一种绝对式测量装置的制作方法

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种绝对式测量装置。

背景技术：

编码器在运动台中作为主要的测量工具已经广泛应用，但是编码器多数是增量式，所以在测量时需要找寻零位位置，给测量及结构带来一定的复杂度。而且光栅式或者电容式的编码器对于测量间隙及安装精度的要求都非常高，所以，给使用带来了一定的难度。

目前绝对式编码器也在逐渐被应用到运动台中，绝对式编码器可以为运动台提供单轴上绝对位置的数据，在使用过程中可以不进行寻找零位的工作，使结构也相对简单。但是，绝对式编码器也同样存在对于测量间隙、安装精度及旋转角度的高要求，所以对于机械结构的要求较高。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种结构简洁测量精度高的绝对式测量装置。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种绝对式测量装置，包括：一第一测量杆，该第一测量杆包括一水平面和一第一测量面，该第一测量面与水平面呈一角度θ，所述水平面长L₀；一第一探头，该第一探头沿水平面直线运动，该第一探头用于探测该测量面与该第一探头之间的距离d；并根据d计算该第一探头的绝对位置，以所述水平面与测量面相交处为零位，计算公式为：L=(D-d) / tanθ，其中，L为所述第一探头在X轴的绝对位置，D为所述第一探头测量面到所述水平面的距离。

更进一步地，该第一探头通过一X轴直线运动机构实现直线运动，该X轴直线运动机构包括一滑块和位于该滑块下方的导轨。

更进一步地，该测量装置还包括一第二探头以及一第三探头，所述第二探头和第三探头的测量面等高，用于测量所述第一探头的X、Y向位移以及Rz向旋转角度Δθ；该测量装置还包括一第二测量杆，该第二测量杆位于该第一测量杆的下方，该第二测量杆包括一水平面和一第二测量面，该第二测量面与该第一测量面重合；该第二探头用于探测与该第二测量杆的水平面的距离d1；该第三探头用于探测与该第二测量杆的水平面的距离d2。

更进一步地，该第一、第二、第三探头安装于一结构件上，该结构件用于实现水平面上X、Y方向的直线运动以及沿Rz方向三个自由度运动。

更进一步地，该第一、第二、第三探头的水平高度一致。

更进一步地，该第一探头为光电传感器或电容传感器或电涡流传感器。

更进一步地，该第一第二探头为光电传感器或电容传感器或电涡流传感器。

与现有技术相比较，本发明采用机械结构实现一维绝对测量，根据不同工作环境选择不同传感器，可不受环境、材料等因素的制约。

在实现一维绝对测量的基础上，添加辅助传感器可实现平面内二维测量，解决因测量系统自身旋转所带来的测量误差，并且旋转角度可通过辅助传感器进行反馈，使测量系统不受转角限制。

测量系统结构简单，对于测量系统的旋转中心位置无硬性约束，且安装精度要求可根据实际使用及控制需要而定。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明在一维运动条件下在X轴的绝对位置测量示意图；

图2是本发明在二维运动三自由度条件下的测量示意图之一；

图3是本发明在二维运动三自由度条件下的测量示意图之二；

图4是本发明在二维运动三自由度条件下的测量示意图之三；

图5是本发明在二维运动三自由度条件下的测量示意图之四；

图6是本发明在二维运动三自由度条件下的测量示意图之五；

图7是本发明在二维运动三自由度条件下的测量示意图之六；

图8是本发明应用在GANTRY结构的运动台的示意图；

图9是本发明应用在磁浮结构的运动台的示意图。

主要图示说明。

101、201、301、401-主测量杆 102、202、302、402-主探头

103、203、303、403-测量支架 104、204、304、404-结构件

105、205、305、405-辅助测量杆 106、206、306、406-辅助探头

107、207、307、407-旋转中心 θ-主测量杆斜面角度

Δθ-旋转角度 501-运动台

502-X向运动导轨 503-Y向运动导轨

504-X向测量装置 505-Y向测量装置

506-运动台基座 601-磁浮平台动子

602-磁浮平台基座 603- X向测量装置

604-Y向测量装置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

绝对式测量系统主体采用一根带有一定角度的测量杆及探头组成。通过探头测量与测量杆斜面间的距离，推算出探头在水平向的绝对位置。

如图1所示，101为测量杆，其中被测面和X轴夹角为θ，长度L₀，宽度A；102为探头，任意时刻，探头测量面到测量杆被测面间的测量距离，即探头的测量距离为d，探头测量面到测量杆背面的距离为D；在单自由度直线运动的情况下，探头安装在滑块103上，通过滚珠105可在导轨104上做直线运动。此时，可通过探头的测量值d推算出探头在X轴的绝对位置。假设，视图左侧端面为零位，则任意时刻，探头在X轴的绝对位置L=(D-d) / tanθ。

该测量系统可扩展成在三自由度系统中实现绝对位置测量。在原有测量系统中添加一根测量面和X轴水平的测量杆用于测量另一个自由度；而探头两端分别添加两个辅助探头，用于测量另一个自由度和探头的旋转角度。

如图2所示，在主测量杆201下侧（视图为俯视图）添加一根辅助测量杆205，其测量面和X轴平行，主测量杆的测量面与X轴的夹角任为θ，辅助测量杆的长、宽分别为L₀和A；主探头202两侧装有两个辅助探头206，两辅助探头测量面等高，辅助探头中心距离为l，辅助探头测量面到辅助测量杆被测面距离分别为d₁、d₂，在没有发生旋转的情况下，d₁=d₂；主探头在X轴的绝对位置L=(D-d) / tanθ。

主探头和辅助探头均安装在测量支架203上，测量支架安装在结构件204上，由于结构件在水平面X、Y方向没有约束，所以结构件在XY水平面内可实现X、Y和Rz三个自由度的运动。

如图3所示，假设探头部分（包括结构件和测量支架）的旋转中心207在主探头中心线且靠近探测面。则任意时刻系统发生旋转且在Y向有运动的情况下，两辅助探头206的实测距离为d₁’和d₂’，辅助探头中心线距离l，则旋转角度Δθ=arctan (d₂’- d₁’) / l。由于旋转中心在靠近主探头202测量面，可假设旋转中心就在主探头测量面中心点，所以，当探头发生旋转时，主探头只是围绕旋转中心旋转，不发生X、Y向的移动，所以不考虑探头在Y向产生位移的情况，此时主探头的实测距离为d’，则主探头到主测量杆的竖直距离为d=d’cosΔθ+d’sinΔθ·tanθ。假设视图左端面为零位，则此时，主探头在X轴的绝对位置为L=(D-d) / tanθ。

由于探头在结构件的带动下可沿Y轴进行运动，所以，考虑Y向位移的情况下，主探头在X向的绝对位置计算时，必须去掉Y向的移动距离。探头在Y向的移动距离为Δd=(d₁cosΔθ+ d₂cosΔθ)/2-(d₁ + d₂)/2，而此时主探头到主测量杆的竖直距离为d=d’cosΔθ+d’sinΔθ·tanθ，则此时，主探头在X轴的绝对位置为L=[D-(d-Δd)] / tanθ。

当旋转中心仍在主探头中心线上但远离探测面时，测量系统发生旋转后，需考虑探头在X和Y向因旋转而产生的位移。

如图4所示，其中301为主测量杆，辅助测量杆305安装在主测量杆下面，302为主探头，两个辅助探头306安装在主探头两侧，中心间距为l，且两探测两面等高，所有探头均安装在测量支架303上，304为结构件用以支撑测量支架；此时的旋转中心307距离主探头测量面中心的距离为r。当测量系统只在X轴运动，不带有旋转和Y向运动的情况，主探头在X轴的绝对位置和前两例相同；假设，如图5所示，测量系统在Y轴不运动，只发生旋转，则旋转角度可通过两辅助探头的实测距离进行计算，Δθ=arctan (d₂’- d₁’) / l；由于，旋转中心远离主探头探测面中心，所以当测量系统转动时，转探头在X方向和Y方向均会产生位移，此时，计算测量系统在X轴的绝对位置时必须修正主探头的测量值，即减去因旋转产生的位移值。如图6所示，主探头的实测距离为d’，旋转中心到主探头测量面中心的距离为r，旋转角度为Δθ，则a=(d’+r)·cosΔθ-r, d=(a+r) ·sinΔθ·tanθ+a，则此时测量系统在X轴的绝对位置（假设视图左端面为零位。）为：L=(D-d) / tanθ。

考虑Y向位移的情况下，主探头在X向的绝对位置计算时，必须再去掉Y向的移动距离。探头在Y向的移动距离为Δd=(d₁cosΔθ+ d₂cosΔθ)/2-(d₁ + d₂)/2，而此时主探头到主测量杆的竖直距离为d=(a+r) ·sinΔθ·tanθ+a，则此时，主探头在X轴的绝对位置为L=[D-(d-Δd)] / tanθ。

如图7所示，当测量系统的旋转中心407为结构件上任意一点时，测量系统在X轴的绝对位置计算方法与旋转中心在主探头中心线上的计算方法相同。

主探头和辅助探头可采用光电传感器、电容传感器、电涡流传感器等，可视运动行程而定；测量杆被测面角度精度和面型精度则可视测量所需精度而定。

图8为龙门结构的运动台上安装此类测量装置的应用场景，可实现平面内X、Y和Rz三个自由度的测量。其中501为运动台动子，502为X向运动导轨，503为Y向运动导轨，504为X向测量装置，此处视501运动台动子的运动自由度，可以是单个自由度测量也可以为三自由度测量，505为Y向测量装置，506为运动台基座。该GANTRY结构可以为气浮/直线导轨导向，直线电机驱动结构，也可以是直线导轨导向，旋转电机和滚珠丝杠驱动结构。504和505中的测量探头的测量范围可根据实际需要更换成不同测距，当采用长距离测量的探头时，本测量方案可以扩展到类似磁浮工件台中使用，见图9。其中，601为磁浮平台动子，602为磁浮平台基座，603、604为X、Y向测量装置，其中探头部分可以为光学长距离测量传感器。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。