专利名称：全光电式磁浮工件台六维位姿测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械电子技术领域的系统，具体是一种全光电式磁浮工件台
六维位姿测量系统。
背景技术：
磁浮平面工作台是一种通过电磁力直接驱动的XY工作台，因不含机械传动链，其 具有近零摩擦、高响应、高精度的优点。从刚体运动学的角度，磁浮平面工作台的功能可描 述为其所包含的工件台在电磁力的作用下，既能在XY平面上以一定的精度跟踪给定轨 迹，也能在非运动自由度方向(包括偏航方向、纵倾方向、横倾方向和Z方向)上保持微小 范围内的波动。 磁浮平面工作台上述功能的实现离不开位姿测控系统的作用，位姿测控系统由六 维位姿测量系统和位姿控制器两部分构成。其中六维位姿测量系统实现对工件台X向、Y 向宏动方向坐标的测量和其他微动方向广义坐标的测量，是基础性的环节，其测量范围、测 量角度、测量速度直接影响整个控制系统的性能指标。 经对现有文献检索发现，美国麻省理工学院的Kim在其1997年完成的博士毕业论 文《High-precision planar magnetic levitation (高精度平面磁悬浮台)》中建立了一种 磁浮平面工作台位姿测量系统，该系统包含一台多轴激光干涉测量仪和一个由3个电容传 感器构成的传感器组。但是该技术中1)激光干涉仪光路长，使得测量系统所占面积较大； 2)受到安装于工件台上直角反射镜长度的限止，其测量范围较小，一般小于工件台的平面 尺寸；3)电容传感器是一种模拟式电学传感器，更容易受到磁浮工作台中固有的交变电磁 场的干扰。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种全光电式磁浮工件台六 维位姿测量系统。本发明通过使用图像位移传感器和激光位移传感器替代激光干涉仪和电 容传感器，实现了结构紧凑、大测量范围、强抗电磁干扰能力的功能。
本发明是通过以下技术方案实现的 本发明包括磁浮工件台、传感器组和六维坐标导出单元，其中传感器组固定于 磁浮工件台上，传感器组的输入端随磁浮工件台移动以采集磁浮工件台的位移方向和距离 信息，传感器组的输出端与六维坐标导出单元相连传输磁浮工件台的位移方向和距离信 息，六维坐标导出单元输出磁浮工件台的六维位姿信息。 所述的传感器组包括两个微图像位移传感器和三个激光位移传感器，其中每 个微图像位移传感器和每个激光位移传感器分别固定于磁浮工件台上，每个微图像位移传 感器的输入端和每个激光位移传感器的输入端分别采集其所在点的位移方向和距离信息， 每个微图像位移传感器的输出端和每个激光位移传感器的输出端分别与六维坐标导出单 元相连传输磁浮工件台的位移方向和距离信息。
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所述的微图像位移传感器包括发光器件、两个光学透镜、数字微成像器和数字接 口电路，其中第一光学透镜位于发光器件正前方，第一光学透镜和发光器件的光轴重合， 第二光学透镜位于数字微成像器输入端正前方，第二光学透镜和数字微成像器的光轴重 合，第一光学透镜透射出的光束反射后射入第二光学透镜，数字微成像器与数字接口电路 相连传输磁浮工件台的位移方向和距离信息，数字接口电路与六维坐标导出单元相连传输 磁浮工件台的位移方向和距离信息。 所述的六维坐标导出单元包括数字信号处理芯片和两个单片机，其中每个微 图像位移传感器分别与第一单片机相连传输每个微图像位移传感器所在点的位移方向和 距离信息，第一单片机与第二单片机相连传输每个微图像位移传感器所在点的位移方向和 距离信息，每个激光位移传感器分别与第二单片机相连传输每个激光位移传感器所在点的 位移方向和距离信息，第二单片机与数字信号处理芯片相连传输每个微图像位移传感器和 每个激光位移传感器所在点的位移方向和距离信息，数字信号处理芯片输出磁浮工件台的 六维位姿信息。 所述的第二单片机是高性能模拟信号处理单片机。 与现有技术相比，本发明的有益效果是1)所采用的光电传感器体积小，无长距 离光路，系统整体尺寸小、结构紧凑；2)相比于激光干涉仪测量方式，无需高光洁度的L型 反射镜头，其测量范围大大拓展；3)采用全光电式传感器，避免使用电容传感器等模拟电 学传感器，其抗电磁干扰能力得以增强。


图1是本发明的系统结构框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。
实施例 如图1所示，本实施例包括磁浮工件台1、传感器组2和六维坐标导出单元3，其 中传感器组2固定于磁浮工件台l上，传感器组2的输入端随磁浮工件台1自由移动以采 集磁浮工件台1的位移方向和距离信息，传感器组2的输出端与六维坐标导出单元3相连 传输磁浮工件台1的位移方向和距离信息，六维坐标导出单元3输出磁浮工件台1的六维 位姿信息。 所述的传感器组2包括两个微图像位移传感器和三个激光位移传感器，其中第 一微图像位移传感器4、第二微图像位移传感器5、第一激光位移传感器6、第二激光位移传 感器7和第三激光位移传感器8分别固定于磁浮工件台1上，每个微图像位移传感器的输 入端和每个激光位移传感器的输入端分别采集其所在点的位移方向和距离信息，每个微图 像位移传感器的输出端和每个激光位移传感器的输出端分别与六维坐标导出单元3相连 传输磁浮工件台1的位移方向和距离信息。 所述激光位移传感器是基恩士 (Keyence)生产的LK_G系列激光位移传感器。
所述的微图像位移传感器包括发光器件、两个光学透镜、数字微成像器和数字接 口电路，其中第一光学透镜位于发光器件正前方，第一光学透镜和发光器件的光轴重合， 第二光学透镜位于数字微成像器输入端正前方，第二光学透镜和数字微成像器的光轴重 合，第一光学透镜透射出的光束反射后射入第二光学透镜，数字微成像器与数字接口电路 相连传输磁浮工件台的位移方向和距离信息，数字接口电路与六维坐标导出单元相连传输 磁浮工件台的位移方向和距离信息。
所述的发光器件是发光二极管，或者是激光器。 所述的数字微成像器是安捷伦(Agilent)出产的ADNS_2051，或者是罗技出产的 MX光学感应器。 所述的数字接口电路是原相科技(PixArt)公司的A2601芯片。 所述的六维坐标导出单元3包括数字信号处理芯片9和两个单片机，其中每个 微图像位移传感器分别与第一单片机10相连传输每个微图像位移传感器所在点的位移方 向和距离信息，第一单片机10与第二单片机11相连传输每个微图像位移传感器所在点的 位移方向和距离信息，每个激光位移传感器分别与第二单片11机相连传输每个激光位移 传感器所在点的位移方向和距离信息，第二单片机11与数字信号处理芯片9相连传输每个 微图像位移传感器和每个激光位移传感器所在点的位移方向和距离信息，数字信号处理芯 片9输出磁浮工件台1的六维位姿信息。 所述的数字信号处理芯片9是德州仪器公司的TMS320C2000数字处理芯片。 所述的第一单片机10采用英特尔公司生产的MSC-51系列单片机。 所述的第二单片机11是高性能模拟信号处理单片机，本实施例采用德州仪器公
司生产的MSC1210单片机。 本实施例的工作过程通过两个图像位移传感器和三个激光位移传感器对磁浮工 件台1的位移方向和距离进行测量；六维坐标导出单元3根据两个微图像位移传感器和三 个激光位移传感器得到的磁浮工件台1的位移方向和距离信息，分析得到磁浮工件台1的
六维姿态坐标(x，y，z， v， e ，小)，其中v是偏航姿态角，e是纵倾姿态角，小是横倾姿态角。 本实施例的优点1)采用的光电传感器体积小，无长距离光路，其整体尺寸小、结 构紧凑；2)相比于激光干涉仪测量方式，无需高光洁度的L型反射镜头，其测量范围大大拓 展；3)采用全光电式传感器，避免使用电容传感器等模拟电学传感器，其抗电磁干扰能力 得以增强。
权利要求
一种全光电式磁浮工件台六维位姿测量系统，包括磁浮工件台、传感器组，其特征在于，还包括六维坐标导出单元，其中传感器组固定于磁浮工件台上，传感器组的输入端随磁浮工件台移动以采集磁浮工件台的位移方向和距离信息，传感器组的输出端与六维坐标导出单元相连传输磁浮工件台的位移方向和距离信息，六维坐标导出单元输出磁浮工件台的六维位姿信息；所述的六维坐标导出单元包括数字信号处理芯片和两个单片机，其中每个微图像位移传感器分别与第一单片机相连传输每个微图像位移传感器所在点的位移方向和距离信息，第一单片机与第二单片机相连传输每个微图像位移传感器所在点的位移方向和距离信息，每个激光位移传感器分别与第二单片机相连传输每个激光位移传感器所在点的位移方向和距离信息，第二单片机与数字信号处理芯片相连传输每个微图像位移传感器和每个激光位移传感器所在点的位移方向和距离信息，数字信号处理芯片输出磁浮工件台的六维位姿信息。
2. 根据权利要求1所述的全光电式磁浮工件台六维位姿测量系统，其特征是，所述的 微图像位移传感器包括发光器件、两个光学透镜、数字微成像器和数字接口电路，其中 第一光学透镜位于发光器件正前方，第一光学透镜和发光器件的光轴重合，第二光学透镜 位于数字微成像器输入端正前方，第二光学透镜和数字微成像器的光轴重合，第一光学透 镜透射出的光束反射后射入第二光学透镜，数字微成像器与数字接口电路相连传输磁浮工 件台的位移方向和距离信息，数字接口电路与六维坐标导出单元相连传输磁浮工件台的位 移方向和距离信息。
3. 根据权利要求1所述的全光电式磁浮工件台六维位姿测量系统，其特征是，所述的 第二单片机是高性能模拟信号处理单片机。
4. 根据权利要求1所述的全光电式磁浮工件台六维位姿测量系统，其特征是，所述的 传感器组包括两个微图像位移传感器和三个激光位移传感器，其中每个微图像位移传 感器和每个激光位移传感器分别固定于磁浮工件台上，每个微图像位移传感器的输入端和 每个激光位移传感器的输入端分别采集其所在点的位移方向和距离信息，每个微图像位移 传感器的输出端和每个激光位移传感器的输出端分别与六维坐标导出单元相连传输磁浮 工件台的位移方向和距离信息。
全文摘要
本发明公开了一种机械电子技术领域的全光电式磁浮工件台六维位姿测量系统，包括磁浮工件台、传感器组和六维坐标导出单元，其中传感器组固定于磁浮工件台上，传感器组的输入端随磁浮工件台自由移动以采集磁浮工件台位移方向和距离信息，传感器组的输出端与六维坐标导出单元相连传输磁浮工件台位移方向和距离信息，六维坐标导出单元输出磁浮工件台的六维位姿信息；所述的传感器组包括两个微图像位移传感器和三个激光位移传感器。本发明应用于制造设备与机器人领域，系统整体尺寸小、结构紧凑；测量范围大大拓展；采用全光电式传感器，其抗电磁干扰能力得以增强。
文档编号G01B11/00GK101738163SQ20091031164
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者冯磊, 曹家勇, 朱文, 王石刚, 董汉成 申请人:上海交通大学