專利名稱：移動體位置控制裝置以及使用了該控制裝置的載物臺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)為在沿一個方向平移驅(qū)動移動體(載物臺)的兩端時抑制移動體的旋轉(zhuǎn)動作的移動體位置控制裝置以及使用了該控制裝置的載物臺裝置。
背景技術(shù)：
例如稱為XY載物臺裝置的裝置的結(jié)構(gòu)為，沿Y方向移動的Y載物臺上安裝有在沿X方向移動的X載物臺，設(shè)置有控制各載物臺(移動體)的移動位置的移動體位置控制裝置。并且，在這種裝置中，有稱為龍門移動型載物臺裝置的裝置，其結(jié)構(gòu)為門型第1移動體(Y載物臺)以一定的速度在吸著在臺子上的基板的上方移動(參照例如專利文獻(xiàn)1)。
上述第1移動體上安裝有沿與Y方向垂直的X方向移動的第2移動體，在第2移動體上安裝有各種夾具。并且，XY載物臺裝置這樣動作使第2移動體移動到X方向的行程內(nèi)的任意位置，同時使第1移動體沿Y方向移動。
這樣一來，在第2移動體沿X方向移動的狀態(tài)下使第1移動體沿Y方向移動，如果在這種情況下向驅(qū)動第1移動體的第1、第2線性電動機(jī)輸出產(chǎn)生相同的推力(驅(qū)動力)的指令，則包含第1移動體和第2移動體的移動體組件的重心位置隨第2移動體的移動而改變，因此，移動體組件上被作用了以與重心位置交叉的Z軸為中心的旋轉(zhuǎn)力。
因此，在第2移動體不在Y方向的移動范圍的中央位置上的狀態(tài)下，使一對線性電動機(jī)作用于第1移動體上的2個推力產(chǎn)生差異，使兩推力所引起的第1移動體的重心附近的2個力矩互相抵消，從而使第1移動體沿Y方向移動。
由此，使平移驅(qū)動第1移動體的推力產(chǎn)生的重心附近的2個力矩互相抵消，防止推力作為旋轉(zhuǎn)力對第1移動體發(fā)生作用。
專利文獻(xiàn)1日本特開2001-238485號公報(特許第3481540號)但是，由于上述現(xiàn)有技術(shù)的裝置為控制一對線性電動機(jī)作用于第1移動體的2個推力、來使2個推力產(chǎn)生的重心附近的力矩互相抵消的方式，因此，即使是例如因某種外力干擾向第1移動體作用了旋轉(zhuǎn)方向的力而使第1載物臺旋轉(zhuǎn)某角度、從而第1載物臺沿偏擺方向傾斜的情況，也作為在第1載物臺相對X方向不傾斜的狀態(tài)下沿Y方向驅(qū)動的情況，來決定一對線性電動機(jī)的推力。
因此，現(xiàn)有技術(shù)存在當(dāng)?shù)?載物臺繞Z軸旋轉(zhuǎn)了規(guī)定的角度時，在沒有修正相對于X軸的傾斜的傾斜狀態(tài)下沿Y方向驅(qū)動第1載物臺的問題。
因此，在輸入了外力干擾的情況下，上述反饋控制的控制中難以在不沿偏擺方向轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下高精度地平移驅(qū)動移動體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)問題是，即使在輸入了外力干擾的情況下，也以不沿偏擺方向轉(zhuǎn)動的狀態(tài)高精度地平移驅(qū)動移動體。
為了解決上述問題，本發(fā)明包括下述手段。
本發(fā)明為一種移動體位置控制裝置，控制用于驅(qū)動被設(shè)置為可沿互相垂直的2個方向中的第1軸方向移動的第1移動體的兩端的第1、第2驅(qū)動單元、以及用于驅(qū)動沿與上述第1軸垂直的第2軸方向移動的第2移動體的第3驅(qū)動單元，使上述第1移動體和上述第2移動體構(gòu)成的移動體組件移動，其特征在于，上述移動體位置控制裝置具備重心位置計算單元，計算與上述第2移動體的移動位置相對應(yīng)的移動體組件的重心位置；分配系數(shù)計算單元，計算分配系數(shù)，該分配系數(shù)用于根據(jù)上述重心位置計算單元計算出的重心位置來設(shè)定上述第1驅(qū)動單元的推力與上述第2驅(qū)動單元的推力的分配比；指令值計算單元，將該分配系數(shù)計算單元計算出的分配系數(shù)與上述第1軸方向的位置控制補(bǔ)償器所計算出的第1軸推力目標(biāo)值相乘，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的第1軸推力指令值，使得作用于上述重心的軸周圍的對第1、第2驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向的力矩平衡；慣性力矩計算單元，計算以根據(jù)上述第2移動體的移動位置而變化的移動體組件的重心位置為軸的、旋轉(zhuǎn)方向的慣性力矩；旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元，計算上述重心的軸周圍的第3軸推力指令值，使該慣性力矩計算單元計算出的慣性力矩與旋轉(zhuǎn)方向的位置控制補(bǔ)償器的推力的增益之比為一定；驅(qū)動推力指令值計算單元，根據(jù)上述第1軸推力指令值和上述第3軸推力指令值，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值。
并且，本發(fā)明的特征在于，上述分配系數(shù)計算單元計算上述分配系數(shù)，使由作用于上述移動體組件的重心的軸周圍的旋轉(zhuǎn)方向上的第1驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力與上述第2驅(qū)動單元所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力相互相反方向作用的2個旋轉(zhuǎn)方向的力的力矩平衡。
并且，本發(fā)明的特征在于，在設(shè)給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值為f1、f2，沿2軸方向移動的第2移動體的位置的測量值為x，使x＝0時繞移動體的重心的力矩平衡的第1軸平移方向的推力指令的分配比為g10、g20，x變化引起的上述移動體組件的重心與上述第1、第2驅(qū)動單元之間的距離的變化率為α，x＝0時在重心上繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向位置控制回路的推力增益為h0，x變化引起的上述移動體組件的重心點上繞第3軸方向的慣性力矩的變化率為β，第1軸方向的平移方向推力指令值為f*，繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向的推力指令值為τ的情況下，上述驅(qū)動推力指令值計算單元根據(jù)下式分配上述推力指令值f1、f2f1＝(-αx+g10)·f*+(βx+h0)·τf2＝(αx+g20)·f*-(βx+h0)·τ。
并且，本發(fā)明為一種載物臺裝置，具有固定底座；第1載物臺，設(shè)置為可以相對該固定底座沿第1軸方向移動；第2載物臺，設(shè)置為可以在該第1載物臺上沿與上述第1軸方向垂直的第2軸方向移動；第1、第2驅(qū)動單元，配置為相對上述固定底座給上述第1載物臺的兩端附近施加推力；第3驅(qū)動單元，驅(qū)動上述第2載物臺；第1、第2位置檢測器，檢測上述第1載物臺的兩端附近的移動位置；第3位置檢測器，檢測上述第2載物臺的移動位置；控制單元，控制上述第1、第2驅(qū)動單元，使由上述第1載物臺和上述第2載物臺構(gòu)成的移動體組件移動；其特征在于，上述控制單元具有重心位置計算單元，計算與上述第2載物臺的移動位置相對應(yīng)的上述移動體組件的重心位置；分配系數(shù)計算單元，計算分配系數(shù)，該分配系數(shù)用于根據(jù)上述重心位置計算單元計算出的重心位置來設(shè)定上述第1驅(qū)動單元的推力與上述第2驅(qū)動單元的推力的分配比；指令值計算單元，將該分配系數(shù)計算單元計算出的分配系數(shù)與上述第1軸方向的位置控制補(bǔ)償器所計算出的第1軸推力目標(biāo)值相乘，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的第1軸推力指令值，使得作用于上述重心的軸周圍的對第1、第2驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向的力矩平衡；慣性力矩計算單元，計算以根據(jù)上述第2移動體的移動位置而變化的移動體組件的重心位置為軸的、旋轉(zhuǎn)方向的慣性力矩；旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元，計算上述重心的軸周圍的第3軸推力指令值，使該慣性力矩計算單元計算出的慣性力矩與旋轉(zhuǎn)方向的位置控制補(bǔ)償器的推力的增益之比為一定；驅(qū)動推力指令值計算單元，根據(jù)上述第1軸推力指令值和上述第3軸推力指令值，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，由于通過根據(jù)重心位置計算單元計算出的重心位置求出作用于第1移動體的重心的軸周圍的旋轉(zhuǎn)方向上的第1驅(qū)動單元的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力以及第2驅(qū)動單元的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，計算使作用方向互相相反的2個力矩平衡地設(shè)定第1驅(qū)動單元的推力與第2驅(qū)動單元的推力的分配比的分配系數(shù)，將按與移動體組件的重心位置相對應(yīng)的變化率分配了給第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值之后的分配值、使第1、第2驅(qū)動單元的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向的力矩平衡地分配給第1、第2驅(qū)動單元的指令值、以及旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元計算出的指令值相加，計算出給第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值，從而能夠使第1移動體(第1載物臺)不受旋轉(zhuǎn)力的作用，因此能夠在不沿偏擺方向傾斜的狀態(tài)下平移驅(qū)動第1移動體(第1載物臺)。
并且，根據(jù)本發(fā)明，由于計算將根據(jù)第2移動體(第2載物臺)的移動位置而變化的移動體組件(載物臺組件)的重心位置作為軸的旋轉(zhuǎn)方向的慣性力矩，使慣性力矩為一定地計算繞重心的軸的推力，因此還能夠通過控制系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)方向的控制體系的控制回路增益保持為一定，不管第2移動體(第2載物臺)的移動位置如何，旋轉(zhuǎn)方向的控制體系的控制特征都不變，因此能夠穩(wěn)定地平移驅(qū)動第1移動體(第1載物臺)。


圖1是表示本發(fā)明的移動體位置控制裝置的構(gòu)成要素的概念圖。
圖2是表示使用了本發(fā)明的移動體位置控制裝置的一個實施例的載物臺裝置的立體圖。
圖3是簡化表示Y載物臺18和X載物臺30的俯視圖。
圖4是用于說明控制系統(tǒng)的具體例的系統(tǒng)圖。
圖5是表示推力退耦(非干涉化)塊70的控制方式的具體例的系統(tǒng)圖。
圖6是表示用推力退耦塊70控制Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力f1、f2、在使X載物臺30移動到X方向的右端的狀態(tài)下沿Y方向移動Y載物臺18時的實驗結(jié)果的曲線圖。
圖7是表示用推力退耦塊70控制Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力f1、f2、在使X載物臺30移動到X方向的中間位置的狀態(tài)下沿Y方向移動Y載物臺18時的實驗結(jié)果的曲線圖。
圖8是表示用推力退耦塊70控制Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力f1、f2、在使X載物臺30移動到X方向的左端的狀態(tài)下沿Y方向移動Y載物臺18時的實驗結(jié)果的曲線圖。
符號說明10載物臺12底座18Y載物臺19Y方向驅(qū)動部30X載物臺31X方向驅(qū)動部36Y1線性電動機(jī)38Y2線性電動機(jī)42X線性電動機(jī)48Y1線性標(biāo)度50Y2線性標(biāo)度52Y1線性編碼器54Y2線性編碼器60控制系統(tǒng)62坐標(biāo)變換塊
64 X控制體系塊66 Y控制體系塊68 θ控制體系塊70 推力退耦塊72、74、76 補(bǔ)償器84 第1分配計算部86 第2分配計算部88 第3分配計算部90 加法器92 減法器94 切換開關(guān)200移動體位置控制裝置202第1移動體(Y1載物臺)204第2移動體(X載物臺)206移動體組件210第1驅(qū)動單元220第2驅(qū)動單元230第3驅(qū)動單元2323軸位置檢測器234坐標(biāo)變換塊236XYθ位置控制補(bǔ)償器240重心位置計算單元270分配系數(shù)計算單元280指令值計算單元290慣性力矩計算單元300旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元310驅(qū)動推力指令值計算單元
具體實施例方式
下面與附圖一起說明實施本發(fā)明的優(yōu)選方式。
實施例1圖1為表示本發(fā)明的移動體位置控制裝置的構(gòu)成要素的概念圖。如圖1所示，移動體位置控制裝置200驅(qū)動控制第1、第2驅(qū)動單元210、220和第3驅(qū)動單元230，上述第1、第2驅(qū)動單元210、220驅(qū)動第1移動體(Y1載物臺)202的兩端，使第1移動體202沿Y軸方向移動；上述第3驅(qū)動單元230驅(qū)動沿與Y方向垂直的X軸方向移動的第2移動體(X載物臺)204。
包含第1移動體202和第2移動體204的移動體組件206的坐標(biāo)位置由3軸位置檢測器232檢測，由坐標(biāo)變換塊234變換乘XYθ控制坐標(biāo)系，作為位置反饋值提供給XYθ位置控制補(bǔ)償器236。
移動體位置控制裝置200具有計算推力目標(biāo)值的XYθ位置控制補(bǔ)償器236；計算與第2移動體204的移動位置相對應(yīng)的包含第1移動體202和第2移動體204的移動體組件206的重心位置的重心位置計算單元240；計算出用于根據(jù)重心位置計算單元240計算出的重心位置設(shè)定第1驅(qū)動單元210的推力與第2驅(qū)動單元220的推力的分配比的分配系數(shù)的分配系數(shù)計算單元270。
而且，移動體位置控制裝置200還具有指令值計算單元280，該指令值計算單元280將分配系數(shù)計算單元270計算出的分配系數(shù)與XYθ位置控制補(bǔ)償器236計算出的第1、第2驅(qū)動單元210、220的Y軸(第1軸)推力目標(biāo)值相乘，計算出輸出給第1、第2驅(qū)動單元210、220的Y軸(第1軸)推力指令值(分配值)，使得作用在重心軸附近的第1、第2驅(qū)動單元210、220的推力所引起旋轉(zhuǎn)方向的力矩平衡。
并且，移動體位置控制裝置200還具有慣性力矩計算單元290，計算根據(jù)第2移動體204的移動位置X而變化的移動體組件206的繞Z軸的慣性力矩；以及旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元300，被輸入該慣性力矩計算單元290計算出的慣性力矩和XYθ位置控制補(bǔ)償器236計算出的θ軸(第3軸)推力目標(biāo)值。在該旋轉(zhuǎn)方向指令值調(diào)整單元300中，計算繞Z軸(旋轉(zhuǎn)方向)的θ軸(第3軸)推力指令值，使慣性力矩與旋轉(zhuǎn)方向的位置控制補(bǔ)償器的推力增益之比為一定。
而且，還具有驅(qū)動推力指令值計算單元310，該驅(qū)動推力指令值計算單元310根據(jù)指令值計算單元280計算出的Y軸推力指令值和旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元300計算出的θ軸推力指令值計算出輸出給第1、第2驅(qū)動單元210、220的各驅(qū)動推力指令值(Y1電動機(jī)推力指令值、Y2電動機(jī)推力指令值)。
當(dāng)假設(shè)輸出給第1、第2驅(qū)動單元210、220的各推力指令值為f1、f2，沿2軸方向移動的第2移動體204的位置測量值為x，使x＝0時的圍繞移動體組件206的重心的力矩平衡的第1軸平移方向的推力指令的分配比為g10、g20，x變化引起的移動體重心與第1、第2驅(qū)動單元210、220之間的距離的變化率為α，x＝0時在重心上繞第3軸(Z軸)的旋轉(zhuǎn)方向位置控制回路(Loop)的推力增益為h0，x變化引起的整個移動體的重心點的繞第3軸方向的慣性力矩的變化率為β，第1軸方向的平移方向推力指令值為f*，繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向的推力指令值為τ時，分配系數(shù)計算單元270根據(jù)下式分配推力指令值f1、f2。并且，導(dǎo)出下述2式的說明將在后面敘述，這里省略說明。
f1＝(-αx+g10)·f*+(βx+h0)·τf2＝(αx+g20)·f*-(βx+h0)·τ因此，在移動體位置控制裝置200中，根據(jù)重心位置計算單元240計算出的重心位置，求出作用在移動體組件206的重心的Z軸周圍的旋轉(zhuǎn)方向(θ方向)上的第1驅(qū)動單元210的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力和第2驅(qū)動單元220的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，設(shè)定第1驅(qū)動單元210的推力與第2驅(qū)動單元220的推力的分配比，使作用方向互相相反的2個旋轉(zhuǎn)力平衡，由此，能夠使第1移動體(第1載物臺)202上不受旋轉(zhuǎn)力的作用，因此能夠在不沿偏擺方向傾斜的狀態(tài)下平移驅(qū)動第1移動體(第1載物臺)202。
下面說明本發(fā)明的具體例。圖2為表示使用了本發(fā)明的移動體位置控制裝置的一個實施例的載物臺裝置的立體圖。
如圖2所示，載物臺裝置10具有底座12，固定在底座12上的一對導(dǎo)軌14、16，Y載物臺(第1移動體)18，沿Y方向驅(qū)動Y載物臺18的方向驅(qū)動部19，X載物臺(第2移動體)30，沿X方向驅(qū)動X載物臺30的X方向驅(qū)動單元31。X載物臺30可移動地安裝在Y載物臺18上，與Y載物臺18一起構(gòu)成移動體組件21。
底座12的上面12a形成引導(dǎo)移動體組件21水平移動的靜壓軸承引導(dǎo)面。并且，導(dǎo)軌14、16在彼此相對的側(cè)面形成Y方向引導(dǎo)面14a、16a，以分別引導(dǎo)Y載物臺18的兩端。
在導(dǎo)軌14與16之間橫架Y載物臺18。該Y載物臺18具有在底座12的上面12a上沿Y方向滑動的主體18a、和設(shè)置在主體18a的兩端并在導(dǎo)軌14、16的Y方向引導(dǎo)面14a、16a上沿Y方向被直線引導(dǎo)的滑動部18b、18c。
并且，在滑動部18b、18c為同一形狀的情況下，Y載物臺18的重心位置與Y方向的中間位置一致。并且，在滑動部18b、18c為不同形狀的情況下，由于滑動部18b的質(zhì)量與滑動部18c的質(zhì)量不同，因此Y載物臺18的重心位置根據(jù)滑動部18b、18c的質(zhì)量差的不同，而從Y方向的中間位置偏離規(guī)定距離。
并且，Y載物臺18具有在滑動部18b、18c的側(cè)面的4個靜壓空氣軸承墊20和設(shè)置在滑動部18b、18c下面的3個靜壓空氣軸承墊22。靜壓空氣軸承墊20和221～223通過4個具有繞與底座12上的X-Y平面垂直的Z軸旋轉(zhuǎn)的一個自由度的聯(lián)軸器(圖中未表示)，保持在Y載物臺18的滑動部18b、18c的側(cè)面上。
并且，靜壓空氣軸承墊223設(shè)置在Y載物臺18的與X方向的中心軸相對應(yīng)的地方，靜壓空氣軸承墊221、222設(shè)置在在Y方向上相對Y載物臺18的中心軸大致對稱的位置上。即，靜壓空氣軸承墊221～223被設(shè)置各自的中心形成等腰三角形。
并且，在Y載物臺18上可以沿與Y方向垂直的X方向移動地安裝有X載物臺30。Y載物臺18被形成為與其延伸方向平行的前后側(cè)面18d、18e作為沿X方向引導(dǎo)X載物臺30的X方向引導(dǎo)面。X載物臺30跨越Y(jié)載物臺18的上面和前后面地形成為コ字形狀，具有4個與前后側(cè)面18d、18e相對的靜壓空氣軸承墊321～324和3個與底座12的上面12a相對的靜壓空氣軸承墊341～343。
靜壓空氣軸承墊20、221～223通過噴射壓縮空氣形成有相對底座12的上面12a和導(dǎo)軌14、16的微薄的空氣層，在利用該空氣層將摩擦阻力降低到大致為0的懸浮狀態(tài)(非接觸狀態(tài))下引導(dǎo)Y載物臺18。
并且，靜壓空氣軸承墊321～324、341～343通過噴射壓縮空氣形成有相對底座12的上面12a和Y載物臺18的前后側(cè)面18d、18e的微薄的空氣層，在利用該空氣層將摩擦阻力降低到大致為0的懸浮狀態(tài)(非接觸狀態(tài))下引導(dǎo)X載物臺30。
Y方向驅(qū)動部19具有設(shè)置在導(dǎo)軌14上的Y1線性電動機(jī)(第1驅(qū)動單元)36和設(shè)置在導(dǎo)軌16上的Y2線性電動機(jī)(第2驅(qū)動單元)38。Y1、Y2線性電動機(jī)36、38具有沿Y方向延伸配置的磁鐵組件(圖中未表示)和與磁鐵組件相對配置的線圈組件(圖中未表示)。并且，各線圈組件上連接有裸纜(圖中未表示)。
并且，X方向驅(qū)動單元31具有設(shè)置在Y載物臺18的主體18a上的X線性電動機(jī)(第3驅(qū)動裝置)42。X線性電動機(jī)42具有沿X方向延伸配置的磁鐵組件(圖中未表示)和與磁鐵組件相對配置的線圈組件(圖中未表示)構(gòu)成。并且，線圈組件上連接有裸纜(圖中未表示)。
而且，導(dǎo)軌14、16上設(shè)置有沿Y方向延伸形成的Y1線性標(biāo)度48、Y2線性標(biāo)度50、以及設(shè)置在Y載物臺18上并且檢測相對Y1線性標(biāo)度48、Y2線性標(biāo)度50的相對位置的Y1線性編碼器(Y1位置檢測器)52和Y2線性編碼器(Y2位置檢測器)54。因此，通過計算從Y1線性編碼器52、Y2線性編碼器54輸出的脈沖數(shù)，來檢測Y載物臺18的滑動部18b、18c的移動位置。并且，根據(jù)從Y1線性編碼器52輸出的脈沖數(shù)與從Y2線性編碼器54輸出的脈沖數(shù)之差檢測Y載物臺18的旋轉(zhuǎn)角θ。
并且，在Y載物臺18的主體18a上設(shè)置有沿X方向延伸形成的X線性標(biāo)度(圖中未表示)、和設(shè)置在X載物臺30上并且檢測相對X線性標(biāo)度的相對位置的X線性編碼器(圖中未表示)。因此，通過計算從X線性編碼器(X位置檢測器)輸出的脈沖數(shù)，來檢測X載物臺30的移動位置。
在這種構(gòu)成的載物臺裝置10中，在用Y1、Y2線性電動機(jī)36、38同時平移地驅(qū)動Y載物臺18兩端設(shè)置的滑動部18b、18c的情況下，如果X載物臺30位于X方向的中心，則控制Y1、Y2線性電動機(jī)36、38使兩者的推力大小相同。
由Y1、Y2線性電動機(jī)36、38平移驅(qū)動的Y載物臺18在移動時容易引起繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(偏擺運(yùn)動)。其原因可以認(rèn)為是由Y1、Y2線性電動機(jī)36、38賦予的推力變動所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向的力、或者連接在Y載物臺18兩端的電纜(圖中未表示)的負(fù)荷(外力干擾)的差等。
下面說明上述結(jié)構(gòu)的載物臺裝置10中的Y載物臺18的移動狀態(tài)。
圖3為簡化表示Y載物臺18和X載物臺30的俯視圖。如圖3所示，由于在載物臺裝置10中X載物臺30可移動地安裝在Y載物臺18上，因此，通過X載物臺30沿X方向的移動，移動體組件21的重心位置沿X方向移動。
并且，繞通過重心點G的Z軸的旋轉(zhuǎn)方向(偏擺方向)的慣性力矩(慣性)也變化。該慣性力矩可以用X坐標(biāo)的函數(shù)表示，假設(shè)為J(x)。
假設(shè)Y方向控制體系的y方向平移推進(jìn)指令為f*，θ方向控制體系的偏轉(zhuǎn)扭矩指令為τ*，Y方向驅(qū)動用Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力(驅(qū)動力)分別為f1、f2。此時用下述公式(1)的關(guān)系將f*、τ*分配給f1、f2，使推力f1、f2互不干涉地進(jìn)行推力退耦。
f1f2=g1h1g2h2f*τ*...............(1)]]>其中，從與X載物臺30的移動位置相對應(yīng)的重心位置到Y(jié)1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力產(chǎn)生點(驅(qū)動點)之間的距離分別記為L1(x)、L2(x)。
于是，根據(jù)上式(1)賦予的推力f1、f2，作用于移動體組件21的重心的平移推力f和偏轉(zhuǎn)扭矩τ由下式(2)給出。
fτ=11L1(x)-L2(x)f1f2..................(2)]]>其中，L1(x)+L2(x)＝L0………………(3)通過以上形成控制體系的指令推力與實際作用在移動體組件21的重心上的推力f、τ存在下式(4)的關(guān)系。

fτ=11L1(x)-L2(x)g1h1g2h2f*τ*]]>=g1+g2h1+h2L1(x)g1-L2(x)g2L1(x)h1-L2(x)h2f*τ*..................(4)]]>此時，Y方向控制體系的指定推力f*不產(chǎn)生對移動體組件21的重心的偏轉(zhuǎn)扭矩τ、并且θ控制體系的偏轉(zhuǎn)扭矩指令τ*不產(chǎn)生對移動體組件21的重心的平移推力f的條件——即，使Y-θ控制體系退耦的條件為使下式(4)右邊的行列式的非對角成分為0。
此，為下式(5)、(6)。
h1＝-h2………………(5)L1(x)g1＝L2(x)g2………………(6)并且，通過使將移動體組件21的質(zhì)量除式(4)右邊的行列式的(1，1)成分之后的值、以及將移動體組件21的慣性力矩除行列式的(2，2)成分之后的值為一定，來賦予將移動體組件21的控制體系的控制體系增益保持在一定的條件。
由于移動體組件21的質(zhì)量與X載物臺30的坐標(biāo)位置無關(guān)而為一定，因此上述條件用下式(7)、(8)表示。
g1+g2≡g0＝一定………………(7) 從上式(7)、(8)可知，只要根據(jù)下式(9)～(12)的分配系數(shù)g1、g2、h1、h2分配推力f1、f2，就能夠使Y-θ系統(tǒng)退耦，將控制體系的控制體系增益保持在一定。

g1=L2(x)L0g0..................(9)]]>g2=L1(x)L0g0..................(10)]]>h1=J(x)J0h0...................(11)]]>h2=-J(x)J0h0..................(12)]]>整理上式，推力f1、f2的分配式用下式(13)、(14)給出。
f1=g1×f*+h1×τ*=L2(x)L0g0×f*+J(x)J0h0×τ*......(13)]]>f2=g2×f*+h2×τ*=L1(x)L0g0×f*-J(x)J0h0×τ*......(14)]]>下面參照圖4說明驅(qū)動控制載物臺裝置10的控制系統(tǒng)的具體例。如圖4所示，控制系統(tǒng)60具有坐標(biāo)變換塊62，若被輸入由上述Y1線性編碼器52、Y2線性編碼器54和X線性編碼器58檢測到的Y1、Y2、X方向的位置信號，則進(jìn)行X、Y、θ坐標(biāo)變換，計算各方向的坐標(biāo)位置和重心位置，生成各反饋值；以及X控制體系塊64，控制X載物臺30的移動。而且，控制系統(tǒng)60還具有Y控制體系塊66，控制Y載物臺18的移動；θ控制體系塊68，控制移動體組件21的θ方向的傾斜；以及推力退耦塊70，計算Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力f1、f2互不干涉的重心位置，并進(jìn)行推力退耦。
坐標(biāo)變換塊62為計算與X載物臺30的移動位置相對應(yīng)的移動體組件21的X方向、Y方向及θ方向的坐標(biāo)位置的計算單元，將X方向反饋值Xfbk輸入X控制體系64的補(bǔ)償器72，將Y方向反饋值Yfbk輸入Y控制體系66的補(bǔ)償器74，將θ方向反饋值θfbk輸入θ控制體系塊68的補(bǔ)償器76。
X控制體系塊64的補(bǔ)償器72用X軸位置指令值Xref和X方向反饋值Xfbk輸出X軸推力目標(biāo)值Fcmdx。
Y控制體系塊66的補(bǔ)償器74用Y軸位置指令值Xref和Y方向反饋值Yfbk輸出Y軸推力目標(biāo)值Fcmdy。
θ控制體系塊68的補(bǔ)償器76用θ軸位置指令值θref和θ方向反饋值θfbk輸出θ軸推力目標(biāo)值Fcmdθ。
推力退耦塊70是推力分配單元，根據(jù)移動體組件21的重心位置設(shè)定Y1線性電動機(jī)36的推力f1與Y2線性電動機(jī)38的推力f2的分配比，來使作用于Y載物臺18的重心軸周圍的Y1線性電動機(jī)36的推力f1產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力與Y2線性電動機(jī)38的推力f2產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力相平衡，具有第1至第3分配計算部84、86、88、加法器90、減法器92和切換開關(guān)94。
第1至第3分配計算部84、86、88是根據(jù)重心位置計算分配Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力的分配系數(shù)的分配系數(shù)計算單元和將分配系數(shù)乘到各推力目標(biāo)值來計算出各推力指令值的指令值計算單元。并且，加法器90和減法器92是根據(jù)分配計算部84、86、88計算出的各推力指令值來計算出給Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的指令值的指令值計算單元。
切換開關(guān)94是用于選擇性地將X軸位置指令值Xref和X方向反饋值Xfbk中的某一個輸入第1至第3分配計算部84、86、88的切換單元。并且，切換開關(guān)94的結(jié)構(gòu)為，根據(jù)使X軸位置指令值Xref和X方向反饋值Xfbk中的哪一個優(yōu)先，將觸點a、b中的某一個與觸點c連接。并且，切換開關(guān)94既可以是手動操作，或者也可以是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件(閥值)自動地切換。
例如，在第1至第3分配計算部84、86、88中，當(dāng)根據(jù)不包含振動成分的X軸位置指令值Xref設(shè)定分配系數(shù)時，如圖3所示將切換開關(guān)94設(shè)置到與觸點a、c連接的狀態(tài)。并且，在根據(jù)X方向反饋值Xfbk設(shè)定分配系數(shù)時，將切換開關(guān)94切換到觸點b、c連接的狀態(tài)。
Y控制體系塊66的補(bǔ)償器74所生成的Y軸指令值Fcmdy輸入到第1、第2分配計算部84、86中。并且，θ控制體系塊68的補(bǔ)償器76所生成的θ軸推力目標(biāo)值Fcmdθ輸入第3分配計算部88中。并且，第1分配計算部84所生成的推力指令值g10和第3分配計算部88生成的θ軸推力指令值h0在加法器90中相加，形成Y1線性電動機(jī)推力指令值Fcmd1，在Y1伺服放大器98中增幅，輸入Y1線性電動機(jī)36中。
并且，第2分配計算部86所生成的推力指令值g20和第3分配計算部88所生成的θ軸推力指令值h0在減法器92中相減，形成Y1線性電動機(jī)推力指令值Fcmd2，在Y2伺服放大器100中增幅，輸入Y2線性電動機(jī)38中。
而且，從X控制體系塊64的補(bǔ)償器72輸出的X軸推力指令值Fcmdx在X伺服放大器96中增幅，輸入X線性電動機(jī)42中。
這樣，在載物臺裝置10中，通過用推力退耦塊70進(jìn)行推力退耦使推力f1、f2互不干涉，可以設(shè)定Y1線性電動機(jī)36的推力與Y2線性電動機(jī)38的推力的分配比，使得作用于重心軸周圍的旋轉(zhuǎn)方向上的Y1線性電動機(jī)36的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩與Y2線性電動機(jī)38的推力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩相平衡。由此，不管X載物臺30的位置如何，都可以防止旋轉(zhuǎn)力作用于Y載物臺18，在不沿偏擺方向傾斜的狀態(tài)下驅(qū)動Y載物臺18。
圖5為表示推力退耦塊70的控制方式的具體例的系統(tǒng)圖。如圖5所示，Y載物臺18和X載物臺30的各軸的位置指令值記為Xref、Yref、θref。并且，Y載物臺18和X載物臺30的坐標(biāo)位置為，通過上述坐標(biāo)變換塊62將由作為3軸位置檢測器的上述Y1線性編碼器52、Y2線性編碼器54和X線性編碼器58檢測到的載物臺位置變換成XYθ控制坐標(biāo)系，檢測出位置反饋值Xfbk、Yfbk、θfbk。
X控制體系塊64、Y控制體系塊66和θ控制體系塊68分別根據(jù)位置指令值和位置反饋值計算出各軸方向的推力目標(biāo)值Fcmdx、Fcmdy、Fcmdθ。通過推力退耦塊70將Y方向及θ方向的推力指令值分配給Y1線性電動機(jī)推力指令值Fcmd1和Y2線性電動機(jī)推力指令值Fcmd2。
下面說明由分配計算部84、86計算的分配系數(shù)的導(dǎo)出方法。在上述式(9)中，將根據(jù)X方向位置上計算出的移動體組件21的重心位置到Y(jié)2線性電動機(jī)38的驅(qū)動點A2之間的距離L2(x)與Y1線性電動機(jī)36和Y2線性電動機(jī)38之間的距離L0之比，乘以常數(shù)g0，來導(dǎo)出分配系數(shù)g1。
在上述式(10)中，將根據(jù)X方向位置計算出的移動體組件21的重心位置到Y(jié)1線性電動機(jī)36的驅(qū)動點A1之間的距離L1(x)與Y1線性電動機(jī)36和Y2線性電動機(jī)38之間的距離L0之比，乘以常數(shù)g0，來導(dǎo)出分配系數(shù)g2。
在上述式(11)中，將根據(jù)X載物臺30在X方向位置計算出的移動體組件21的繞重心的偏擺方向的慣性力矩J(x)與移動體組件21的重心位于Y1線性電動機(jī)36和Y2線性電動機(jī)38之間的中心時移動體組件21的繞重心的偏擺方向的慣性力矩J0之比，乘以常數(shù)h0，來導(dǎo)出分配系數(shù)h1。并且，分配系數(shù)h2與上述分配系數(shù)-h1相等。
下面敘述分配系數(shù)的計算例。在上述式(13)、(14)中的距離L1(x)、L2(x)和慣性力矩J(x)為線性的情況下，分別用下式(15)～(17)表示。
L1(x)＝αx+L10……………………(15)L2(x)＝-αx+L20……………………(16)J(x)＝bx+J0……………………(17)
將這些式(15)～(17)代入上式(9)～(12)，則為以下式[公式9]g1=-αx+L20L0g0=-αx+g10..................(18)]]>g2=αx+L10L0g0=αx+g20..................(19)]]>h1=bx+J0J0h0=βx+h0..................(20)]]>h2=-bx+J0J0h0=-(βx+h0)..................(21)]]>使用了上式(9)～(12)的系數(shù)α、β、g10、g20、h0的推力退耦塊70如圖5所示。當(dāng)將上式(18)～(21)代入上述式(13)、(14)中時，推力指令值f1、f2的分配用下式表示。
f1＝(-αx+g10)·f*+(βx+h0)·τ…………(22)f2＝(αx+g20)·f*-(βx+h0)·τ…………(23)因此，推力指令值f1、f2根據(jù)式(22)、(23)分配。
這樣，根據(jù)載物臺裝置10，即使由于使X載物臺30移動從而將X載物臺30和Y載物臺18合起來的移動體組件21的重心與Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的驅(qū)動中心(中間位置)不一致的情況下，也可以通過進(jìn)行從下述條件中導(dǎo)出的修正，來抑制Y載物臺18的θ方向(偏擺方向)的旋轉(zhuǎn)角，所述條件為使Y方向的推力所產(chǎn)生的θ方向的力矩(偏擺方向的扭矩)為0的相對2個自由度(Y方向和θ方向)不產(chǎn)生干涉的條件、以及相對于移動體組件21的繞重心的偏擺方向慣性力矩變動的控制回路增益一定條件。因此，能夠使Y載物臺18不受θ方向(偏擺方向)的旋轉(zhuǎn)力的作用，所以能夠以不沿偏擺方向傾斜的狀態(tài)平移驅(qū)動Y載物臺18。
并且，在載物臺裝置10中，由于通過控制系統(tǒng)60使θ控制體系的控制回路增益保持一定，因此無論X載物臺30的移動位置如何，θ控制體系的控制特性都不改變，能夠穩(wěn)定地平移驅(qū)動Y載物臺18。
下面參照圖6～圖8說明用上述推力退耦塊70控制Y1、Y2線性電動機(jī)36、38的推力f1、f2時的實驗結(jié)果。
圖6為在使X載物臺30移動到X方向的右端(例如Y1線性電動機(jī)36一側(cè))的狀態(tài)下使Y載物臺18沿Y方向移動時的實驗結(jié)果。圖6中，曲線IA表示Y載物臺18隨時間的推移在Y方向的移動位置，曲線IIA表示Y載物臺18的θ方向(偏擺方向)的旋轉(zhuǎn)角。
圖7為在X載物臺30移動到X方向的中間位置(Y1線性電動機(jī)36與Y2線性電動機(jī)38的中間)的狀態(tài)下使Y載物臺18沿Y方向移動時的實驗結(jié)果。圖7中，曲線IB表示Y載物臺18隨時間的推移在Y方向的移動位置，曲線IIB表示Y載物臺18的θ方向(偏擺方向)的旋轉(zhuǎn)角。
圖8為在X載物臺30移動到X方向的左端(例如Y2線性電動機(jī)38一側(cè))的狀態(tài)下使Y載物臺18沿Y方向移動時的實驗結(jié)果。圖8中，曲線IC表示Y載物臺18隨時間的推移在Y方向的移動位置，曲線IIC表示Y載物臺18的θ方向(偏擺方向)的旋轉(zhuǎn)角。
根據(jù)圖7、圖8可知，不管X載物臺30的位置如何，Y載物臺18的θ方向(偏擺方向)的旋轉(zhuǎn)角度的變化都極其微小，其變動幅度大約在0.005～-0.005(mrad)，因此能夠通過推力退耦塊70抑制移動體組件21的繞重心的旋轉(zhuǎn)力和X載物臺30的移動位置引起的θ方向(偏擺方向)慣性力矩的變動所產(chǎn)生的影響的狀態(tài)下，平移驅(qū)動Y載物臺18。
工業(yè)實用性并且，雖然上述實施中例舉了平移驅(qū)動載物臺裝置的可動載物臺18時的情況來作為一例，但并不局限于此，只要是結(jié)構(gòu)為控制驅(qū)動移動體的兩端附近的一對驅(qū)動單元的裝置，當(dāng)然也可以用于其他領(lǐng)域(例如加工機(jī)械、半導(dǎo)體制造裝置、測量裝置等構(gòu)成要素即所有定位載物臺機(jī)構(gòu))。
權(quán)利要求
1.一種移動體位置控制裝置，控制用于驅(qū)動被設(shè)置為可沿互相垂直的2個方向中的第1軸方向移動的第1移動體的兩端的第1、第2驅(qū)動單元、以及用于驅(qū)動沿與上述第1軸垂直的第2軸方向移動的第2移動體的第3驅(qū)動單元，使上述第1移動體和上述第2移動體構(gòu)成的移動體組件移動，其特征在于，上述移動體位置控制裝置具備重心位置計算單元，計算與上述第2移動體的移動位置相對應(yīng)的上述移動體組件的重心位置；分配系數(shù)計算單元，計算分配系數(shù)，該分配系數(shù)用于根據(jù)上述重心位置計算單元計算出的重心位置來設(shè)定上述第1驅(qū)動單元的推力與上述第2驅(qū)動單元的推力的分配比；指令值計算單元，將該分配系數(shù)計算單元計算出的分配系數(shù)與上述第1軸方向的位置控制補(bǔ)償器所計算出的第1軸推力目標(biāo)值相乘，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的第1軸推力指令值，使得作用于上述重心的軸周圍的對第1、第2驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向的力矩平衡；慣性力矩計算單元，計算以根據(jù)上述第2移動體的移動位置而變化的移動體組件的重心位置為軸的、旋轉(zhuǎn)方向的慣性力矩；旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元，計算上述重心的軸周圍的第3軸推力指令值，使利用該慣性力矩計算單元計算出的慣性力矩與旋轉(zhuǎn)方向的位置控制補(bǔ)償器的推力的增益之比為一定；驅(qū)動推力指令值計算單元，根據(jù)上述第1軸推力指令值和上述第3軸推力指令值，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值。
2.如權(quán)利要求1所述的移動體位置控制裝置，其特征在于，上述分配系數(shù)計算單元計算上述分配系數(shù)，使由作用于上述移動體組件的重心的軸周圍的旋轉(zhuǎn)方向上的第1驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力與上述第2驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力向相互相反方向作用的2個旋轉(zhuǎn)方向的力的力矩平衡。
3.如權(quán)利要求1所述的移動體位置控制裝置，其特征在于，在設(shè)給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值為f1、f2，沿2軸方向移動的第2移動體的位置的測量值為x，使x＝0時繞移動體的重心的力矩平衡的第1軸平移方向的推力指令的分配比為g10、g20，x變化引起的上述移動體組件的重心與上述第1、第2驅(qū)動單元之間的距離的變化率為α，x＝0時在重心上繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向位置控制回路的推力增益為h0，x變化引起的上述移動體組件的重心點上繞第3軸方向的慣性力矩的變化率為β，第1軸方向的平移方向推力指令值為f*，繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向的推力指令值為τ的情況下，上述驅(qū)動推力指令值計算單元根據(jù)下式分配上述推力指令值f1、f2f1＝(-αx+g10)·f*+(βx+h0)·τf2＝(αx+g20)·f*-(βx+h0)·τ。
4.一種載物臺裝置，具有固定底座；第1載物臺，設(shè)置為可以相對該固定底座沿第1軸方向移動；第2載物臺，設(shè)置為可以在該第1載物臺上沿與上述第1軸方向垂直的第2軸方向移動；第1、第2驅(qū)動單元，配置為相對上述固定底座給上述第1載物臺的兩端附近施加推力；第3驅(qū)動單元，驅(qū)動上述第2載物臺；第1、第2位置檢測器，檢測上述第1載物臺的兩端附近的移動位置；第3位置檢測器，檢測上述第2載物臺的移動位置；控制單元，控制上述第1、第2驅(qū)動單元，使由上述第1載物臺和上述第2載物臺構(gòu)成的移動體組件移動；其特征在于，上述控制單元具有重心位置計算單元，計算與上述第2載物臺的移動位置相對應(yīng)的上述移動體組件的重心位置；分配系數(shù)計算單元，計算分配系數(shù)，該分配系數(shù)用于根據(jù)上述重心位置計算單元計算出的重心位置來設(shè)定上述第1驅(qū)動單元的推力與上述第2驅(qū)動單元的推力的分配比；指令值計算單元，將該分配系數(shù)計算單元計算出的分配系數(shù)與上述第1軸方向的位置控制補(bǔ)償器所計算出的第1軸推力目標(biāo)值相乘，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的第1軸推力指令值，使得作用于上述重心的軸周圍的對第1、第2驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向的力矩平衡；慣性力矩計算單元，計算以根據(jù)上述第2移動體的移動位置而變化的移動體組件的重心位置為軸的、旋轉(zhuǎn)方向的慣性力矩；旋轉(zhuǎn)方向推力計算單元，計算上述重心的軸周圍的第3軸推力指令值，使該慣性力矩計算單元計算出的慣性力矩與旋轉(zhuǎn)方向的位置控制補(bǔ)償器的推力的增益之比為一定；驅(qū)動推力指令值計算單元，根據(jù)上述第1軸推力指令值和上述第3軸推力指令值，計算給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值。
5.如權(quán)利要求4所述的載物臺裝置，其特征在于，上述分配系數(shù)計算單元計算上述分配系數(shù)，使由作用于上述移動體組件的重心的軸周圍的旋轉(zhuǎn)方向上的第1驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力與上述第2驅(qū)動單元的推力所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力向相互相反的方向作用的2個旋轉(zhuǎn)方向的力的力矩平衡。
6.如權(quán)利要求4所述的載物臺裝置，其特征在于，在設(shè)給上述第1、第2驅(qū)動單元的各推力指令值為f1、f2，沿2軸方向移動的第2移動體的位置的測量值為x，使x＝0時繞移動體的重心的力矩平衡的第1軸平移方向的推力指令的分配比為g10、g20，x變化引起的上述移動體組件的重心與上述第1、第2驅(qū)動單元之間的距離的變化率為α，x＝0時在重心上繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向位置控制回路的推力增益為h0，x變化引起的上述移動體組件的重心點上繞第3軸方向的慣性力矩的變化率為β，第1軸方向的平移方向推力指令值為f*，繞第3軸的旋轉(zhuǎn)方向的推力指令值為τ的情況下，上述驅(qū)動推力指令值計算單元根據(jù)下式分配上述推力指令值f1、f2f1＝(-αx+g10)·f*+(βx+h0)·τf2＝(αx+g20)·f*-(βx+h0)·τ。
全文摘要
當(dāng)被輸入由上述Y1線性編碼器(52)、Y2線性編碼器(54)和X線性編碼器(58)檢測到的Y1、Y2、和X方向的位置信號時，載物臺裝置(10)進(jìn)行X、Y、θ坐標(biāo)變換，計算出移動體重心位置，由推力退耦塊(70)根據(jù)移動體重心位置進(jìn)行推力退耦，使Y1、Y2線性電動機(jī)(36、38)的推力(f
文檔編號G05D3/00GK1973250SQ20058001888
公開日2007年5月30日 申請日期2005年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者牧野健一 申請人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會社