì)算。對(duì)于前向移動(dòng)，如果以pm計(jì)的期望致動(dòng)器位置力位于補(bǔ)償
表中的行A和(A + 1)之間，即如果<formula>formula see original document page 19</formula> (1)則然后，將用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的對(duì)應(yīng)期望電動(dòng)機(jī)位置進(jìn)行如下計(jì)算<formula>formula see original document page 19</formula>2)(力(A + l)-力(A;))/", 對(duì)于后向移動(dòng)，如果以pm計(jì)的期望致動(dòng)器位置"位于以下之間 <formula>formula see original document page 19</formula> (3) 則然后，以微步計(jì)的對(duì)應(yīng)期望電動(dòng)機(jī)位置進(jìn)行如下計(jì)算<formula>formula see original document page 19</formula>(4)
明顯地，c,是浮點(diǎn)數(shù)，因?yàn)樗鳛榫€性內(nèi)插法的結(jié)果獲得。為了獲得用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的對(duì)應(yīng)整數(shù)微步"，浮點(diǎn)數(shù)四舍五入為最接近的整數(shù)<formula>formula see original document page 19</formula> (5) 為了得到對(duì)應(yīng)于此整數(shù)的以微米計(jì)的實(shí)際位置凡，進(jìn)行對(duì)應(yīng)補(bǔ)償表的另一個(gè)內(nèi)插法。如果使用前向表，則凡變成<formula>formula see original document page 19</formula> (6)
其中系數(shù)A:被確定成滿足<formula>formula see original document page 19</formula>(7)如果使用后向表，則凡變成W、如果用"控制致動(dòng)器，則平均起來(lái)移動(dòng)到凡位置，該位置將非?？拷谕?置y。(任何差異都由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的離散特性所引起)。對(duì)于接近凡的大量移動(dòng)， 實(shí)際位置僅在致動(dòng)器可重復(fù)性的范圍內(nèi)圍繞凡變化。沒(méi)有由于對(duì)象定向誤差而存 在周期誤差或位置誤差，并且基本上消除磁滯現(xiàn)象。如果電動(dòng)機(jī)與將在隨后使用于 實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)器一起進(jìn)行校準(zhǔn)，則由于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的不同會(huì)產(chǎn)生附加誤 差。通過(guò)補(bǔ)償表搜索滿足等式(i)或(3)的適當(dāng)系數(shù);i的快速過(guò)程是可能的，因?yàn)榕c 理想位置自身相比，由于周期誤差而產(chǎn)生的與理想位置的偏差是相對(duì)較小的。補(bǔ)償之前和基于補(bǔ)償?shù)亩ㄎ痪鹊膶?shí)驗(yàn)性比較圖11到16示出了對(duì)于圖4中所使用的相同線性電動(dòng)機(jī)，在補(bǔ)償之前和基于
補(bǔ)償?shù)亩ㄎ痪鹊谋容^。圖11示出了沿著前向移動(dòng)的致動(dòng)器沖程以1550點(diǎn)測(cè)量的、 并且誤差范圍在各個(gè)點(diǎn)內(nèi)(基于消除了平均誤差)的平均絕對(duì)位置誤差(包括由于 對(duì)象定向改變而產(chǎn)生的誤差)。經(jīng)測(cè)量所得的實(shí)際位置與致動(dòng)器軸相距65 mm。 如圖11中所了解，未補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)的誤差范圍在超出土25 pm (或約士25微步)的 范圍內(nèi)。周期誤差將導(dǎo)致彼此相對(duì)靠近的位置可在約土25微步或更大范圍內(nèi)變化， 同時(shí)致動(dòng)器的可重復(fù)性僅為土5pm (微步)?；谏捎糜诖酥聞?dòng)器的適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償表，并基于例如等式(l)-(8)的補(bǔ)償算法施 加控制信號(hào)，誤差范圍顯示出相當(dāng)大的改進(jìn)。圖12示出了基于補(bǔ)償?shù)慕^對(duì)位置誤 差，以及用于圖11的相同致動(dòng)器在經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)的誤差范圍(基于消除了平均誤差)。 可了解在此致動(dòng)器的示例中，相對(duì)于未校準(zhǔn)致動(dòng)器的土25，經(jīng)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)顯示出 誤差范圍在小于土5 pm (或近似微步)的范圍內(nèi)。通過(guò)消除周期誤差，彼此相對(duì) 靠近的位置可在約士5微步或更小范圍內(nèi)變化，這落在致動(dòng)器可重復(fù)性自身的范圍 內(nèi)。如圖13和14所示，向后移動(dòng)將獲得類似結(jié)果。圖13示出了如果沒(méi)有應(yīng)用補(bǔ) 償算法的后向運(yùn)動(dòng)的位置誤差。如圖14所示，基于向后移動(dòng)的補(bǔ)償，再次消除周 期誤差，并減至致動(dòng)器可重復(fù)性的程度。圖15示出了沿著未校準(zhǔn)致動(dòng)器的致動(dòng)器沖程以IOO點(diǎn)測(cè)量的磁滯現(xiàn)象?？闪?解如果未應(yīng)用補(bǔ)償算法，則磁滯在3和-9pm之間變化?；谏捎糜诖酥聞?dòng)器 的適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償表，并應(yīng)用例如等式(l)-(8)的補(bǔ)償算法，如圖16所示，磁滯現(xiàn)象顯 示出相當(dāng)大的改進(jìn)?？闪私馄骄艤募s-4減小至約0 nm (或近似相同數(shù)量的 微步)。雖然作為示例并根據(jù)具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不 限于公開(kāi)的實(shí)施例。相反，除了上述那些之外，旨在涵蓋各種更改和類似排列，因 為這些對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。因此，附加權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)被給予 最寬泛的解釋，以便包括所有這些更改和類似排列。
權(quán)利要求
1. 一種自動(dòng)生成用于校準(zhǔn)具有臺(tái)板和能夠沿著所述臺(tái)板以微步線性移動(dòng)的沖 頭的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償表的方法，所述方法包括a) 在起始位置開(kāi)始，沿著第一線性方向?qū)⑺鰶_頭移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)微步的第 一間隔；b) 沿著所述第一方向使用位置測(cè)量裝置來(lái)確定附于所述沖頭的對(duì)象的實(shí)際位置；c) 與從所述起始位置開(kāi)始的總微步數(shù)量相關(guān)地將所述對(duì)象的所述實(shí)際位置記 錄到存儲(chǔ)器中；以及 d) 將步驟a)、 b)和c)重復(fù)多次，直到已到達(dá)終點(diǎn)位置。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括e) 沿著與所述第一線性方向相反的第二線性方向重復(fù)步驟a)、 b)和c)多次， 直到所述沖頭近似地返回到所述起始位置。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括 將步驟a)到e)重復(fù)多次；對(duì)在所述第一和第二方向兩者上移動(dòng)的每個(gè)間隔記錄的所述實(shí)際對(duì)象位置取 平均值；以及相關(guān)于移動(dòng)的每個(gè)間隔將所述平均值記錄到所述存儲(chǔ)器中，從而所述補(bǔ)償表 包括所述實(shí)際對(duì)象位置的所述平均值。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括 將步驟a)到d)重復(fù)多次；對(duì)移動(dòng)的每個(gè)間隔記錄的所述實(shí)際對(duì)象位置取平均值并進(jìn)行存儲(chǔ)，從而所述 補(bǔ)償表包括所述實(shí)際對(duì)象位置的所述平均值。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述沖頭已經(jīng)移動(dòng)之后、以及 在編碼器確定所述實(shí)際位置之前，在每次重復(fù)的步驟a)和b)之間允許有足夠的時(shí) 間間隔。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述足夠的時(shí)間間隔比所述沖頭 和所述對(duì)象的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在包括所述位置測(cè)量裝置的平臺(tái) 上執(zhí)行步驟a)到d)，其中所述方法還包括在已經(jīng)記錄了所述補(bǔ)償表之后，移除所 述位置測(cè)量裝置。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括附于其 上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
9. 一種在不使用位置反饋裝置的情況下，使用以微步模式工作的線性步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)來(lái)以高精度定位對(duì)象的方法，所述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有臺(tái)板和沿著所述臺(tái)板線性移 動(dòng)的沖頭，其中所述對(duì)象被附于所述沖頭，所述方法包括接收將所述沖頭移動(dòng)到期望位置的命令；基于所述沖頭的當(dāng)前位置確定是否需要沿所述臺(tái)板向前或向后移動(dòng)； 使用存儲(chǔ)有表示與從所述沖頭的原位置開(kāi)始的微步數(shù)量相關(guān)的所述對(duì)象的實(shí)際位置的多個(gè)值的補(bǔ)償表來(lái)確定將所述沖頭從所述當(dāng)前位置移動(dòng)到所述期望位置所需的第一微步數(shù)量；以及在所述前向或后向上以所述第一微步數(shù)量將所述沖頭移動(dòng)到所述期望位置。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述值以多個(gè)微步增量的方式存 儲(chǔ)在所述表中，其中移動(dòng)到所述期望位置被確定成要求兩個(gè)所述存儲(chǔ)增量之間的微 步數(shù)量，并且其中確定微步的所述第一數(shù)量的所述步驟包括兩個(gè)或多個(gè)所述增量之 間的內(nèi)插。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述表存儲(chǔ)有表示與沿著前向從 起始位置到終點(diǎn)位置和在反向上返回到所述起始位置的微步數(shù)量相關(guān)的實(shí)際位置 的值，從而當(dāng)所述沖頭在所述反向上移動(dòng)時(shí)，磁滯現(xiàn)象基本上被消除。
12. —種精確歸位以微步模式工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方法，所述電動(dòng)機(jī)包括臺(tái)板 和沖頭，所述沖頭具有用于沿著所述臺(tái)板以微步方式線性移動(dòng)所述沖頭的兩個(gè)線 圈，所述方法包括將歸位傳感器連接到所述臺(tái)板；確定歸位傳感器激活位置與第一所述線圈的最近線圈全電流位置之間的微步 數(shù)量；確定從所述歸位傳感器激活位置運(yùn)動(dòng)到所述最近線圈全電流位置的方向；以及將所述微步數(shù)量和所述方向存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括響應(yīng)于接收返回到歸位位置的信號(hào)，從當(dāng)前位置向所述歸位傳感器移動(dòng)，直到所述歸位傳感器被激活；以及之后在所存儲(chǔ)的方向上以所存儲(chǔ)的微步數(shù)量移動(dòng)所述沖頭； 將全電流施加到所述線圈之一；以及 重置所述沖頭位置。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，確定所述微步數(shù)量包括 將全電流施加到所述線圈之一并重置所述沖頭位置；以微步方式向所述歸位傳感器移動(dòng)所述沖頭，并計(jì)算所述微步數(shù)量(N一home) 直到所述歸位傳感器被激活；計(jì)算N—dist = Remainder(-N_home/n)，其中N—dist是所述微步數(shù)量，而 Remainder表示取除法的余數(shù)；以及確定N_dist是大于還是小于n/2，其中n是所述第一線圈的兩個(gè)線圈全電流位 置之間的所述微步數(shù)量，其中如果大于，則在將全電流施加到一個(gè)線圈中之前所述 沖頭需要移動(dòng)的微步數(shù)量(HOMEPOS)計(jì)算為N—dist-n，而如果小于n/2 ，則 HOMEPOS計(jì)算為N一dist，其中HOMEPOS包括在激活所述歸位傳感器時(shí)以及在 施加所述全電流之前的所述運(yùn)動(dòng)方向。
15. —種線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，包括 臺(tái)板；能夠沿著所述臺(tái)板線性移動(dòng)的沖頭；控制器，用于以微步方式控制所述沖頭的移動(dòng)；存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償表，所述表包括表示與沿著所述臺(tái)板從所述沖頭的起 始位置開(kāi)始的微步數(shù)量相關(guān)的附于所述沖頭的對(duì)象的實(shí)際位置的值，其中響應(yīng)于將所述對(duì)象移動(dòng)到期望位置的信號(hào)，所述控制器根據(jù)所述補(bǔ)償表 確定將所述沖頭移動(dòng)到所述期望位置所需的第一微步數(shù)量，并且其中在不使用位置 反饋裝置的情況下，所述控制器將所述沖頭控制成移動(dòng)所述第一微步數(shù)量使其到所 述期望位置。
16. 如權(quán)利要求15所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述表中的所述值以多個(gè)微 步增量的方式存儲(chǔ)，其中如果移動(dòng)到所述期望位置需要落在兩個(gè)所述存儲(chǔ)增量之間 的微步數(shù)量，則所述控制器在兩個(gè)或多個(gè)所述增量之間進(jìn)行內(nèi)插，以便確定所述第 一微步數(shù)量。
17. 如權(quán)利要求15所述的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述表存儲(chǔ)有表示與沿著前 向從所述沖頭的起始位置到端部和在反向上返回到所述起始位置的微步數(shù)量相關(guān) 的實(shí)際位置的值，從而當(dāng)所述沖頭被控制成在所述反向上移動(dòng)時(shí)，磁滯現(xiàn)象基本上 被消除。
18. —種X-Y平臺(tái)，包括第一線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它被配置成在所述X方向 上控制對(duì)象的移動(dòng)；以及第二線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它被配置成在所述Y方向上控制對(duì)象的移動(dòng)； 其中每個(gè)線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有能夠沿著臺(tái)板以微步方式移動(dòng)的沖頭和存儲(chǔ)在 存儲(chǔ)器中的補(bǔ)償表，每個(gè)補(bǔ)償表包括表示與從所述相應(yīng)沖頭的起始位置開(kāi)始的微步 數(shù)量相關(guān)的所述對(duì)象的實(shí)際位置的值，其中在不具有反饋裝置的情況下，使用所述 補(bǔ)償表將每個(gè)沖頭操作成移動(dòng)到精確位置。
19. 如權(quán)利要求18所述的X-Y平臺(tái)，其特征在于，每個(gè)補(bǔ)償表存儲(chǔ)表示與沿著前向從所述起始位置導(dǎo)端部和在反向上返回到所述起始位置的微步數(shù)量相關(guān)的 實(shí)際位置的值，從而當(dāng)所述沖頭在所述反向上移動(dòng)時(shí)，磁滯現(xiàn)象基本上被消除。
20. 如權(quán)利要求18所述的X-Y平臺(tái)，其特征在于，還包括被配置成在所述Z 方向上控制所述對(duì)象的移動(dòng)的致動(dòng)器，所述Z方向基本上與由所述X和Y方向限 定的平面垂直。
全文摘要
用來(lái)使用基于工作于微步或整步模式的線性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的線性致動(dòng)器、基于補(bǔ)償表的控制算法和用于獲得該補(bǔ)償表的校準(zhǔn)裝置來(lái)精密定位對(duì)象的方法和裝置。
文檔編號(hào)H02K41/00GK101124712SQ200580041188
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者A·薩德里, M·克里坎斯基, M·蒂莫提杰維科, N·克里坎斯基, N·尼柯利克, Z·徐 申請(qǐng)人:生物輻射實(shí)驗(yàn)室股份有限公司