专利名称：一种三自由度高精密定位运动台装置及定位方法
技术领域：
本发明涉及一种三自由度高精密定位运动台装置及定位方法，尤其是指通 过坐标系标定方法对运动台进行三自由度的高精度零位搜索方法。
背景技术：
目前传统的对工作台进行三自由度(水平方向，垂直方向，以及旋转度) 精密定位的方法中，因为存在定位的归零死区， 一般会用把零位传感器安装于 电机运动行程中的一段，并靠近其极限位置，同时，通过机械装置，使得电机 处于零位传感器的一边，结构复杂，且对于极限位置的归零定位的效果并不理 想。另外，由于目前的定位方法中对于旋转角度逻辑轴Rz的定位仅仅只是做到 了对组成逻辑轴Rz的两个物理轴Yl和Y2分别找到其零位，而不是同时找到 零位，由于每次归零的条件不同， 一般会产生不同的结果；如此，对于该自由 度上的定位容易造成较大的误差，定位精度不高。例如中国专利第03260236.7号公开了 一种三自由度精密定位工作台，其主 要说明了该精密定位工作台的结构设计，对精密定位的方法没有涉及任何新的 技术特征，仍然依赖于传统的方法，故而使得该工作台的重复定位不能得到有 效的保证，并且，该专利所记载的这种精密定位工作台的装置所能调整的运动 台的三个自由度(水平方向，垂直方向，以及旋转度)的范围较小。再例如中国专利第200420046154.6号也公开了一种精密定位平台，在此专 利中所介绍的是定位平台的机械结构和设计方法，而对于精密定位的方法，也 没有做出比较明确的说明，故该精密定位平台的定位方法仍然还是使用传统的 方法，具有定位精度不高，且定位时存在死区等缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种三自由度高精密定位运动台装置及定位方 法，其通过坐标系标定方法对运动台装置进行零位搜索定位，可达到定位精度 高，在定位过程中三个自由度方向均不存在死区，以及定位方法简单、成本较 低的效果。为达上述目的，本发明提供一种三自由度高精密定位运动台装置，其包舍运动平台，特点是另外还包含水平丝杠电机，其沿运动平台水平方向设置，且与运动平台垂直侧面连接； 在沿着该水平丝杠电机的设置方向上对应设置有水平Home位置(起始位置) 传感器；第一垂直丝杠电机，其沿运动平台垂直方向设置，且与运动平台水平侧面 连接；在沿着该第一垂直丝杠电机的设置方向上对应^:置有第一垂直Home位 置传感器；第二垂直丝杠电机，其沿运动平台垂直方向设置，与运动平台水平侧面连 接，且与第一垂直丝杠电机间隔位于运动平台的同侧；在沿着该第二垂直丝杠 电机的设置方向上对应设置有第二垂直Home位置传感器。所述的水平丝杠电机上设置有测量其所处的水平方向坐标位置的水平编码 器，其测量值用以确定运动台装置在水平方向上的当前位置。所述的第一垂直丝杠电机上设置有测量其所处的垂直方向坐标位置的第一 垂直编码器，所述的第二垂直丝杠电机上设置有测量其所处的垂直方向坐标位 置的第二垂直编码器，其测量值用以确定运动台装置在垂直方向上的当前位置， 以及运动台装置当前的旋转角度。所述的水平Home位置传感器，第一垂直Home位置传感器和第二垂直 Home位置传感器均为光电开关传感器。另外，本发明还提供一种对上述运动台装置进行三自由度高精密的定位方 法，在本方法中定义当运动台装置的各个电机上所设置的编码器全部处于对 应的Home位置传感器的位置时，运动台装置即处于坐标零位，此时，该运动 台装置的三自由度方向坐标为(x， y， Rz = 0， 0, 0)，其中，x代表水平方向 坐标值，y代表垂直方向坐标值，Rz代表旋转角度； 所述的方法，具体包含以下步骤步骤1、测量得到当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感 器的相对位置关系，以判断运动台装置在水平方向和垂直方向上的坐标位置关系；步骤2、对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，根据步骤1中测得的 水平丝杠电机上的水平编码器相对于水平Home传感器的位置，沿水平方向移 动运动平台，直到水平编码器到达水平Home位置传感器的位置，并标定运动 台装置的水平Home位置；步骤3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，直到第一垂直编码器 和第二垂直编码器同时到勤目应Home位置传感器的位置，并标定运动台装置 的垂直Home位置；具体包括以下步骤步骤3.1、根据步骤1测量得到的第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直 丝杠电机上的编码器相对于各自对应的Home位置传感器的位置关系，对运动 平台的垂直方向进行相应的位置调整，并确定调整后的2个垂直编码器当前位 置为定位标准位置；步骤3.2、利用在搜索第一垂直编码器的Home位置和搜索第二垂直编码器 的Home位置过程中得到的相对于零位的旋转量，将运动台装置的旋转角度调 整到零度，即2个垂直丝杠电机上的编码器处于同一水平面，且分别相对于各 自Home传感器的位置关系完全相同；步骤3J、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，沿垂直方向移动运 动平台，直到2个垂直编码器同时到达各自垂直Home位置传感器的位置，并 标定运动台装置的垂直Home位置；步骤4、根据步骤2和3,此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home 位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x， y， Rz = 0， 0， 0);步骤5、重复若干次执行步骤1 ~步骤4,重复进行高精度零位搜索定位， 完成运动台装置的搜零定位。步骤1中，所述的运动台装置在三个自由度方向上的位置关系包含以下情况 在水平方向上，水平丝杠电机上的水平编码器位于水平Home位置传感器 的左侧；在水平方向上，水平丝杠电;f几上的水平编码器位于水平Home位置传感器 的右侧；在垂直方向上，第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编 码器均位于对应的Home位置传感器的同侧；即所述的2个垂直编码器均位于 对应的Home位置传感器的上侧，或者该2个垂直编码器均位于对应的Home 位置传感器的下侧；在垂直方向上，第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编 码器分别位于对应的Home位置传感器的两侧；即所述的第一垂直编码器位于 第一垂直Home位置传感器的上侧，而第二垂直编码器位于第二垂直Home位置 传感器的下侧，或者该第一垂直编码器位于第一垂直Home位置传感器的下側， 而第二垂直编码器位于第二垂直Home位置传感器的上侧。步骤2中，对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，标定水平Home 位置的过程，具体为当水平编码器位于水平Home位置传感器的左側时，向右移动运动平台， 直至水平编码器到达水平Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的水平 Home位置；当水平编码器位于水平Home位置传感器的右侧时，向左移动运动平台， 直至水平编码器到达水平Home位置传感器的位置，并标定运动台装置的水平 Homs位置。所述的步骤3.1中，具体包含以下步骤步骤3丄1、判断第一垂直丝杠电机上的编码器与第二垂直丝杠电机上的编 码器是否位于对应的Home位置传感器的同侧，若是，则执行步骤3.1.2，若分 别位于两侧，则直接执行步骤3.1.3;步骤3丄2、将运动平台沿垂直方向移动，直到第一垂直编码器或者第二垂 直编码器中的一个先到达其对应的Home位置传感器的位置；再继续执行步骤 3丄3;步骤3丄3、将当前2个垂直编码器所处的垂直方向坐标位置确定为定位标 准位置。所述的步骤3.2中，具体包含以下步骤步骤3.2.1、 4艮据步骤3丄3中对2个垂直编码器确定的定位标准位置，同时 以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感器进行位置调整，旋 转运动台装置直到第一垂直编码器达到Home位置停止，并记录当前位置相对 于坐标零位的旋转量Rz,;步骤3.2.2、将运动台装置的2个垂直编码器位置返回至步骤3丄3中确定的 定位标准位置；步骤3.2.3、同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感 器进行位置调整，旋转运动台装置直到第二垂直编码器达到Home位置停止， 并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz2;步骤3.2.4、计算旋转量ARz- I Rz广Rz2 | / 2;步骤3.2.5、对于步骤3.2.3中得到的当前2个垂直编码器的坐标位置，按照 步骤3.2.3中旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ARz的角度，将运动 台装置的旋转角度调整到零度。所述的步骤3.3中，对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，标定垂直 Home位置的过程，具体为当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的上侧时，向下移动运动平 台，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器的位置， 并标定运动台装置的垂直Home位置；当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的下侧时，向上移动运动平 台，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器的位置， 并标定运动台装置的垂直Home位置。本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置及定位方法，通过坐标系标 定方法对运动台装置进行零位搜索定位，具有以下优点1、本方法可进行若干次重复定位，定位精度高，运动台装置水平和垂直方 向的定位精度可达到微米级，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到微弧度 级。
2、 本方法定位步骤简单合理，运用匹配设计的运动台装置，使得其处于任 何坐标位置时，都能最终顺利搜索到零位定标，不存在定位死区，更不用任4可 其他的辅助设备来消除死区。3、 本方法所运用的运动台装置中，全部采用光电开关传感器，成本低，通 用性好。
图1是本发明中水平方向上的电机编码器相对于其Home位置的一种位置 关系示意图；图2是本发明中水平方向上的电机编码器相对于其Home位置的另一种位 置关系示意图；图3是本发明中垂直方向上的2个电机编码器同处于各自Home位置同侧 的一种位置关系示意图；图4是本发明中垂直方向上的2个电机编码器同处于各自Home位置同侧 的另一种位置关系示意图；图5是本发明中垂直方向上的2个电机编码器分别处于各自Home位置两 侧的一种位置关系示意图；图6是本发明中垂直方向上的2个电机编码器分别处于各自Home位置两 侧的另一种位置关系示意图；图7是本发明中水平方向上的电机编码器处于其Home传感器位置的示意图；图8是本发明中垂直方向上的其中一个电机编码器处于其Home传感器位 置的示意图；图9是本发明中垂直方向上的其中一个电机编码器处于其Home传感器位 置的另一种示意图；图10是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至其中一个到达其 Home传感器位置的示意图；图11是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至其中一个到达其 Home传感器位置的另一种示意图；页图12是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至另 一个编码器到达 其Home传感器位置的一种示意图；图13是本发明中旋转垂直方向上的2个电机编码器直至另一个编码器到达 其Home传感器位置的另 一种示意图；意图； 。 —" 又"图15是本发明中垂直方向上的2个电机编码器均处于各自Home传感器位 置的示意图；图16是本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1~图16，详细说明本发明的几种较佳实施方式如图16所示，本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置其包含运动平台7，特点是另外还包含水平丝杠电机4,其沿运动平台7水平X方向设置，且与运动平台7的垂直侧面连接；在沿着该水平丝杠电机4的设置方向上对应设置有水平Home位置传感器1;第一垂直丝杠电机5，其沿运动平台7垂直Y方向设置，且与运动平台7 的水平侧面连接；在沿着该第一垂直丝杠电机5的设置方向上对应设置有第一 垂直Home位置传感器2;第二垂直丝杠电机6，其沿运动平台7垂直Y方向设置，与运动平台7的 水平侧面连接，且与第一垂直丝杠电机5间隔位于运动平台7的同侧；在沿着 该第二垂直丝杠电机6的设置方向上对应设置有第二垂直Home位置传感器3。所述的水平丝杠电机4上设置有测量其所处的水平X方向坐标位置的水平 编码器41,其测量值用以确定运动台装置在水平X方向上的当前位置x。所述的第一垂直丝杠电机5上设置有测量其所处的垂直Y方向坐标位置的 第一垂直编码器51，所述的第二垂直丝杠电机6上设置有测量其所处的垂直Y 方向坐标位置的第二垂直编码器61,其测量值用以确定运动台装置在垂直Y方 向上的当前位置y，以及运动台装置当前的旋转角度Rz。
所述的水平Home位置传感器1，第一垂直Home位置传感器2和第二垂直 Home位置传感器3均为光电开关传感器。另外，本发明还提供一种对上述运动台装置进行三自由度高精密的定位方 法，在本方法中定义当运动台装置的各个电机上所设置的编码器全部处于对 应的Home位置传感器的位置时，运动台装置即处于坐标零位，此时，该运动 台装置的三自由度方向坐标为(x, y， Rz = 0， 0， 0)，其中，x代表水平方向 坐标值，y代表垂直方向坐标值，Rz代表旋转角度；所述的方法，具体包含以下步骤步骤1、测量得到当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的Home位置传感 器的相对位置关系，以判断运动台装置在水平X方向和垂直Y方向上的坐标位 置关系；具体包含以下情况如图2所示，在水平X方向上，水平丝杠电机4上的水平编码器41位于水 平Home位置传感器1的左侧；如图l所示，在水平X方向上，水平丝杠电机4上的水平编码器41位于水 平Home位置传感器1的右侧；如图3和图4所示，在垂直Y方向上，第一垂直丝杠电机5上的编码器51 与第二垂直丝杠电才几6上的编码器61均位于对应的Home位置传感器2和3的 同侧；即所述的2个垂直编码器51和61均位于对应的Home位置传感器2和3 的上侧(图3所示)，或者该2个垂直编码器51和61均位于对应的Home位置 传感器2和3的下側(图4所示)；如图5和图6所示，在垂直Y方向上，第一垂直丝杠电机5上的编码器51 与第二垂直丝杠电机6上的编码器61分别位于对应的Home位置传感器2和3 的两侧；即所述的第一垂直编码器51位于第一垂直Home位置传感器2的上侧， 而第二垂直编码器61位于第二垂直Home位置传感器3的下侧(图5所示)， 或者该第一垂直编码器51位于第一垂直Home位置传感器2的下侧，而第二垂 直编码器61位于第二垂直Home位置传感器3的上侧(图6所示)。步骤2、对运动台装置的水平X方向进行坐标搜零定位，根据步骤1中测 得的水平丝杠电机4上的水平编码器41相对于水平Home传感器1的位置，沿
水平X方向移动运动平台7，直到水平编码器41到达水平Home位置传感器1 的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；其过程具体为如图2所示，当水平编码器41位于水平Home位置传感器1的左侧时，向 右移动运动平台7，直至水平编码41器到达水平Home位置传感器1的位置(如 图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置；如图1所示，当水平编码器41位于水平Home位置传感器1的右侧时，向 左移动运动平台7，直至水平编码器41到达水平Home位置传感器1的位置(如 图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置。步骤3、对运动台装置的垂直Y方向进行坐标搜零定位，直到第一垂直编 码器51和第二垂直编码器61同时到W目应Home位置传感器2和3的位置， 并标定运动台装置的垂直Home位置；具体包括以下步骤步骤3.1、才艮据步骤1测量得到的第一垂直丝杠电冲几5上的编码器51与第 二垂直丝杠电4几6上的编码器61相对于各自对应的Home位置传感器2和3的 位置关系，对运动平台7的垂直Y方向进行相应的位置调整，并确定调整后的 2个垂直编码器51和61的当前位置为定位标准位置；具体包括以下步骤步骤3丄1、判断第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第二垂直丝杠电机6 上的编码器61是否位于对应的Home位置传感器2和3的同侧，若是(即为如 图3或图4所示的位置关系)，则执行步骤3.1.2,若分别位于两侧(即为如图5 或图6所示的位置关系)，则直接执行步骤3丄3;步骤3丄2、将运动平台7沿垂直方向移动，直到第一垂直编码器51或者第 二垂直编码器61中的一个先到达其对应的Home位置传感器的位置，如图8或 图9所示；再继续执行步骤3.1.3;步骤3丄3、将当前2个垂直编码器51和61所处的垂直Y方向坐标位置确 定为定位标准位置；步骤3.2、利用在搜索第一垂直编码器51的Home位置和搜索第二垂直编 码器61的Home位置过程中得到的相对于零位的旋转量Rz,将运动台装置的旋 转角度调整到零度，即2个垂直丝杠电机上的编码器51和61处于同一水平面， 且分别相对于各自Home传感器的位置关系完全相同；步骤3.2.1 、根据步骤3丄3中对2个垂直编码器51和61确定的定位标准位 置，同时以相同的速率将2个垂直编码器51和61朝各自的Home位置传感器2 和3进行位置调整，旋转运动台装置直到第一垂直编码器51达到Home位置停 止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz,;如图IO所示，笫一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而第 二垂直编码器61则向处于其上方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第一 垂直编码器51达到Home位置停止；如图ll所示，第一垂直编码器51向处于其上方的Home位置靠拢，而第二 垂直编码器61则向处于其下方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第一垂 直编码器51达到Home位置停止；步骤3.2.2、将运动台装置的2个垂直编码器51和61的位置返回至步骤3丄3 中确定的定位标准位置；步骤3.2.3、同时以相同的速率将2个垂直编码器51和61朝各自的Home 位置传感2和3器进行位置调整，旋转运动台装置直到第二垂直编码器61达到 Home位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz2;如图12所示，第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而第 二垂直编码器61则向处于其上方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第二 垂直编码器61达到Home位置停止；如图13所示，第一垂直编码器51向处于其上方的Home位置靠拢，而第 二垂直编码器61则向处于其下方的Home位置靠拢，旋转运动台装置直到第二 垂直编码器61达到Home位置停止；步骤3.2.4、计算旋转量ARz- I Rz广Rz2 I /2;步骤3.2.5、如图14所示，对于步骤3.2.3中得到的当前2个垂直编码器51 和61的坐标位置，按照步骤3.2.3中旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置 旋转厶Rz的角度，将运动台装置的旋转角度Rz调整到零度；步骤3.3、对运动台装置的垂直Y方向进行坐标搜零定位，沿垂直Y方向 移动运动平台7，直到2个垂直编码器51和61同时到达各自垂直Home位置传 感器2和3的位置(如图15所示)，并标定运动台装置的垂直Home位置；其 过程具体为当2个垂直编码器51和61位于垂直Home位置传感器2和3的上侧时，
向下移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各自对应的垂直 Home位置传感器2和3的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；当2个垂直编码器51和61位于垂直Home位置传感器2和3的下侧时， 向上移动运动平台7,直至2个垂直编码器51和61同时到达各自对应的垂直 Home位置传感器2和3的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置。步骤4、根据步骤2和3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home 位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x， y， Rz = 0， 0， 0);步骤5、重复若干次执行步骤1 ~步骤4,重复进行高精度零位搜索定位， 完成运动台装置的搜零定位。以下通过2个具体实施例，来更直观的描述本发明所提出的定位方法。 实施例1在本实施例1中，首先将运动台装置的水平X方向上的电机编码器41的坐 标位置调整至如图1所示，将其垂直Y方向的2个电4^编码器51和61的坐标 位置调整至如图3所示，随后启动3个电机，进行伺服控制；具体定位该运动 台装置的过程如下步骤1、测量得到如上所述的当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的 Home位置传感器的相对位置关系，即得知当前运动台装置在水平X方向和垂直 Y方向上的坐标位置关系如图l和图3所示；步骤2、如图1所示，由于水平编码器41位于水平Home位置传感器1的 右侧，则向左移动运动平台7，直至水平编码器41到达水平Home位置传感器 l的位置(如图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置；步骤3、首先，如图3所示，由于第一垂直丝杠电机5上的编码器51与第 二垂直丝杠电机6上的编码器61均位于对应的Home位置传感器2和3的上侧， 则将运动平台7沿垂直方向下移动，直到第一垂直编码器51到达其对应的Home 位置传感器2的位置，如图9所示；并将当前2个垂直编码器51和61所处的 垂直Y方向坐标位置确定为定位标准位置；然后，由于此时第一垂直编码器51已经位于其Home位置，则直接记录当
前位置相对于坐标零位的旋转量Rz,;再以相同的速率对2个垂直编码器51和 61进行旋转位置调整，如图13所示，令第二垂直编码器61向处于其下方的Home 位置靠拢，而令第一垂直编码器51向上方移动，如此旋转运动台装置直到第二 垂直编码器61达到其Home位置，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量 Rz2;计算旋转量ARz = I Rz广Rz2 I / 2;随后，如图14所示，按照前述旋转的 反方向，将运动台装置沿当前位置旋转ARz的角度，将其旋转角度Rz调整到 夺度；接下来，由于此时2个垂直编码器51和61均位于垂直Home位置传感器2 和3的上侧，则向下移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各 自对应的垂直Home位置传感器2和3的位置(如图15所示)，并标定运动台 装置的垂直Home位置。步骤4、根据步骤2和3,此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home 位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x， y， Rz = 0， 0， 0);步骤5、重复若干次执行步骤1 ~步骤4,重复进行高精度零位搜索定位， 完成运动台装置的搜零定位。本实施例1中，通过外部传感器的^r测，最终运动台装置的水平和垂直方 向的定位精度可达到lum,而运动台装置的旋转角度定位精度可达到10urad。实施例2在本实施例2中，首先将运动台装置的水平X方向上的电机编码器41的坐 标位置调整至如图2所示，将其垂直Y方向的2个电机编码器51和61的坐标 位置调整至如图5所示，随后启动3个电机，进行伺服控制；具体定位该运动 台装置的过程如下步骤1、测量得到如上所述的当前各个丝杠电机上的编码器与其对应的 Home位置传感器的相对位置关系，即得知当前运动台装置在水平X方向和垂直 Y方向上的坐标位置关系如图2和图5所示；步骤2、如图2所示，由于水平编码器41位于水平Home位置传感器1的 左侧，则向右移动运动平台7，直至水平编码器41到达水平Home位置传感器 l的位置(如图7所示)，并标定运动台装置的水平Home位置；步骤3、首先，如图5所示，由于第一垂直丝杠电机5上的编码器51位于 对应的Home位置传感器2的上侧，而第二垂直丝杠电机6上的编码器61位于 对应的Home位置传感器3的下册，则无需对运动平台7的垂直Y方向进行相 应的位置调整，直接将当前如图5所示的2个垂直编码器51和61所处的垂直Y 方向坐标位置确定为定位标准位置；然后，以相同的速率对2个垂直编码器51和61进行旋转位置调整，如图5 和图IO所示，令第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而令第 二垂直编码器61向处于其上方的Home位置靠拢，如此旋转运动台装置直到第 一垂直编码器51达到其Home位置，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量 Rz,;接着将运动台装置的2个垂直编码器51和61的位置返回至如图5所示的 定位标准位置；再以相同的速率对2个垂直编码器51和61进行旋转位置调整， 如图12所示，令第一垂直编码器51向处于其下方的Home位置靠拢，而令第 二垂直编码器61向处于其上方的Home位置靠拢，如此旋转运动台装置直到第 二垂直编码器61达到其Home位置，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量 Rz2;计算旋转量ARz- i Rz广Rz2 1/2;随后，按照前述旋转的反方向，将运动 台装置沿当前位置旋转ARz的角度，将其旋转角度Rz调整到零度；接下来，由于此时2个垂直编码器51和61均位于垂直Home位置传感器2 和3的下侧，则向上移动运动平台7，直至2个垂直编码器51和61同时到达各 自对应的垂直Home位置传感器2和3的位置(如图15所示)，并标定运动台 装置的垂直Home位置。步骤4、根据步骤2和3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应的Home 位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即(x, y, Rz = 0， 0， 0);步骤5、重复若干次执行步骤1 ~步骤4，重复进行高精度零位搜索定位， 完成运动台装置的搜零定位。本实施例2中，通过外部传感器的检测，最终运动台装置的水平和垂直方 向的定位精度可达到lum，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到10urad。
综上所述，本发明提供的三自由度高精密定位运动台装置及定位方法，通过坐标系标定方法对运动台装置进行零位搜索定位，具有以下优点1、 本方法可进行若干次重复定位，定位精度高，运动台装置水平和垂直方 向的定位精度可达到微米级，而运动台装置的旋转角度定位精度可达到微弧度 级。2、 本方法定位步骤简单合理，运用匹配设计的运动台装置，使得其处于任 何坐标位置时，都能最终顺利搜索到零位定标，不存在定位死区，更不用任何 其他的辅助设备来消除死区。3、 本方法所运用的运动台装置中，全部采用光电开关传感器，成本低，通 用性好。
权利要求
1.一种三自由度高精密定位运动台装置，包含运动平台(7)，其特征在于，还包含水平丝杠电机(4)，其沿运动平台(7)水平方向设置，且与运动平台(7)的垂直侧面连接；在沿着该水平丝杠电机(4)的设置方向上对应设置有水平Home位置传感器(1)；第一垂直丝杠电机(5)，其沿运动平台(7)垂直方向设置，且与运动平台(7)的水平侧面连接；在沿着该第一垂直丝杠电机(5)的设置方向上对应设置有第一垂直Home位置传感器(2)；第二垂直丝杠电机(6)，其沿运动平台(7)垂直方向设置，与运动平台(7)的水平侧面连接，且与第一垂直丝杠电机(5)间隔位于运动平台(7)的同侧；在沿着该第二垂直丝杠电机(6)的设置方向上对应设置有第二垂直Home位置传感器(3)。
2. 如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置，其特征在于，所述的水平丝杠电机(4 )上设置有测量其所处的水平方向坐标位置的水 平编码器(41),其测量值确定运动台装置在水平方向上的当前位置；所述的第一垂直丝杠电机(5 )上设置有测量其所处的垂直方向坐标位置 的第一垂直编码器(51)，所述的第二垂直丝杠电机(6)上设置有测量其所 处的垂直方向坐标位置的第二垂直编码器(61),其测量值确定运动台装置在 垂直方向上的当前位置，以及运动台装置当前的旋转角度。
3. 如权利要求1所述的三自由度高精密定位运动台装置，其特征在于，所述的 水平Home位置传感器(1),第一垂直Home位置传感器(2)和第二垂直 Home位置传感器(3)均为光电开关传感器。
4. 一种对如权利要求1所述的运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其 特征在于，当该运动台装置的各个电机上所设置的编码器全部处于对应的Home位置传感器的位置时，运动台装置即处于坐标零位，此时，该运动台 装置的三自由度方向坐标为(x， y， Rz = 0， 0， 0)，其中，x代表水平方向 坐标值，y代表垂直方向坐标值，Rz代表旋转角度； 该方法具体包含以下步骤步骤1、测量得到当前各个丝杠电4^上的编码器与其对应的Home位置 传感器的相对位置关系，以判断运动台装置在水平方向和垂直方向上的坐标 位置关系；步骤2、对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，4艮据步骤1中测 得的水平丝杠电机(4)上的水平编码器(41 )相对于水平Home传感器(1) 的位置，沿水平方向移动运动平台(7)，直到水平编码器(41)到达水平Home 位置传感器(1)的位置，并标定运动台装置的水平Home位置；步骤3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，直到第一垂直编 码器(51)和第二垂直编码器(61)同时到勤目应Home位置传感器的位置， 并标定运动台装置的垂直Home位置；步骤4、根据步骤2和步骤3，此时各个丝杠电机上的编码器均处于对应 的Home位置传感器的位置，故标定运动台装置的当前坐标位置为零位，即 (x, y， Rz = 0, 0, 0);步骤5、重复若干次4丸行步骤1 ~步骤4，重复进行高精度零位搜索定位， 完成运动台装置的4臾零定位。
5.如权利要求4所述的对运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其特征 在于，步骤1中，所述的运动台装置在三个自由度方向上的位置关系包含以 下情况在水平方向上，水平丝杠电机(4)上的水平编码器(41)位于水平Home 位置传感器(1)的左侧；在水平方向上，水平丝杠电才儿(4)上的水平编码器(41)位于水平Home位置传感器(1)的右侧；在垂直方向上，第一垂直丝杠电机(5)上的编码器(51)与第二垂直丝 杠电机(6)上的编码器(61)均位于对应的Home位置传感器的同侧；即所述的2个垂直编码器均位于对应的Home位置传感器的上侧，或者该2个垂 直编码器均位于对应的Home位置传感器的下侧；在垂直方向上，第一垂直丝杠电机(5 )上的编码器(51 )与第二垂直丝 杠电机(6)上的编码器(61 )分别位于对应的Home位置传感器的两侧；即 所述的第一垂直编码器(51)位于第一垂直Home位置传感器(2)的上侧， 而第二垂直编码器(61)位于第二垂直Home位置传感器(3)的下侧，或者 该第一垂直编码器(51)位于第一垂直Home位置传感器(2)的下侧，而第 二垂直编码器(61)位于第二垂直Home位置传感器(3)的上侧。
6. 如权利要求4所迷的对运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其特征 在于，步骤2中，对运动台装置的水平方向进行坐标搜零定位，标定水平Home 位置的过程，具体为当水平编码器(41 )位于水平Home位置传感器(1 )的左侧时，向右移 动运动平台(7 ),直至水平编码(41 )器到达水平Home位置传感器(1)的 位置，并标定运动台装置的水平Home位置；当水平编码器(41 )位于水平Home位置传感器(1)的右侧时，向左移 动运动平台(7)，直至水平编码器(41)到达水平Home位置传感器(1)的 位置，并标定运动台装置的水平Home位置。
7. 如权利要求4所述的对运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其特征 在于，所述的步骤3中，具体包含以下步骤步骤3.1、根据步骤1测量得到的第一垂直丝杠电机(5 )上的编码器(51) 与第二垂直丝杠电机(6)上的编码器(61 )相对于各自对应的Home位置传 感器的位置关系，对运动平台(7)的垂直方向进行相应的位置调整，并确定 调整后的2个垂直编码器的当前位置为定位标准位置；步骤3.2、利用在搜索第一垂直编码器(51)的Home位置和搜索第二垂 直编码器(61)的Home位置过程中得到的相对于零位的旋转量，将运动台 装置的旋转角度调整到零度，即2个垂直丝杠电机上的编码器处于同一水平 面，且分别相对于各自Home传感器的位置关系完全相同；步骤3.3、对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，沿垂直方向移动 运动平台(7)，直到2个垂直编码器同时到达各自垂直Home位置传感器的 位置，并标定运动台装置的垂直Home位置。
8. 如权利要求7所述的对运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其特征 在于，所述的步骤3.1中，具体包含以下步骤步骤3丄1、判断第一垂直丝杠电机(5)上的编码器(51)与第二垂直 丝杠电机(6)上的编码器(61)是否位于对应的Home位置传感器的同侧， 若是，则执行步骤3丄2，若分别位于两侧，则直接执行步骤3丄3;步骤3丄2、将运动平台(7)沿垂直方向移动，直到第一垂直编码器(51) 或者第二垂直编码器(61)中的一个先到达其对应的Home位置传感器的位 置；再继续执行步骤3丄3;步骤3丄3、将当前2个垂直编码器所处的垂直方向坐标位置确定为定位 标准位置。
9. 如权利要求7所迷的对运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其特征 在于，所述的步骤3.2中，具体包含以下步骤步骤3.2.1、 4艮据步骤3丄3中对2个垂直编码器确定的定位标准位置， 同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传感器进行位置调 整，旋转运动台装置直到第一垂直编码器(51)达到Home位置停止，并记 录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rzn步骤3.2.2、将运动台装置的2个垂直编码器的位置返回至步骤3丄3中 确定的定位标准位置；步骤3.2.3、同时以相同的速率将2个垂直编码器朝各自的Home位置传 感器进行位置调整，旋转运动台装置直到第二垂直编码器(61)达到Home 位置停止，并记录当前位置相对于坐标零位的旋转量Rz2;步骤3.2.4、计算旋转量ARz- I Rz广Rz2 I /2;步骤3.2.5、对于步骤3.2.3中得到的当前2个垂直编码器的坐标位置， 按照步骤3.2.3中旋转的反方向，将运动台装置沿当前位置旋转厶Rz的角度，将运动台装置的旋转角度Rz调整到零度。IO.如权利要求7所述的对运动台装置进行三自由度高精密的定位方法，其特征 在于，所述的步骤3.3中，对运动台装置的垂直方向进行坐标搜零定位，标 定垂直Home位置的过程，具体为当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的上侧时，向下移动运动 平台(7)，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器 的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置；当2个垂直编码器位于垂直Home位置传感器的下侧时，向上移动运动 平台(7)，直至2个垂直编码器同时到达各自对应的垂直Home位置传感器 的位置，并标定运动台装置的垂直Home位置。
全文摘要
一种三自由度高精密定位运动台装置及定位方法，该运动台装置除包含运动平台外，还包含水平丝杠电机，第一垂直丝杠电机和第二垂直丝杠电机，以及各自对应设置的Home位置传感器；该运动台装置的定位方法通过采用水平方向，垂直方向及旋转角度的三自由度坐标系标定方法，对运动台装置进行坐标零位搜索定位。本发明提供的定位方法可在重复定位中达到微米和微弧度级的高精度，且在定位过程中三个自由度方向均不存在定位死区，同时，本发明提供的定位方法简单合理，实现成本较低。
文档编号G12B5/00GK101211669SQ20071017293
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者张方元, 沈锦华, 锐 陈 申请人:上海微电子装备有限公司