专利名称：用于测量二维运动部件位置的共面检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置检测领域，具体涉及一种用于测量二维运动部件位置的共面检测装置，可应用于数控机床及光刻机等先进制造装备的运动部件位置检测。
背景技术：
位置检测装置是金属切削机床、光刻机等设备的重要组成部分，主要作用是检测工作台相对于基座的实时位置，并发出反馈信号至控制系统，构成闭环或半闭环控制系统。(见汪琛琛[D]，基于扫频激光干涉的数控机床几何误差测量系统，浙江大学，2011(1) 14)。现在可用于机床工作台位置检测的传感器很多，如光栅尺、磁尺、电位式位移传感器、电感式位移传感器、激光距离检测装置等。(见杨晓红[J]，纳米级位移测量技术综述， 盐城工学院学报，2000年9月，13:3)。其工作方式有一个共同点将位置检测装置的一部分(如标尺光栅)安装在移动工作台上，另一部分(如指示光栅)安装在静止的基座上。这样就使得工作台与基座位置的相对位移转换到检测装置上。再通过检测装置里的转换部件将位置信息转换成光、磁、电等信号，处理后在显示器件上给出位置值。这一共同点导致任何一维线性移动副需单独对应一套位置检测单元，或者说一套位置检测单元不可能同时测量多维位置信息。若想测得两维线性移动副的相对位置，则需要两套检测单元分别进行检测。此外，更重要的问题是这两套位置检测单元在空间上必须依附双层工作台分成正交式的上下两层，形成叠加式结构，不能形成共面布置的结构形式。 这势必导致结构体积庞大，重量增大，两层之间的间隙也将导致检测精度降低。由于机械装置复杂，传动精度和速度都受到限制，成本高、可靠性差。针对这些缺陷，有必要开发能对二维平面运动机构进行共面检测的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供用于测量二维运动部件位置的共面检测装置，实现同一平面上两正交方向位置的同步测量，结构简单，系统可靠性好。用于测量二维运动部件位置的共面检测装置，包括基座和工作台，在基座和工作台之间设有悬浮驱动机构和共面检测机构，另有控制器分别与上述两机构相接；所述共面检测机构包括同一平面正交布置的两导波管和同一平面正交布置的两对位置磁条副，其中，第一导波管与第一磁条副正交，第二导波管与第二磁条副正交；磁条副由两条形磁体在竖直面上平行放置构成，两磁体相对面极性相反；导波杆位于其正交的磁条副的两磁条之间，导波杆与磁条之间持有间距，两导波管均连接控制器。所述悬浮驱动机构包括同一平面正交的两驱动线圈、同一平面正交的两永磁体、 悬浮组件、间隙传感器和位置传感器；其中，第一驱动线圈与第一永磁体正交，第二驱动线圈与第二永磁体正交；悬浮组件包含四个呈正方形布置的气动悬浮体；两驱动线圈、两传感器和悬浮装置均连接控制器。
本发明的技术效果体现在本发明的特点是共面检测机构由两个测量单元组成， 检测单元的导波杆与磁条副之间有二维平面内的两个自由度，这不同于传统的传感器，动静元件间只有一个自由度。采用本发明可实现二维平面内任意点位置检测，即共面检测。系统结构简单，相比于同等性能的检测装置，体积小，重量轻，由于不存在叠加机构的间隙影响，所以精度高，系统可靠性高，操作方便。
图1共面检测装置导波杆平面布置结构示意图；图2共面检测装置导波杆上下位置结构示意图；图3共面检测装置整体上下位置结构示意图；图4共面检测装置导波杆立体结构图；图5共面检测装置整体平面结构图；图6共面检测装置静态平面位置示意图；图7共面检测装置运行至Y轴上限位置示意图；图8共面检测装置运行至Y轴下限位置示意图；图9共面检测装置运行至X轴左限位置示意图；图10共面检测装置运行至X轴右限位置示意图；图11共面检测装置运行至X轴右限、Y轴下限位置示意图；图12共面检测装置运行至X轴右限、Y轴上限位置示意图；图13共面检测装置运行至X轴左限、Y轴上限位置示意图；图14共面检测装置运行至X轴左限、Y轴下限位置示意图；图15共面检测装置整体立体结构示意图；图16共面检测装置检测原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。图5和15分别给出本发明共面检测装置的整体平面和立体结构图，本发明共面检测装置，包括基座和工作台，在基座和工作台之间设有悬浮驱动机构和共面检测机构，另有控制器分别与上述两机构相接。悬浮驱动机构用于工作台与基座的脱离，实现非机械接触。悬浮驱动机构包括同一平面正交的两驱动线圈11、同一平面正交的两永磁体8、悬浮装置9、间隙传感器和位置传感器10 ；两永磁体8固定在工作台6下表面，其它部件固定在基座7上表面。其中一驱动线圈与一永磁体正交，另一驱动线圈与另一永磁体正交。悬浮装置9包含四个正方形布置的气动悬浮体以保证工作台平衡。控制器分别连接两驱动线圈11、两传感器和悬浮装置 9。共面检测机构包括两导波管和两对位置磁条副。图1是导波杆平面布置结构示意图，图2是导波杆上下位置结构示意图。两副图给出了本共面检测机构导波管与磁条副之间的空间位置关系。两对位置磁条副1和4在同一平面正交布置，两导波管2和3也在同一平面正交布置，其中磁条副1与导波管2正交布置，磁条副4与导波管3正交布置。磁条副由两条形磁体在竖直面上平行放置构成，两磁体相对面极性相反。如图4所示，导波杆2 位于磁条副1的两磁条Ia和Ib之间，导波杆3位于磁条副4的两磁条4a和4b之间，导波管与磁条间保持间距。两导波管连接控制器。导波管3与磁条副4构成X向的测量单元， 磁条副1与导波管2构成Y向的测量单元。当工作台沿X轴向运动，导波管3与磁条副4 的相对位置发生变化，即可测得工作台在X向的位置；而导波管2上的确定点只在磁条副1 上作滑移，Y轴向位置没有变化。这就实现了两测量单元解耦，消除了 X单元测量的时候，Y 单元运动元与静态元相干涉的可能。控制器用于分别对悬浮驱动机构和共面检测机构进行控制。在用于控制悬浮驱动机构时，提供驱动线圈电流，对来自间隙传感器的信号进行处理，进而控制气动悬浮装置的气流参数。在用于共面检测机构控制时，提供导波管激励电脉冲，依据导波管反馈的应力波信号实时计算工作台位置。参见图16，本发明工作原理导波管一端的问询激励脉冲生成器产生问询脉冲， 此脉冲沿导波管运行，产生运动磁场。当此运行磁场和磁条副上的永久磁铁的磁场相遇时， 两磁场相互作用，在导波管内产生扭转应力波，此扭转应力波沿导波管表面向两端运行，在导波管一端安装有压电陶瓷，可将接收到的应力波转换成电信号。再通过下列计算方法即可推算出运动部件的位置。具体如图16所示工作台实时位置计算方法
权利要求
1.用于测量二维运动部件位置的共面检测装置，包括基座和工作台，在基座和工作台之间设有悬浮驱动机构和共面检测机构，另有控制器分别与上述两机构相接；其特征在于，共面检测机构包括同一平面正交布置的两导波管和同一平面正交布置的两对位置磁条副，其中，第一导波管与第一磁条副正交，第二导波管与第二磁条副正交；磁条副由两条形磁体在竖直面上平行放置构成，两磁体相对面极性相反；导波杆位于其正交的磁条副的两磁条之间，导波杆与磁条之间持有间距，两导波管均连接控制器。
2.根据权利要求1所述的共面检测装置，其特征在于，所述悬浮驱动机构包括同一平面正交的两驱动线圈、同一平面正交的两永磁体、悬浮组件、间隙传感器和位置传感器；其中，第一驱动线圈与第一永磁体正交，第二驱动线圈与第二永磁体正交；悬浮组件包含四个呈正方形布置的气动悬浮体；两驱动线圈、两传感器和悬浮装置均连接控制器。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量二维运动部件位置的共面检测装置，包括基座和工作台，在基座和工作台之间设有悬浮驱动机构和共面检测机构，另有控制器分别与上述两机构相接。其中，共面检测机构采用导波杆和位置磁条副构成两个方向的测量单元，导波杆与磁条副之间有二维平面内的两个自由度，这不同于传统的位置传感器那样动静元件间只有一个自由度。采用本发明可实现二维平面内任意点位置检测，装置结构简单，相比于同等性能的检测装置，体积小，重量轻，由于不存在叠加机构的间隙影响，所以精度高，系统可靠性高，操作方便。
文档编号G01B7/00GK102435129SQ20111026613
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者康宜华 申请人:华中科技大学