專利名稱：全光電式磁浮工件臺六維位姿測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種全光電式磁浮工件臺
六維位姿測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁浮平面工作臺是一種通過電磁力直接驅(qū)動的XY工作臺，因不含機(jī)械傳動鏈，其 具有近零摩擦、高響應(yīng)、高精度的優(yōu)點(diǎn)。從剛體運(yùn)動學(xué)的角度，磁浮平面工作臺的功能可描 述為其所包含的工件臺在電磁力的作用下，既能在XY平面上以一定的精度跟蹤給定軌 跡，也能在非運(yùn)動自由度方向(包括偏航方向、縱傾方向、橫傾方向和Z方向)上保持微小 范圍內(nèi)的波動。 磁浮平面工作臺上述功能的實(shí)現(xiàn)離不開位姿測控系統(tǒng)的作用，位姿測控系統(tǒng)由六 維位姿測量系統(tǒng)和位姿控制器兩部分構(gòu)成。其中六維位姿測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對工件臺X向、Y 向宏動方向坐標(biāo)的測量和其他微動方向廣義坐標(biāo)的測量，是基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)，其測量范圍、測 量角度、測量速度直接影響整個控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國麻省理工學(xué)院的Kim在其1997年完成的博士畢業(yè)論 文《High-precision planar magnetic levitation (高精度平面磁懸浮臺)》中建立了一種 磁浮平面工作臺位姿測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一臺多軸激光干涉測量儀和一個由3個電容傳 感器構(gòu)成的傳感器組。但是該技術(shù)中1)激光干涉儀光路長，使得測量系統(tǒng)所占面積較大； 2)受到安裝于工件臺上直角反射鏡長度的限止，其測量范圍較小，一般小于工件臺的平面 尺寸；3)電容傳感器是一種模擬式電學(xué)傳感器，更容易受到磁浮工作臺中固有的交變電磁 場的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種全光電式磁浮工件臺六 維位姿測量系統(tǒng)。本發(fā)明通過使用圖像位移傳感器和激光位移傳感器替代激光干涉儀和電 容傳感器，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、大測量范圍、強(qiáng)抗電磁干擾能力的功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明包括磁浮工件臺、傳感器組和六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元，其中傳感器組固定于 磁浮工件臺上，傳感器組的輸入端隨磁浮工件臺移動以采集磁浮工件臺的位移方向和距離 信息，傳感器組的輸出端與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸磁浮工件臺的位移方向和距離信 息，六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元輸出磁浮工件臺的六維位姿信息。 所述的傳感器組包括兩個微圖像位移傳感器和三個激光位移傳感器，其中每 個微圖像位移傳感器和每個激光位移傳感器分別固定于磁浮工件臺上，每個微圖像位移傳 感器的輸入端和每個激光位移傳感器的輸入端分別采集其所在點(diǎn)的位移方向和距離信息， 每個微圖像位移傳感器的輸出端和每個激光位移傳感器的輸出端分別與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單 元相連傳輸磁浮工件臺的位移方向和距離信息。
3
所述的微圖像位移傳感器包括發(fā)光器件、兩個光學(xué)透鏡、數(shù)字微成像器和數(shù)字接 口電路，其中第一光學(xué)透鏡位于發(fā)光器件正前方，第一光學(xué)透鏡和發(fā)光器件的光軸重合， 第二光學(xué)透鏡位于數(shù)字微成像器輸入端正前方，第二光學(xué)透鏡和數(shù)字微成像器的光軸重 合，第一光學(xué)透鏡透射出的光束反射后射入第二光學(xué)透鏡，數(shù)字微成像器與數(shù)字接口電路 相連傳輸磁浮工件臺的位移方向和距離信息，數(shù)字接口電路與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸 磁浮工件臺的位移方向和距離信息。 所述的六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元包括數(shù)字信號處理芯片和兩個單片機(jī)，其中每個微 圖像位移傳感器分別與第一單片機(jī)相連傳輸每個微圖像位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和 距離信息，第一單片機(jī)與第二單片機(jī)相連傳輸每個微圖像位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和 距離信息，每個激光位移傳感器分別與第二單片機(jī)相連傳輸每個激光位移傳感器所在點(diǎn)的 位移方向和距離信息，第二單片機(jī)與數(shù)字信號處理芯片相連傳輸每個微圖像位移傳感器和 每個激光位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，數(shù)字信號處理芯片輸出磁浮工件臺的 六維位姿信息。 所述的第二單片機(jī)是高性能模擬信號處理單片機(jī)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1)所采用的光電傳感器體積小，無長距 離光路，系統(tǒng)整體尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊；2)相比于激光干涉儀測量方式，無需高光潔度的L型 反射鏡頭，其測量范圍大大拓展；3)采用全光電式傳感器，避免使用電容傳感器等模擬電 學(xué)傳感器，其抗電磁干擾能力得以增強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下 述的實(shí)施例。
實(shí)施例 如圖1所示，本實(shí)施例包括磁浮工件臺1、傳感器組2和六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元3，其 中傳感器組2固定于磁浮工件臺l上，傳感器組2的輸入端隨磁浮工件臺1自由移動以采 集磁浮工件臺1的位移方向和距離信息，傳感器組2的輸出端與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元3相連 傳輸磁浮工件臺1的位移方向和距離信息，六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元3輸出磁浮工件臺1的六維 位姿信息。 所述的傳感器組2包括兩個微圖像位移傳感器和三個激光位移傳感器，其中第 一微圖像位移傳感器4、第二微圖像位移傳感器5、第一激光位移傳感器6、第二激光位移傳 感器7和第三激光位移傳感器8分別固定于磁浮工件臺1上，每個微圖像位移傳感器的輸 入端和每個激光位移傳感器的輸入端分別采集其所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，每個微圖 像位移傳感器的輸出端和每個激光位移傳感器的輸出端分別與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元3相連 傳輸磁浮工件臺1的位移方向和距離信息。 所述激光位移傳感器是基恩士 (Keyence)生產(chǎn)的LK_G系列激光位移傳感器。
所述的微圖像位移傳感器包括發(fā)光器件、兩個光學(xué)透鏡、數(shù)字微成像器和數(shù)字接 口電路，其中第一光學(xué)透鏡位于發(fā)光器件正前方，第一光學(xué)透鏡和發(fā)光器件的光軸重合， 第二光學(xué)透鏡位于數(shù)字微成像器輸入端正前方，第二光學(xué)透鏡和數(shù)字微成像器的光軸重 合，第一光學(xué)透鏡透射出的光束反射后射入第二光學(xué)透鏡，數(shù)字微成像器與數(shù)字接口電路 相連傳輸磁浮工件臺的位移方向和距離信息，數(shù)字接口電路與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸 磁浮工件臺的位移方向和距離信息。
所述的發(fā)光器件是發(fā)光二極管，或者是激光器。 所述的數(shù)字微成像器是安捷倫(Agilent)出產(chǎn)的ADNS_2051，或者是羅技出產(chǎn)的 MX光學(xué)感應(yīng)器。 所述的數(shù)字接口電路是原相科技(PixArt)公司的A2601芯片。 所述的六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元3包括數(shù)字信號處理芯片9和兩個單片機(jī)，其中每個 微圖像位移傳感器分別與第一單片機(jī)10相連傳輸每個微圖像位移傳感器所在點(diǎn)的位移方 向和距離信息，第一單片機(jī)10與第二單片機(jī)11相連傳輸每個微圖像位移傳感器所在點(diǎn)的 位移方向和距離信息，每個激光位移傳感器分別與第二單片11機(jī)相連傳輸每個激光位移 傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，第二單片機(jī)11與數(shù)字信號處理芯片9相連傳輸每個 微圖像位移傳感器和每個激光位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，數(shù)字信號處理芯 片9輸出磁浮工件臺1的六維位姿信息。 所述的數(shù)字信號處理芯片9是德州儀器公司的TMS320C2000數(shù)字處理芯片。 所述的第一單片機(jī)10采用英特爾公司生產(chǎn)的MSC-51系列單片機(jī)。 所述的第二單片機(jī)11是高性能模擬信號處理單片機(jī)，本實(shí)施例采用德州儀器公
司生產(chǎn)的MSC1210單片機(jī)。 本實(shí)施例的工作過程通過兩個圖像位移傳感器和三個激光位移傳感器對磁浮工 件臺1的位移方向和距離進(jìn)行測量；六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元3根據(jù)兩個微圖像位移傳感器和三 個激光位移傳感器得到的磁浮工件臺1的位移方向和距離信息，分析得到磁浮工件臺1的
六維姿態(tài)坐標(biāo)(x，y，z， v， e ，小)，其中v是偏航姿態(tài)角，e是縱傾姿態(tài)角，小是橫傾姿態(tài)角。 本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)1)采用的光電傳感器體積小，無長距離光路，其整體尺寸小、結(jié) 構(gòu)緊湊；2)相比于激光干涉儀測量方式，無需高光潔度的L型反射鏡頭，其測量范圍大大拓 展；3)采用全光電式傳感器，避免使用電容傳感器等模擬電學(xué)傳感器，其抗電磁干擾能力 得以增強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種全光電式磁浮工件臺六維位姿測量系統(tǒng)，包括磁浮工件臺、傳感器組，其特征在于，還包括六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元，其中傳感器組固定于磁浮工件臺上，傳感器組的輸入端隨磁浮工件臺移動以采集磁浮工件臺的位移方向和距離信息，傳感器組的輸出端與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸磁浮工件臺的位移方向和距離信息，六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元輸出磁浮工件臺的六維位姿信息；所述的六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元包括數(shù)字信號處理芯片和兩個單片機(jī)，其中每個微圖像位移傳感器分別與第一單片機(jī)相連傳輸每個微圖像位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，第一單片機(jī)與第二單片機(jī)相連傳輸每個微圖像位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，每個激光位移傳感器分別與第二單片機(jī)相連傳輸每個激光位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，第二單片機(jī)與數(shù)字信號處理芯片相連傳輸每個微圖像位移傳感器和每個激光位移傳感器所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，數(shù)字信號處理芯片輸出磁浮工件臺的六維位姿信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光電式磁浮工件臺六維位姿測量系統(tǒng)，其特征是，所述的 微圖像位移傳感器包括發(fā)光器件、兩個光學(xué)透鏡、數(shù)字微成像器和數(shù)字接口電路，其中 第一光學(xué)透鏡位于發(fā)光器件正前方，第一光學(xué)透鏡和發(fā)光器件的光軸重合，第二光學(xué)透鏡 位于數(shù)字微成像器輸入端正前方，第二光學(xué)透鏡和數(shù)字微成像器的光軸重合，第一光學(xué)透 鏡透射出的光束反射后射入第二光學(xué)透鏡，數(shù)字微成像器與數(shù)字接口電路相連傳輸磁浮工 件臺的位移方向和距離信息，數(shù)字接口電路與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸磁浮工件臺的位 移方向和距離信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光電式磁浮工件臺六維位姿測量系統(tǒng)，其特征是，所述的 第二單片機(jī)是高性能模擬信號處理單片機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光電式磁浮工件臺六維位姿測量系統(tǒng)，其特征是，所述的 傳感器組包括兩個微圖像位移傳感器和三個激光位移傳感器，其中每個微圖像位移傳 感器和每個激光位移傳感器分別固定于磁浮工件臺上，每個微圖像位移傳感器的輸入端和 每個激光位移傳感器的輸入端分別采集其所在點(diǎn)的位移方向和距離信息，每個微圖像位移 傳感器的輸出端和每個激光位移傳感器的輸出端分別與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸磁浮 工件臺的位移方向和距離信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域的全光電式磁浮工件臺六維位姿測量系統(tǒng)，包括磁浮工件臺、傳感器組和六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元，其中傳感器組固定于磁浮工件臺上，傳感器組的輸入端隨磁浮工件臺自由移動以采集磁浮工件臺位移方向和距離信息，傳感器組的輸出端與六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元相連傳輸磁浮工件臺位移方向和距離信息，六維坐標(biāo)導(dǎo)出單元輸出磁浮工件臺的六維位姿信息；所述的傳感器組包括兩個微圖像位移傳感器和三個激光位移傳感器。本發(fā)明應(yīng)用于制造設(shè)備與機(jī)器人領(lǐng)域，系統(tǒng)整體尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊；測量范圍大大拓展；采用全光電式傳感器，其抗電磁干擾能力得以增強(qiáng)。
文檔編號G01B11/00GK101738163SQ20091031164
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者馮磊, 曹家勇, 朱文, 王石剛, 董漢成 申請人:上海交通大學(xué)