用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统、及其平台设备和器材的制造方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统、平台设备、其制造以及测量和检查器材，并且更具体地涉及用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统，其测量由于线性运动单平面机架平台的运动引起的线性和偏航误差以及热形变误差，以便控制针对所测量的线性、偏航和热形变误差的实时补偿，并且本申请具体地还涉及应用该系统及其制造的平台设备以及用于其的测量和检查设备。
【背景技术】
[0002]通常称为H型机架平台的线性运动单平面机架平台可应用在要求高静态和动态精确度的高速扫描领域中。
[0003]在这样的线性运动单平面机架平台中，由于线性和偏航误差导致的动态误差以及由于热膨胀导致的热形变误差影响对机架平台的位置的确定，从而导致精确度的下降以及因此的产品质量的下降。
[0004]为了解决这样的问题，已经提出了各种技术，但是还未考虑实时补偿。
【发明内容】
[0005]发明目的
本发明的一目的是提供用于准确测量线性运动单平面机架平台中的动态和热形变误差以便针对它们进行实时补偿的技术。
发明概要
[0006]为了实现该目的，本发明的实施例提供一种用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统。该系统包括:第一二维位置测量单元，其被布置在分别位于所述线性运动单平面机架平台的两侧上的两个线性边梁中的每一个中，用于测量沿X轴方向移动的机架梁的位置以提供对其X轴运动的反馈；第二二维位置测量单元，用于测量在所述沿X轴方向移动的机架梁上移动的沿Y轴方向移动的滑块的位置以提供对其Y轴运动的反馈；热固定点，其被提供作为热参考以便测量所述沿X轴方向移动的机架梁的热膨胀；以及补偿控制单元，用于通过基于从所述第一和所述第二二维位置测量单元收到的数据测量动态和热形变误差来实时地控制所述线性运动单平面机架平台的误差运动。
[0007]上述系统没有示出本发明的全部特性。通过参考下面所述的具体实施例可以更具体地理解本发明的各种特性及其益处和效果。
[0008]发明效果提供用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统，其测量由于线性运动单平面机架平台的运动引起的线性和偏航误差以及热形变误差，以便控制针对所测量的线性、偏航和热形变误差的实时补偿，以及应用该系统的平台设备及其制造、测量和检查器材。
【附图说明】
[0009]图1是根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的概略视图；
图2是根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的前视图；
图3是示出根据本发明的实施例的提供在用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统中的二维位置测量单元的结构的视图；
图4是示出根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的沿Y轴方向移动的滑块的具体结构的视图；
图5是根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的线性误差补偿算法的框图；
图6是根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的偏航误差补偿算法。
【具体实施方式】
[0010]在下文中，参考附图来详细地描述本发明的优选实施例，以使得本领域技术人员可以容易地实现本发明。然而，在对本发明的优选实施例的详细描述中，传统部件的功能或结构被省略详细描述，以避免不必要地混淆本发明的要点。此外，具有类似功能和操作的部分通过相同的附图标记被提到。
[0011]除此以外，贯穿整个说明书，某个部件被连接到另一部件的表达不仅仅意味着“直接的连接”，而且意味着“通过另一元件的间接的连接”。此外，“包括某部件”的表达意味着能包括其它部件，除非有相反的描述。
[0012]图1是根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的概略视图，且图2是根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的前视图。
[0013]参考图1和2，其上安装有依据本发明的实施例的用于实时补偿动态和热形变误差的系统200的线性运动单平面机架平台100包括基座110和分别位于基座110的顶部的两侧上的两个线性边梁121、122，其支撑用于支撑沿X轴方向和沿Y轴方向移动的组件的多个垂直空气轴承131和多个水平空气轴承132。在这种情况下，垂直空气轴承131和水平空气轴承132的位置可基于用于改善控制带宽的成本函数以及用于改善系统的本征频率的机械设计的视角两者而被确定。
[0014]X轴运动由沿X轴方向移动的机架梁140来执行。沿X轴方向移动的机架梁140由两个移动托架151、152保持，这两个移动托架151、152由多个垂直空气轴承131和多个水平空气轴承的132支撑，并且这两个移动托架151、152是由两个驱动马达161、162沿X轴方向驱动的。在此情况下，两个线性边梁121和122中的一个(在下文中被称为“主轴”)具有比另一个(在下文中被称为“从轴”)更大的硬度。换而言之，主轴的移动托架151借助于垂直和水平空气弹簧131和132被牢固地安装。
[0015]Y轴运动由沿着沿X轴方向移动的机架梁140移动的沿Y轴方向移动的滑块170来执行，并且沿Y轴方向移动的滑块170是由两个驱动马达181、182沿Y轴方向驱动的。
[0016]安装在线性运动单平面机架平台100上的用于实时地补偿动态和热形变误差的系统200包括用于提供X轴向反馈的二维位置测量单元210，用于提供Y轴向反馈的二维位置测量单元220，热固定点230，以及补偿控制单元(参考图5和6)。
[0017]用于提供X轴向反馈的二维位置测量单元210被提供给两个线性边梁121、122中的每个以测量X轴运动，并且其包括二维编码器标尺(encoder scale) 211、运动方向编码器头212、垂直方向编码器头213和编码器安装块214。
[0018]二维编码器标尺211在沿X轴方向移动的机架梁140的两端处被安装在基座110上以测量X轴运动，并且如下面参考图3所述的，其包括二维格栅以沿着运动方向以及垂直方向这两者进行测量。
[0019]运动方向编码器头212和垂直方向编码器头213用于从二维编码器标尺211的二维格栅分别测量沿运动方向和沿垂直方向的位移。
[0020]编码器安装块214用于将运动方向编码器头212和垂直方向编码器头213安装在沿X轴方向移动的机架梁140上。
[0021]用于Y轴反馈的二维位置测量单元220用于测量沿Y轴方向移动的滑块170的Y轴运动，并且其包括二维编码器标尺221、运动方向编码器头222、垂直方向编码器头223、和用于测量偏航误差的附加垂直方向编码器头224。
[0022]二维编码器标尺221被安装在沿X轴方向移动的机架梁140的两端中的每一端处以测量Y轴运动，并且如下面参考图3所述的，其包括二维格栅以沿着运动方向以及垂直方向这两者进行测量。
[0023]运动方向编码器头222和垂直方向编码器头223用于从二维编码器标尺221的二维格栅分别测量沿运动方向和沿垂直方向的位移。
[0024]另外，提供其他垂直编码器头224以在沿Y轴方向移动期间测量偏航。通过使用垂直编码器头224测量偏航的具体方法在下面参考图4被描述。并且，可以通过使用包括驱动马达161、162和两个运动编码器头212的两个伺服轴来补偿所测得的偏航误差。
[0025]热固定点230被提供作为用于沿X轴方向移动的机架梁140的热膨胀的热参考，其被固定地布置在二维编码器标尺221的一端处，二维编码器标尺221被包括在用于Y轴反馈的二维位置测量单元220中且在被包括在用于X轴反馈的二维位置测量单元210中的垂直方向编码器头213的紧上方。相应地，仅仅在二维编码器标尺221的一端处提供易于通过单个垂直方向编码器头213测量的热偏移。此外，二维编码器标尺221可由具有低CTE(热膨胀系数)的诸如微晶玻璃(Zerodur)的材料制成，因此即使在贯穿整个处理区域的大的热变化下也保持高精确度。
[0026]由用于X轴反馈的二维位置测量单元210的垂直方向编码器头213所测得的值被用来实时提供用于补偿在沿X轴方向朝向沿Y轴方向移动的滑块170驱动时产生的动态线性误差和根据温度变化而产生的热偏移误差这两者的信号，沿Y轴方向移动的滑块170由包括驱动马达181、182以及两个运动方向编码器头222的两个伺服轴驱动。
[0027]图3示出根据本发明的实施例的提供在用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统中的二维位置测量单元的结构。
[0028]如图3中所示，二维编码器标尺211包括用于沿着运动方向和垂直方向这两者进行测量的二维格栅。并且在二维编码器标尺211中，运动编码器头212被布置在运动方向测量格栅部分上并且垂直方向编码器头213被安装在垂直方向测量格栅部分上。
[0029]运动方向编码器头212和垂直方向编码器头213分别按照运动方向和垂直方向测量精确度和线性度，以将结果提供给补偿控制单元以用于反馈。
[0030]图4详细示出根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统中的沿Y轴方向移动的滑块的结构。
[0031]参考图4，两个二维编码器标尺221-1、221-2可被安装在沿X轴方向移动的机架梁140的两侧上。
[0032]一个二维编码器标尺221-1包括运动方向编码器头222-1、垂直方向编码器头223-1和附加垂直方向编码器头224，而另一二维编码器标尺221-2包括运动方向编码器头222-2和垂直方向编码器头223-2。
[0033]在此情况下，沿Y轴方向移动的滑块的偏航误差可基于垂直方向编码器头223-1和附加垂直方向编码器头224之间的相对距离被测量。
[0034]图5示出根据本发明的实施例的用于实时补偿线性运动单平面机架平台的动态和热形变误差的系统的线性误差补偿算法。
[0035]参考图5，在步骤242中，用于实时补偿动态和热形变误差的系统200的控制单元240通过接收来自X轴向主轴的运动方向编码器头的信号执行平台映射241，并将结果添加至从X轴向主轴的垂直方向编码器头收到的信号(即，测得的线性误差)。
[0036]然后，步骤242的输出信号通过步骤243被滤波，从而作为用于线性误差的参考信号更新Y轴向主和从轴的控制循环。在此情况下，通过使用低