[发明专利]基于光栅尺和二维PSD的平面电机动子位置测量系统及方法

摘要

基于光栅尺和二维PSD的平面电机动子位置测量系统及方法，属于半导体装备技术领域。本发明采用的测量系统包括一个X方向光栅尺，一个Y方向光栅尺以及三个激光头和三个二维PSD传感器。其中X方向光栅尺和Y方向光栅尺分别对平面电机动子在X方向和Y方向的主要行程进行测量，而每一对激光头和二维PSD传感器都可以测量动子在X、Y和Z三个方向中指定的两个方向的位移，三对激光头和二维PSD传感器可以覆盖动子在X、Y和Z三个方向的运动信息；本发明提供的测量方法基于以上测量系统测得的数据进行动子位置解算，可以得到平面电机动子在平面电机定子固定坐标系下全部六自由度的位移。

主权项

1.一种基于光栅尺和二维PSD传感器的平面电机动子位置测量方法，其特征在于，该方法采用的测量系统包括一号导杆(1)、二号导杆(2)、滑块(3)、一号激光头(4)、一号PSD传感器(5)、二号激光头(6)、二号PSD传感器(7)、三号激光头(8)、三号PSD传感器(9)、X方向光栅尺(10)和Y方向光栅尺(11)；所述一号导杆(1)与二号导杆(2)均与线缆台固联，随动子运动沿Y向平移；所述滑块(3)安装于二号导杆(2)上，随动子沿X方向运动，随二号导杆(2)沿Y向运动；所述的一号激光头(4)安装于二号导杆(2)上，一号PSD传感器(5)安装于平面电机动子(12)上表面，一号PSD传感器(5)接收一号激光头(4)沿X方向发射的激光信号，读出平面电机动子在Y方向和Z方向的位移信息；二号激光头(6)安装于滑块(3)上，二号PSD传感器(7)安装于平面电机动子(12)上表面，二号PSD传感器(7)接收二号激光头(6)沿Y方向发射的激光信号，并读取平面电机动子(12)在X方向和Z方向的位移信息；三号激光头(8)安装于一号导杆(1)上，三号PSD传感器(9)安装于平面电机动子(12)上表面，三号PSD传感器(9)接收三号激光头(8)沿X方向发射的激光信号，读出平面电机动子在Y方向和Z方向的位移信息；所述X方向光栅尺(10)的读数头安装于滑块(3)上，标尺贴于二号导杆(2)靠近动子一侧的侧面上，用于测量动子在X方向的位移；所述Y方向光栅尺(11)的读数头安装于线缆台上，标尺贴于平面电机定子(13)侧面边缘，用于测量平面电机动子在Y方向的位移；所述测量方法包含以下步骤：1)建立定子上的固定坐标系O_A‑X_AY_AZ_A和动子上的随动坐标系O‑XYZ，随动坐标系中X轴沿着初始时刻一号导杆(1)的方向，Y轴沿着垂直于一号导杆(1)的方向，Z轴垂直于平面电机动子(12)上表面，原点在动子几何中心，两个坐标系在初始时刻完全重合；2)记录与各激光头安装位置相关的常数，该相关常数包括：一号激光头(4)所发射的直线激光信号与动子随动坐标系XOZ平面的距离a、一号PSD传感器(5)靶平面与随动坐标系YOZ平面的距离b、二号PSD传感器(7)靶平面与XOZ平面的距离c、二号激光头(6)所发射的直线激光信号与随动坐标系YOZ平面的距离d、三号激光头(8)所发射的直线激光信号与随动坐标系XOZ平面的距离e、三号PSD传感器(9)靶平面与随动坐标系YOZ平面的距离f和一号激光头(4)所发射的直线激光信号与随动坐标系XOY平面的距离h；3)记录各传感器当前伺服周期的读数：其中一号PSD传感器(5)的读数记为(Y₁,Z₁)，二号PSD传感器(6)的读数记为(X₂,Z₂)，三号PSD传感器(7)的读数记为(Y₃,Z₃)，X方向光栅尺的读数记为x_abs，Y方向光栅尺的读数记为y_abs；4)计算平面电机动子六个自由度的位移(x,y,z,θ_x,θ_y,θ_z)，其中x是平面电机动子在定子固定坐标系O_A‑X_AY_AZ_A中沿X_A方向平动的位移，y是平面电机动子在坐标系O_A‑X_AY_AZ_A中沿Y_A方向平动的位移，z是平面电机动子在坐标系O_A‑X_AY_AZ_A中沿Z_A方向平动的位移，θ_x是平面电机动子在坐标系O_A‑X_AY_AZ_A中绕X_A轴转动的角度，θ_y是平面电机动子在坐标系O_A‑X_AY_AZ_A中绕Y_A轴转动的角度，θ_z是平面电机动子在坐标系O_A‑X_AY_AZ_A中绕Z_A轴转动的角度，具体步骤如下：i.进行如下计算：T₁＝b+f，T₂＝a+e，y_C1＝‑a‑Y₁，z_C1＝h‑Z₁x_C2＝‑d‑X₂，z_C2＝h‑Z₂，y_C3＝e‑Y₃，z_C3＝h‑Z₃其中T₁、T₂、y_C1、z_C1、x_C2、z_C2、y_C3和z_C3均为中间参数；ii.进一步计算：S₁＝y_C1‑y_C3，S₂＝z_C1‑z_C3，S₃＝x_C2‑b，S₄＝y_C1+c，S₅＝z_C2‑z_C1其中S₁、S₂、S₃、S₄和S₅均为中间参数；iii.计算cosθ_x、sinθ_x、cosθ_y和sinθ_y：S₆＝(S₅T₁‑S₂S₃)/(S₄T₁‑S₁S₃)，S₇＝(S₂+S₁S₆)/T₁其中S₆和S₇为中间参数，而cosθ_x＝S₈、sinθ_x＝S₉、cosθ_y＝S₁₀、sinθ_y＝S₁₁；iv.计算cosθ_z和sinθ_z：S₁₂＝S₁‑(S₉S₁₁/S₁₀)T₁，S₁₃＝(S₈/S₁₀)T₁，S₁₄＝S₈T₂，S₁₇＝(‑S₁₂S₁₆‑S₁₄)/S₁₃其中S₁₂、S₁₃、S₁₄和S₁₅均为中间参数，而cosθ_z＝S₁₆、sinθ_z＝S₁₇；v.计算x、y和z：S₁₈＝S₈S₁₇‑S₉S₁₁S₁₆，S₁₉＝S₉S₁₁S₁₇+S₈S₁₆S₂₀＝S₉S₁₇+S₈S₁₁S₁₆，S₂₁＝S₈S₁₁S₁₇‑S₉S₁₆S₂₂＝‑S₁₀S₁₆x_C2‑S₂₀z_C2‑S₁₈c+x_abs‑dS₂₃＝[‑(y_C1+y_C3)S₁₉‑(z_C1+z_C3)S₂₁+(f‑b)S₁₀S₁₇+2y_abs+e‑a]/2S₂₄＝[‑(z_C1+z_C2+z_C3)S₈S₁₀+(c‑y_C1‑y_C3)S₉S₁₀+(x_C2+b‑f)S₁₁+3h]/3其中S₁₈、S₁₉、S₂₀和S₂₁均为中间参数，而x＝S₂₂、y＝S₂₃、z＝S₂₄；vi.得出六个自由度的位移：x＝S₂₂，y＝S₂₃，z＝S₂₄θ_x≈sinθ_x＝S₉，θ_y≈sinθ_y＝S₁₀，θ_z≈sinθ_z＝S₁₇。