[发明专利]一种平面运动测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于平面三自由度运动的测量的一种平面运动测量装置及方法。

背景技术

平面三自由度运动是目前各种工件台的主要运动方式。普通精度平面运动多应用于镗、铣床、普通车床的刀架以及显微镜的载物台等；较高精度的平面运动多应用于精密加工、精密测试仪器或设备中，如各种类型的光刻机和集成电路图形测量仪器等。

目前，对平面三自由度运动X、Y、Rz的测量主要有以下几种方式：

1.二维光栅尺测量

这种方式为直接测量，结构简单。但二维光栅尺读头与光栅尺的安装精度要求很高，二维光栅尺读头与光栅尺分别安装于不同的零件上，对于尺寸较大的零件在运动中的刚度难以保证，导致实际应用时，安装调试困难，无法保证测量精度。

2.干涉仪测量

这种方式测量精度高，范围大。但结构复杂，需要进行光路设计，成本较高，并且干涉仪测量系统对环境要求较高，不适用于一般精度测量系统。

3.旋转编码器测量

旋转编码器测量方式只适用于由连杆机构驱动的平面运动装置中，即：测量系统在初始化过程中读入旋转编码器初始值，在运动过程中读入编码器测量值，根据测量值与初始值的偏差计算出电机轴的转动角度，将该转动角度换算成曲柄运动位置，再将曲柄运动位置换算成铰支点位置，最终换算成平衡质量运动位置。整个过程中的间接测量较为繁琐，尺寸链较长，容易累积测量误差。

因此，如何提供一种结构简单、成本较低、可实现大行程测量的平面运动测量装置及方法是本领域的技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明提供一种平面运动测量装置及方法，在测量行程大、对精度与环境要求较低、成本较低的场合，对平面三自由度运动位移进行测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种平面运动测量装置，用于测量运动体在平面上X、Y及Rz方向的位移，包括三组一维光栅测量机构，其中两组一维光栅测量机构位于所述运动体的X方向上，另外一组一维光栅测量机构位于所述运动体的Y方向上，其中，每组一维光栅测量机构包括两组移动副以及一组转动副，所述两组移动副的移动方向垂直，所述转动副与其中一组移动副可旋转式连接。

较佳地，所述每组一维光栅测量机构包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件以及光栅尺和读头，所述第一构件与第二构件组成转动副，所述第二构件与第三构件组成第一移动副，所述第三构件与第四构件固定连接，所述第四构件与第五构件组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。

较佳地，所述每组一维光栅测量机构包括第一、第二、第三、第四、第五五个构件以及光栅尺和读头，所述第一构件与第二构件固定连接，所述第二构件与第三构件组成第一移动副，所述第三构件与第四构件组成转动副，所述第四构件与第五构件组成第二移动副，所述第一移动副与第二移动副中的移动件的移动方向相互垂直。

较佳地，所述光栅尺固定于所述第四构件上，所述读头固定于所述第五构件上。

较佳地，所述读头上分别设有零位传感器。

本发明还提供了一种平面运动测量方法，采用如上所述的平面运动测量装置，位于X方向的一维光栅测量机构测量X方向的位移，位于Y方向的一维光栅测量机构测量Y方向的位移，位于同方向的一维光栅测量机构测量Rz方向的位移。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.与二维光栅尺测量方法相比，本发明对零件刚度要求底，便于安装调试；

2.与干涉仪测量方法相比，本发明结构简单，成本低，对环境要求较低；

3.与旋转编码器测量方法相比，本发明采用直接测量，通用性较高，测量误差小。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的平面运动测量装置的安装位置示意图；

图2为本发明实施例1的平面运动测量装置中的一组光栅测量机构的结构示意图；

图3为本发明实施例1的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（初始位置）；

图4为本发明实施例1的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（运动体发生位移）；

图5为本发明实施例1的平面运动测量装置中一组光栅测量机构在实际应用中的结构示意图；

图6为图5的左视图；

图7为本发明实施例2的平面运动测量装置中的一组光栅测量机构的结构示意图；

图8为本发明实施例2的平面运动测量装置与运动体的位置关系示意图（初始位置）；