基于直线电机和光栅测量系统的精确定位平台设计

摘要：针对工件台易受到微小震动而引起图像偏差的问题，对工件台定位平台的结构进行了优化设计，同时改进了工作台的调节方式，对今后光刻机工件台的研究与改进具有良好的借鉴意义。

关键词：光刻机；定位台；三轴联动0 引言本文针对光刻机自动修改定位存在误差的问题，以光刻机工件台定位平台为研究对象，以接触式光刻理论、1:1全反射投影光刻技术、反射投影技术、电子光刻技术等作为理论与技术支撑，在此基础上完成了光刻机工件台定位平台的结构设计。

结合测量反馈系统，本设计主要完成了对光刻机普通定位平台的优化，优化部件及定位部件的设计、组装；文件格式的转换和零件与定位部件实体逻辑位置的装配。

同时从精度、运动方式等方面，将本文设计的光刻机工件台定位平台与市面上成熟的产品进行比较，完成了定位平台的结构三维图设计。

1 基本理论根据对各定位理论的归纳与了解可知，光刻机定位精度取决于光刻机中的像差和层之间的配准精度，基于此，本设计根据要求改善了定位部件的设计、组装以及零件与定位部件的装配，完成了定位平台的三维结构设计以及六自由度平台结构设计，再通过计算机图形技术和3D仿真设计、3D仿真平台，得到定位部件的最优设计方案。

2 定位平台的三维结构设计2.1 定位平台的“331”原则2.1.1 “331”原则“33l”原则内容如下：（1）设置三维测量系统的X、Y、Z轴标准尺寸线或其延长线相互垂直并相交于一交点上，以这三轴测量线为基准建立三维坐标系。

（2）设置测量系统中测量平台的X轴导轨导向面、Y轴导轨导向面与X、Y轴标准尺寸线所构成的测量面重合，从而建立两个运动面与一个测量面这三面共面的测量平台。

（3）设置测头中心点与三条标准尺寸线或其延长线的交点重合。

完成上述工作后，锁定三轴标尺与测头的相对位置，建立三维测量系统。

2.1.2 总体结构设计方案定位平台整体结构布局示意图如图1所示，设置X轴驱动系统和X 向测量系统与X向工作台固定，Y轴驱动系统和Y向测量系统与Y向工作台固定，并通过Y向导轨与X向工作台连接，Z向工作台通过Z向导轨与Y向工作台连接，且Z向工作台与水平面相互垂直。

XX大学本科毕业论文（设计、创作）题目：基于直流电机的精准定位系统设计学生姓名：学号：院（系）：电子信息工程学院专业：电子信息工程入学时刻：二00八年九月导师姓名：职称/学位：导师所在单位：完成时刻：二0一二年五月基于直流电机的精准定位系统设计摘要为达到某医疗操纵系统平安、快速、精准定位的技术要求，并保证系统的稳固和靠得住性，专门采纳内部资源丰硕的MSP430F149为主控芯片，配合利用高性能带有光电编码器的直流电机。

从数字式直流电机定位系统的数学模型动身，选取电流，和电机转速作为反馈信号，采纳PWM调制作为系统的输出信号，操纵电机的转速，形成一个双闭环反馈直流脉宽调速系统。

并以工程操纵中普遍应用的PI算法作为系统的核心操纵方案，从而实现系统的高速，精准定位。

关键字：MSP430F149；直流电机；光电编码器；PWM ；PI操纵Design of precise Positing system Based on DC motorAbstractIn order to keep an medical control system operating safely,fastly, position accurately, and ensure the stability and reliability , we specifically use the internal resources MSP430F149 as the main chip, in conjunction with high-performance DC motor with optical encoder. Base on the mathematical model of the digital dc motor positioning system, we choose the current and the motor speed as feedback signals, using the PWM as the system output signal, forming a double closed loop feedback speed regulation system to control the motor speed. In order to realize the system of thigh speed and accurate location, we use the extensive application in project —the PI algorithm as the Core control theory.Keywords: MSP430F149 ;DC motor; PI ;Double closed loop目录1 引言 (1)1.1 开发背景 (1)1.2 选题的目的与意义 (1)2 系统的设计方式研究 (2)2.1 执行电机的选择 (2)2.1.1 伺服电机 (3)2.1.2 步进电机 (4)2.1.3 综述 (5)2.2 位置和速度传感器的选择 (6)2.2.1 光电编码器 (6)2.2.2 霍耳式传感器 (8)2.3 直流定位系统的数学模型分析 (8)2.3.1 直流电机调速方式概述 (8)2.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统 (10)3 硬件电路设计 (13)3.1 直流电机精准定位系统整体方案设计 (13)3.2 MSP430F149单片机系统 (13)3.3 隔离与驱动电路 (14)3.3.1 隔离单元模块 (14)3.3.2 电机驱动模块 (15)3.3.3 过流爱惜模块 (16)3.4 反馈电路 (17)3.4.1 速度检测电路 (17)3.4.2 电流反馈电路 (18)4 操纵软件设计 (18)4.1 整体程序模块 (18)4.2 操纵算法模块 (19)5 终止语 (20)要紧参考文献 (21)致谢 (22)引言1.1 开发背景现代工业生产中，电动机是要紧的操纵执行部件，目前在直流电机拖动系统中已大量采纳晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度进展，促使直流电机调速慢慢由模拟化向数字化转变，专门是运动操纵芯片的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的时期，智能化、高靠得住性已成为它进展的趋势。

精密工作台的光栅定位测量和控制系统的设计目录1国内外现状 (1)1.1光栅检测的历史 (1)1.2当今采用的原理和产品 (2)2系统总体方案设计 (3)2.1方案构思 (3)2.2运动范围和精度的实现 (4)3测量系统设计 (7)3.1测量方案 (7)3.2光栅传感器 (7)3.3信号的辨向细分 (9)4控制系统设计 (13)4.1控制系统总体方案 (13)4.2执行元件 (14)4.3控制装置 (14)5测控电路 (16)6展望和总结 (18)7参考文献 (20)1.国内外现状1.1 光栅检测的历史从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。

它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。

由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。

光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级测量速度从60m／min到480m ／min，测量长度从1m、3m达到30m和100m。

[1]计量光栅技术的基础是莫尔条纹(Moire fringes)，1874年由英国物理学家L．Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。

1950年德Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。

1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。

基于光栅传感器位移测量系统设计
梁应选;王楠;张昌明
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2022(35)1
【摘要】针对高速、高精度数据采集的实际需求,开发了基于主、从单片机及PC
上位机组成的线性位移测量系统。

提出了从单片机完成数据采集、从单片机与主单片机采用并行数据传输、主单片机对采集数据显示及向上位机PC串口发送数据硬件实施方案。

软件上把读数头输出的信号(脉冲电信号)采用软件细分、辨向、计数、信号处理等环节,最终转换成实际的线性位移值显示出来,并传至PC上位机进行存储、显示等软件编程思路。

采用主、从式硬件结构,目的在于避免数据显示、处理
等其它任务对采样速度的影响及采集数据的丢失现象,提高了系统数据采集的实时性。

【总页数】4页(P85-88)
【作者】梁应选;王楠;张昌明
【作者单位】陕西理工大学机械工程学院;陕西省工业自动化重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH70;TP368.1
【相关文献】
1.基于USB总线的光栅位移传感器检测系统设计
2.基于新型光栅传感器的微位移
测量3.基于光栅尺位移传感器的液晶玻璃基板在线厚度测量系统设计4.基于PCI
总线的光栅传感器位移测量系统设计与实现5.基于光栅传感器的高精密直线位移测量及误差分析
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智能处理与应用Intelligent Processing and Application500 引言1952年世界上第一台数控铣床诞生[1]，当时由晶体管电路组成的控制系统体积庞大，随着大规模集成电路的发展，数控系统向集约化、小型化发展，数控技术也日趋完善。

数控系统经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、微计算机数控（MNC）、柔性制造系统（FMS）和分布式数控系统（DCNC）等阶段，现在正向互联网数控系统方向发展[2-3]。

虽然数控系统的技术和功能发展日趋完善，但由于系统封闭性的特点使得系统无法满足部分用户的特殊性要求，数控系统制造商出于保密原因，一般不对用户开放底层代码，用户无法进行二次开发，因此个性化加工机床很难基于常规的封闭式数控系统开发，开放式数控应运而生。

基于PC和运动控制卡的开放式数控系统能充分地利用计算机软硬件资源，可使用通用的高级语言方便地编辑具有用户特性的应用程序，可将标准化的外设、应用软件进行灵活组合和使用，同时也便于实现网络化[4]。

开放式数控系统由于其功能配置和编程灵活性、加工工艺专业性、用户易操作等特点，应用广泛。

移动部件的直线运动精密控制是影响开放式数控机床性能的主要技术之一，本文针对滚珠丝杠螺母副运动平台，采用伺服电机、运动控制卡和光栅尺组成的控制系统，通过Visual Studio C#编程实现滑台的直线运动闭环控制，为进一步开发开放式数控机床提供了技术支撑。

1 滚珠丝杠螺母副直线运动平台丝杠螺母副直线运动平台是数控机床中实现直线运动的主要机械部件，图1所示为典型的滚珠丝杠螺母副直线运动平台，由于滚珠丝杠摩擦阻力小、传动精度高而被广泛采用。

图1 滚珠丝杠螺母副直线运动平台直线运动平台由基础座、水平调整螺钉、直线圆导轨、导轨滑块、联轴器、滚珠丝杆、丝杆螺母、轴承座、移动平台、伺服电机、伺服驱动器、光栅、磁栅、编码器、运动控制卡、计算机、显示屏、电气控制箱等组成。

直线电机模组定位相关知识解析直线电机模组在直线运动类产品中是非常经典的一个系列，一般将直线电机模组简称为直线电机，在工业自动化机械和设备中的应用比较常见。

在直线电机模组的使用过程中，需要特别注意的就是对电机运动精度的定位与测量，接下来就将对这方面的知识做一些简单分享。

1直线电机模组的定位原理直线电机模组在运行过程中的精度依赖于一个关键设备一一光栅尺。

光栅尺对于直线电机模组相当于编码器对于伺服电机的意义，前者可以有效检测出直线电机模组的直线位移和角度位移，从而实现对直线电机模组运动精度和定位精度的控制。

从整体出发，直线电机模组和光栅尺共同决定了整个直线运动系统的定位精度的高低。

实际上光栅尺又被叫做线性光栅编码器，是一种比较特殊的位置传感器和速度传感器。

与其对应的还有圆形光栅编码器，这两类不同的编码器分别适用于不同的直线电机模组，在选用时需要综合考虑分辨率、运行速率、工作精度等多种因素并选择合适的光栅编码器。

正常情况下，光栅尺常被应用于伺服电机系统中。

常见的光栅尺分为两种，分别是金属光栅尺和玻璃光栅尺。

光栅尺的使用也并不是特别复杂，先将其安装在设备的运动部件之上，再依次将光源、透镜、光敏元件等零件完成安装即可。

2.直线电机模组的定位步骤1）首先在直线电机模组平台上放置一个标准直尺，使用指示器在移动范围内缓慢移动内部滑块，指示器的读数差即为需要记录的测量值。

2）直线电机模组的运动行程作为基准长度，也可以用距离基准位置的实际移动距离和指示器读数差之间的误差值来表示。

3）直线电机模组开始运行后，需要在同一方向上对模组行程内的任意一点进行多次重复定位。

通过其停止位置与仪表读数之间的误差值来确定直线电机模组的定位精度。

4）最后在直线电机模组正常工作时向运动的同一方向施加一定的负荷，经过测试后将初始值与施加载荷后返回的测量值进行对比，这两个数值之间的差值就可以看作最终的直线电机模组的定位精度测定值。

怡合达直线电机模组:。

机电一体化精确定位装置及其控制系统设计与实现发布时间：2021-01-19T03:28:14.210Z 来源：《新型城镇化》2020年20期作者：卢强[导读] 机电一体化最早是由日本人提出的，包含了机械学和电子学的内容，机电一体化是一种创新的学术思想和技术形式，强调机械与电子技术的有机结合，含义较为广泛。

中联西北工程设计研究院有限公司陕西西安摘要：机电一体化技术是确保机电平台平稳运行的重要技术，目前在各领域中的应用较为广泛。

现阶段机电已经成为全球技术开发的重点区域，机电钻井系统是勘探能源信息，我国之前采用的控制技术都是进口自国外，不符合我国部分的实际情况，因此，要创新机电一体化技术在平台钻井系统的应用方式，进而确保钻井系统的科学运行。

机电钻井系统包括很多部分，如升降式钻井平台、起重系统、动力定位系统，多台设备的运行是一个重要问题，采用机电一体化技术可以实现系统的正常运行。

关键词：机电一体化；精确定位装置；控制系统；设计与实现1.机电一体化的概念和发展机电一体化最早是由日本人提出的，包含了机械学和电子学的内容，机电一体化是一种创新的学术思想和技术形式，强调机械与电子技术的有机结合，含义较为广泛。

例如：机电一体化系统按其运动是否具有可控制性可以分为两大类：刚性机械系统和柔性机械系统。

刚性机械系统是指由机械装置与装置独立组合，只有简单的开、关、正反转、停止等控制要求的机械系统。

柔性机械系统通常指那些需借助或控制电路，通过计算机按位置、位移、速度、压力、温度等实施智能化控制的机械系统。

典型的如、机器人都属于这类机械系统。

图 1 示出了机械系统的演变过程：图ａ为典型的刚性机械系统；图ｂ为改进的刚性机械系统，其特点是以电子控制的控速取代了机械变速装置；图ｃ由于采用了伺服电动机和伺服控制系统，实现了机械系统运动的可控性，使系统成为了柔性机械系统；图ｄ为直接驱动式的柔性机械系统，由于该系统中省去了传动机构，大大提高了系统的运动精度，其应用日益广泛。

直线电机光栅尺节距-回复直线电机光栅尺节距是指直线电机系统中光栅尺与电机结构之间的距离。

在直线电机中，光栅尺被用作测量系统，用于实时监测电机位置和运动状态。

了解光栅尺节距对于直线电机系统的精度和稳定性非常重要。

在本文中，我们将一步一步回答关于直线电机光栅尺节距的问题，帮助读者更好地理解和实践。

第一步：了解直线电机和光栅尺的基本原理直线电机是一种能够直接将电能转换为直线运动的设备，它由定子和移动子构成。

定子上有一组线圈，通过电流变化在移动子上产生磁场，进而实现直线运动。

光栅尺是一种用于测量运动位置的装置，它由光源和光电探测器组成。

光源会发射光线，并通过光栅尺上的刻线，产生光信号。

光电探测器可以接收到这些光信号，并将其转换为电信号进行进一步处理。

第二步：理解光栅尺节距的概念和重要性光栅尺节距是指光栅尺与直线电机结构之间的距离。

它对于直线电机系统的精度和稳定性具有重要影响。

如果光栅尺节距不准确或不稳定，会导致测量结果的误差，从而影响直线电机系统的性能。

因此，准确地了解和控制光栅尺节距至关重要。

第三步：确定光栅尺节距的测量方法在实践中，有多种方法可以测量光栅尺节距。

一种常见的方法是采用导轨、测微计或卡尺等工具，通过直接测量光栅尺与电机结构之间的距离来获取节距值。

另一种方法是通过运动控制系统，使用编码器等设备进行测量和校准。

第四步：进行光栅尺节距的调整和校准一旦获取了光栅尺节距的测量结果，就需要对其进行调整和校准，以确保其准确性和稳定性。

调整光栅尺节距的方法通常涉及对电机结构的微小调整，例如调整导轨位置或改变安装孔位。

校准光栅尺节距的方法则需要使用特定的工具和设备，例如运动控制系统和校准程序。

第五步：实时监测和维护光栅尺节距一旦光栅尺节距被调整和校准，就需要进行实时的监测和维护，以保持系统的稳定性和精度。

这可以通过定期检查和测试光栅尺节距来实现。

如果发现光栅尺节距存在问题，需要及时采取措施进行调整和校准。

直线电动机驱动的直线导轨副综合测试平台的设计与实现曹鹏杰;伍金顺【期刊名称】《金属加工：冷加工》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】3页(P49-51)【作者】曹鹏杰;伍金顺【作者单位】广东高新凯特精密机械股份有限公司江门529100;广东高新凯特精密机械股份有限公司江门529100【正文语种】中文1.综合测试平台的设计背景不同的使用环境对直线导轨副的高速性、平稳性、低噪声等各项性能的要求越来越高。

为了应对这种状况，提升本公司产品品质，开拓高端市场，公司决定开发一种由直线电动机驱动的直线导轨副综合测试平台，采用U形直线电动机驱动测试导轨副，实现被测试导轨副的高速、高加速度、高频往复等极限运动。

本测试平台上设置有温度传感器、加速度计、测声计等多种测试设备。

通过本平台可测量导轨副各种极限运行状态下的噪声、振动、温升、寿命等综合运动性能，通过测量数据的分析能更好地指导产品设计与研发。

2.综合测试平台的设计方案与关键技术（1）设计方案本综合测试平台的结构简单实用，被测导轨副安装在U形直线电动机一旁，在电动机的带动下作直线往复运动，配上测量仪器就可在线测量导轨副运动状态下的综合情况。

能够测试25、30、35、45、55、65六种型号24种规格产品；选用的U形直线电动机的峰值推力3 000N，持续推力750N；当负载为100kg时，加速度可达3m/s2，速度可达180m/min，测试行程设计为2m；可在线测量导轨副在高速运行状态下的噪声、振动、温升以及在高频往复极限运动情况下的寿命。

直线导轨副综合测试平台主要由三部分组成，机械部分、计算机控制系统和测试分析软件。

整个系统主要由测量部分(包括各种传感器和直线电动机) 、机械部分、计算机等部分组成。

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图（2）设计难点与关键技术本次综合测试平台的硬件部分设计由于采用了直线电动机驱动，大大地简化了机械部分，各种传感器的位置排布也比较宽松，各种硬件设备的选购及组装都相对比较容易。

ACS控制器在超精密定位系统中的应用肖勇，葛晓宇，逄玉俊（沈阳化工大学信息工程学院，辽宁 110142Email: xiaoyong@）摘要：超精密定位系统是现代科技与工业发展的核心技术之一，长期以来受科研及高科技产业迅速发展的推动，对其运动控制技术的需求迅速增长，比如超精密加工，微/纳米制造，包装等。

除需要达到超精密的定位精度外，还要求各运动轴在定位过程中严格按照既定的轨迹协同运动。

本文首先设计了X-Y定位平台。

然后，根据运动控制的需求，采用ACS控制器模块化方案，通过合理的系统配置和调试策略，实现了位置和速度的精确控制，以满足不断发展的多自由度，多约束加工和制造要求，进一步提高生产力，降低制造成本，增强企业的市场竞争力。

关键词：定位系统；ACS控制器；超精密1.引言在现代机械制造中，多轴运动控制已经越来越普遍，用电子方式来实现机械运动轴之间协调同步，取代了传统的机械凸轮和齿轮，给机械设计制造带来了巨大的灵活性，控制精度更高，动态性能更好，没有机械损耗，使维护变得方便而简单[1, 2]。

用户可以实现更加灵活的，模块化的机械结构。

与此同时，超精密运动控制技术是集控制技术，电子技术，数字技术，传感技术，驱动技术，测量技术及精密机械技术于一体的一门综合技术，是现代科技与工业发展的核心技术之一,长期以来受科研及高科技产业迅速发展的推动，对超精密运动控制技术的需求迅速增长。

目前，此技术已经被工业界所采用，比如超精密加工，微/纳米制造，包装等[3-6]。

除了需要达到高精度的跟踪误差外，还要求各轴在运动过程中按照既定的轨迹协同动作，以减少轴间的同步误差，提高系统的运动稳定性[7]。

比如X-Y绘图仪，为了绘制准确的二维图形，在X和Y方向上的运动就必须保持高度同步。

如果X轴在启动和停止时滞后于Y轴，其绘制的45度斜线将发生变形，如图1右所示。

图1 绘图仪绘制45度斜线然而，由于系统制造误差，负荷差异，摩擦力和其他干扰的存在，各运动轴的动态响应特性可能不一，所以在特定的领域如何减少同步误差是近二十年来学术界研究的热点之一[8]。