專(zhuān)利名稱(chēng)：大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩坐標(biāo)軸定位裝置，特別涉及一種大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置。
背景技術(shù)：
隨著集成電路(IC)制造、微型機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)、精密測(cè)試系統(tǒng)和精密加工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，迫切需要能夠進(jìn)行大運(yùn)動(dòng)范圍、高精度、高速定位的裝置。特別是在IC制造方面，隨著晶片尺寸的增加，12寸及更大尺寸晶片的出現(xiàn)，對(duì)定位范圍、定位速度也提出了更高的要求?，F(xiàn)有的兩坐標(biāo)軸定位裝置包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)；兩套驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠系統(tǒng)，每個(gè)坐標(biāo)軸所驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)采用窄平臺(tái)結(jié)構(gòu)即平臺(tái)寬度＜200mm，其工作原理是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)承載工作臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)是兩坐標(biāo)窄平臺(tái)結(jié)構(gòu)的上平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)，否則運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)水平傾覆狀況，特別是在大負(fù)載下，這種情況更加嚴(yán)重；此外，由于存在運(yùn)動(dòng)形式變換環(huán)節(jié)即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換到直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使得旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠的定位裝置的剛度低、慣量大，運(yùn)動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)彈性變形、間隙、死區(qū)等非線(xiàn)性因素。因此，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲杠的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，定位精度通常僅能達(dá)到微米數(shù)量級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)定位軸裝置，具有大運(yùn)動(dòng)范圍、高速定位、高精度、寬平臺(tái)的特點(diǎn)。
本發(fā)明的大運(yùn)動(dòng)范圍、高精度、高速定位、寬平臺(tái)是指承載工作臺(tái)上任意一點(diǎn)在每個(gè)坐標(biāo)軸方向的有效運(yùn)動(dòng)距離＞400mm；每個(gè)坐標(biāo)軸的重復(fù)定位精度可達(dá)0.1μm數(shù)量級(jí)；坐標(biāo)軸的最大運(yùn)動(dòng)速度＞500mm/秒；下平臺(tái)基座的寬度＞運(yùn)動(dòng)距離+200mm。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括一用于固定整個(gè)平臺(tái)的下平臺(tái)基座(1)，其特征是，下平臺(tái)基座(1)上配置兩平行的下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)，一上平臺(tái)基座(6)通過(guò)下平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝在下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)上；下平臺(tái)基座1上還固定一下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(3)，上平臺(tái)基座(6)底部固定一與下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(3)相配合的下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(7)，下平臺(tái)基座(1)側(cè)面固定一下平臺(tái)光柵尺及支架(5)；在上平臺(tái)基座(6)側(cè)面固定一下平臺(tái)光柵尺讀數(shù)頭(8)；上平臺(tái)基座(6)上配置兩平行的上平臺(tái)平行導(dǎo)軌(9)，其方向與下平臺(tái)平行導(dǎo)軌2成90°正交；一承載工作臺(tái)(11)通過(guò)上平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝在上平臺(tái)平行導(dǎo)軌(9)上；上平臺(tái)基座(6)上固定一上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(10)，在承載工作臺(tái)(11)底部固定一與上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(10)相配合的上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(12)；上平臺(tái)基座(6)側(cè)面固定上平臺(tái)光柵尺及支架(14)；在承載工作臺(tái)(11)側(cè)面固定上平臺(tái)光柵尺讀數(shù)頭(13)。
所說(shuō)的下平臺(tái)基座(1)上固定一下平臺(tái)機(jī)械限位裝置(4)。
所說(shuō)的上平臺(tái)基座(6)上固定上平臺(tái)機(jī)械限位裝置15。
所說(shuō)的下平臺(tái)基座(1)的寬度＞運(yùn)動(dòng)距離+200mm。
所說(shuō)的承載工作臺(tái)(11)上任意一點(diǎn)在每個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)距離＞400mm，每個(gè)坐標(biāo)軸的最大運(yùn)動(dòng)速度為500mm/秒。
本發(fā)明的裝置通過(guò)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子和直線(xiàn)電機(jī)定子相互之間電磁力的作用來(lái)驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)和承載工作臺(tái)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，解決了每一個(gè)坐標(biāo)軸的高速運(yùn)動(dòng)、大范圍運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；采用兩坐標(biāo)寬平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)，解決了兩坐標(biāo)窄平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的上平臺(tái)在大范圍運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的水平傾覆問(wèn)題；采用高精度光柵測(cè)量系統(tǒng)，可以獲得坐標(biāo)軸的高精度定位；采用平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，解決了運(yùn)動(dòng)部件定位、運(yùn)動(dòng)精度及相關(guān)部件的相互位置精度，同時(shí)解決了承受較大的外加載荷問(wèn)題。該大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置具有運(yùn)動(dòng)范圍大、高速定位、定位精度高、承載能力較高等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細(xì)說(shuō)明。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括一用于固定整個(gè)平臺(tái)的下平臺(tái)基座(1)，下平臺(tái)基座(1)上配置兩平行的下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)，一上平臺(tái)基座(6)通過(guò)下平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝在下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)上；下平臺(tái)基座(1)上還固定一下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(3)，上平臺(tái)基座(6)底部固定一與下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(3)相配合的下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(7)，下平臺(tái)基座(1)上固定一下平臺(tái)機(jī)械限位裝置(40)，下平臺(tái)基座(1)側(cè)面固定一下平臺(tái)光柵尺及支架(5)；在上平臺(tái)基座(6)側(cè)面固定一下平臺(tái)光柵尺讀數(shù)頭(8)；上平臺(tái)基座(6)上配置兩平行的上平臺(tái)平行導(dǎo)軌(9)，其方向與下平臺(tái)平行導(dǎo)軌2成90°正交；一承載工作臺(tái)(11)通過(guò)上平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝在上平臺(tái)平行導(dǎo)軌(9)上；上平臺(tái)基座(6)上固定一上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(10)，在承載工作臺(tái)(11)底部固定一與上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(10)相配合的上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(12)；上平臺(tái)基座(6)側(cè)面固定上平臺(tái)光柵尺及支架(14)；上平臺(tái)基座(6)上固定上平臺(tái)機(jī)械限位裝置(15)；在承載工作臺(tái)(11)側(cè)面固定上平臺(tái)光柵尺讀數(shù)頭(13)。
本發(fā)明的工作原理是下平臺(tái)基座(1)通過(guò)螺栓固定在減震平臺(tái)上，通過(guò)下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(7)與定子(3)之間相互電磁力作用，驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)基座(6)沿坐標(biāo)軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；上平臺(tái)基座(6)通過(guò)下平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副在下平臺(tái)平行直線(xiàn)導(dǎo)軌(2)上運(yùn)行，并通過(guò)上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(12)與定子(10)之間相互電磁力作用，驅(qū)動(dòng)承載工作臺(tái)(11)沿坐標(biāo)軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；承載工作臺(tái)(11)通過(guò)上平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副在上平臺(tái)平行直線(xiàn)導(dǎo)軌(9)上運(yùn)行，其運(yùn)行方向與上平臺(tái)基座(6)運(yùn)行方向成90°正交；下平臺(tái)光柵尺測(cè)量上平臺(tái)基座直線(xiàn)運(yùn)行位置，上平臺(tái)光柵尺測(cè)量承載工作臺(tái)直線(xiàn)運(yùn)行位置，這兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)提供給控制系統(tǒng)，并通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制上平臺(tái)基座(6)和承載工作臺(tái)(11)的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橹本€(xiàn)電機(jī)是一種高剛度、無(wú)行程間隙、高動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)動(dòng)平滑，而且不經(jīng)過(guò)中間傳動(dòng)系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以使上、下平臺(tái)獲得高速運(yùn)動(dòng)能力；上、下平臺(tái)都由寬平臺(tái)構(gòu)成，并由平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌支撐，由此可以保證上平臺(tái)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的傾翻問(wèn)題；通過(guò)分辨率為20納米的高精度光柵尺進(jìn)行上平臺(tái)基座(6)及承載工作臺(tái)(11)的運(yùn)行位置的測(cè)量，保證裝置的定位精度，從而獲得穩(wěn)定的大范圍運(yùn)動(dòng)、高速度、高精度定位能力。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明提供以下一個(gè)實(shí)施例，其主要技術(shù)參數(shù)如下定位精度上平臺(tái)基座(6)的重復(fù)定位精度為0.5μm，承載工作臺(tái)(11)的重復(fù)定位精度為0.1μm；高精度光柵尺分辨率20nm；最大行程上平臺(tái)基座(6)和承載工作臺(tái)(11)的最大行程為550mm；最大運(yùn)行速度上平臺(tái)基座(6)和承載工作臺(tái)11為500mm/秒。
權(quán)利要求
1.大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置，包括一用于固定整個(gè)平臺(tái)的下平臺(tái)基座(1)，其特征是，下平臺(tái)基座(1)上配置兩平行的下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)，一上平臺(tái)基座(6)通過(guò)下平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝在下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)上；下平臺(tái)基座(1)上還固定一下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(3)，上平臺(tái)基座(6)底部固定一與下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(3)相配合的下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(7)，下平臺(tái)基座(1)側(cè)面固定一下平臺(tái)光柵尺及支架(5)；在上平臺(tái)基座(6)側(cè)面固定一下平臺(tái)光柵尺讀數(shù)頭(8)；上平臺(tái)基座(6)上配置兩平行的上平臺(tái)平行導(dǎo)軌(9)，其方向與下平臺(tái)平行導(dǎo)軌(2)成90°正交；一承載工作臺(tái)(11)通過(guò)上平臺(tái)平行直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝在上平臺(tái)平行導(dǎo)軌(9)上；上平臺(tái)基座(6)上固定一上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(10)，在承載工作臺(tái)(11)底部固定一與上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子(10)相配合的上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子(12)；上平臺(tái)基座(6)側(cè)面固定上平臺(tái)光柵尺及支架(14)；在承載工作臺(tái)(11)側(cè)面固定上平臺(tái)光柵尺讀數(shù)頭(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置，其特征是，所說(shuō)的下平臺(tái)基座(1)上固定一下平臺(tái)機(jī)械限位裝置(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置，其特征是，所說(shuō)的上平臺(tái)基座(6)上固定上平臺(tái)機(jī)械限位裝置(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置，其特征是，所說(shuō)的下平臺(tái)基座(1)的寬度＞運(yùn)動(dòng)距離+200mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置，其特征是，所說(shuō)的承載工作臺(tái)(11)上任意一點(diǎn)在每個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)距離＞400mm，每個(gè)坐標(biāo)軸的最大運(yùn)動(dòng)速度為500mm/秒。
全文摘要
大運(yùn)動(dòng)范圍高速精密兩坐標(biāo)軸定位裝置，包括一下平臺(tái)基座，下平臺(tái)基座上配置一上平臺(tái)基座；下平臺(tái)基座上還固定一下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子，上平臺(tái)基座底部固定一與下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子相配合的下平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子，上平臺(tái)基座上配置與上平臺(tái)基座的運(yùn)動(dòng)方向成90°正交的承載工作臺(tái)；上平臺(tái)基座上固定一上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子，在承載工作臺(tái)底部固定一與上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)定子相配合的上平臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子，在上、下平臺(tái)基座側(cè)面均固定有光柵尺及相應(yīng)的光柵尺讀數(shù)頭；通過(guò)直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子和直線(xiàn)電機(jī)定子相互之間電磁力的作用來(lái)驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)和承載工作臺(tái)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，具有大運(yùn)動(dòng)范圍、高速定位、高精度、寬平臺(tái)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK1963374SQ20061010498
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者楊川, 曹衛(wèi)峰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)