專利名稱：大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩坐標軸定位裝置，特別涉及一種大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置。
背景技術(shù)：
隨著集成電路(IC)制造、微型機械電子系統(tǒng)(MEMS)、精密測試系統(tǒng)和精密加工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，迫切需要能夠進行大運動范圍、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)，對定位范圍、定位速度也提出了更高的要求。現(xiàn)有的兩坐標軸定位裝置包括兩個旋轉(zhuǎn)電機；兩套驅(qū)動滾珠絲杠系統(tǒng)，每個坐標軸所驅(qū)動的平臺采用窄平臺結(jié)構(gòu)即平臺寬度＜200mm，其工作原理是由旋轉(zhuǎn)電機提供驅(qū)動力，通過滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，并驅(qū)動承載工作臺，以實現(xiàn)兩個坐標方向的運動。其缺點是兩坐標窄平臺結(jié)構(gòu)的上平臺不能實現(xiàn)大范圍運動，否則運行中會出現(xiàn)水平傾覆狀況，特別是在大負載下，這種情況更加嚴重；此外，由于存在運動形式變換環(huán)節(jié)即旋轉(zhuǎn)運動變換到直線運動，使得旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠的定位裝置的剛度低、慣量大，運動中會出現(xiàn)彈性變形、間隙、死區(qū)等非線性因素。因此，采用旋轉(zhuǎn)電機和滾珠絲杠的直線運動無法實現(xiàn)高速運動，定位精度通常僅能達到微米數(shù)量級。

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，提出一種大運動范圍高速精密兩坐標定位軸裝置，具有大運動范圍、高速定位、高精度、寬平臺的特點。
本發(fā)明的大運動范圍、高精度、高速定位、寬平臺是指承載工作臺上任意一點在每個坐標軸方向的有效運動距離＞400mm；每個坐標軸的重復定位精度可達0.1μm數(shù)量級；坐標軸的最大運動速度＞500mm/秒；下平臺基座的寬度＞運動距離+200mm。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明包括一用于固定整個平臺的下平臺基座(1)，其特征是，下平臺基座(1)上配置兩平行的下平臺平行導軌(2)，一上平臺基座(6)通過下平臺平行直線滾動導軌副安裝在下平臺平行導軌(2)上；下平臺基座1上還固定一下平臺直線電機定子(3)，上平臺基座(6)底部固定一與下平臺直線電機定子(3)相配合的下平臺直線電機動子(7)，下平臺基座(1)側(cè)面固定一下平臺光柵尺及支架(5)；在上平臺基座(6)側(cè)面固定一下平臺光柵尺讀數(shù)頭(8)；上平臺基座(6)上配置兩平行的上平臺平行導軌(9)，其方向與下平臺平行導軌2成90°正交；一承載工作臺(11)通過上平臺平行直線滾動導軌副安裝在上平臺平行導軌(9)上；上平臺基座(6)上固定一上平臺直線電機定子(10)，在承載工作臺(11)底部固定一與上平臺直線電機定子(10)相配合的上平臺直線電機動子(12)；上平臺基座(6)側(cè)面固定上平臺光柵尺及支架(14)；在承載工作臺(11)側(cè)面固定上平臺光柵尺讀數(shù)頭(13)。
所說的下平臺基座(1)上固定一下平臺機械限位裝置(4)。
所說的上平臺基座(6)上固定上平臺機械限位裝置15。
所說的下平臺基座(1)的寬度＞運動距離+200mm。
所說的承載工作臺(11)上任意一點在每個坐標軸方向的運動距離＞400mm，每個坐標軸的最大運動速度為500mm/秒。
本發(fā)明的裝置通過直線電機動子和直線電機定子相互之間電磁力的作用來驅(qū)動上平臺和承載工作臺作直線運動。
本發(fā)明采用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)，解決了每一個坐標軸的高速運動、大范圍運動問題；采用兩坐標寬平臺機械結(jié)構(gòu)，解決了兩坐標窄平臺機械結(jié)構(gòu)的上平臺在大范圍運動過程中可能出現(xiàn)的水平傾覆問題；采用高精度光柵測量系統(tǒng)，可以獲得坐標軸的高精度定位；采用平行直線滾動導軌，解決了運動部件定位、運動精度及相關(guān)部件的相互位置精度，同時解決了承受較大的外加載荷問題。該大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置具有運動范圍大、高速定位、定位精度高、承載能力較高等特點。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本發(fā)明的一個實施例。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細說明。
參照圖1，本發(fā)明包括一用于固定整個平臺的下平臺基座(1)，下平臺基座(1)上配置兩平行的下平臺平行導軌(2)，一上平臺基座(6)通過下平臺平行直線滾動導軌副安裝在下平臺平行導軌(2)上；下平臺基座(1)上還固定一下平臺直線電機定子(3)，上平臺基座(6)底部固定一與下平臺直線電機定子(3)相配合的下平臺直線電機動子(7)，下平臺基座(1)上固定一下平臺機械限位裝置(40)，下平臺基座(1)側(cè)面固定一下平臺光柵尺及支架(5)；在上平臺基座(6)側(cè)面固定一下平臺光柵尺讀數(shù)頭(8)；上平臺基座(6)上配置兩平行的上平臺平行導軌(9)，其方向與下平臺平行導軌2成90°正交；一承載工作臺(11)通過上平臺平行直線滾動導軌副安裝在上平臺平行導軌(9)上；上平臺基座(6)上固定一上平臺直線電機定子(10)，在承載工作臺(11)底部固定一與上平臺直線電機定子(10)相配合的上平臺直線電機動子(12)；上平臺基座(6)側(cè)面固定上平臺光柵尺及支架(14)；上平臺基座(6)上固定上平臺機械限位裝置(15)；在承載工作臺(11)側(cè)面固定上平臺光柵尺讀數(shù)頭(13)。
本發(fā)明的工作原理是下平臺基座(1)通過螺栓固定在減震平臺上，通過下平臺直線電機動子(7)與定子(3)之間相互電磁力作用，驅(qū)動上平臺基座(6)沿坐標軸直線運動；上平臺基座(6)通過下平臺平行直線滾動導軌副在下平臺平行直線導軌(2)上運行，并通過上平臺直線電機動子(12)與定子(10)之間相互電磁力作用，驅(qū)動承載工作臺(11)沿坐標軸直線運動；承載工作臺(11)通過上平臺平行直線滾動導軌副在上平臺平行直線導軌(9)上運行，其運行方向與上平臺基座(6)運行方向成90°正交；下平臺光柵尺測量上平臺基座直線運行位置，上平臺光柵尺測量承載工作臺直線運行位置，這兩者的測量數(shù)據(jù)提供給控制系統(tǒng)，并通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制上平臺基座(6)和承載工作臺(11)的運動。因為直線電機是一種高剛度、無行程間隙、高動態(tài)特性、運動平滑，而且不經(jīng)過中間傳動系統(tǒng)的直接驅(qū)動系統(tǒng)，可以使上、下平臺獲得高速運動能力；上、下平臺都由寬平臺構(gòu)成，并由平行直線滾動導軌支撐，由此可以保證上平臺在整個運動范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)運行過程中的傾翻問題；通過分辨率為20納米的高精度光柵尺進行上平臺基座(6)及承載工作臺(11)的運行位置的測量，保證裝置的定位精度，從而獲得穩(wěn)定的大范圍運動、高速度、高精度定位能力。
參照圖2，本發(fā)明提供以下一個實施例，其主要技術(shù)參數(shù)如下定位精度上平臺基座(6)的重復定位精度為0.5μm，承載工作臺(11)的重復定位精度為0.1μm；高精度光柵尺分辨率20nm；最大行程上平臺基座(6)和承載工作臺(11)的最大行程為550mm；最大運行速度上平臺基座(6)和承載工作臺11為500mm/秒。
權(quán)利要求
1.大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置，包括一用于固定整個平臺的下平臺基座(1)，其特征是，下平臺基座(1)上配置兩平行的下平臺平行導軌(2)，一上平臺基座(6)通過下平臺平行直線滾動導軌副安裝在下平臺平行導軌(2)上；下平臺基座(1)上還固定一下平臺直線電機定子(3)，上平臺基座(6)底部固定一與下平臺直線電機定子(3)相配合的下平臺直線電機動子(7)，下平臺基座(1)側(cè)面固定一下平臺光柵尺及支架(5)；在上平臺基座(6)側(cè)面固定一下平臺光柵尺讀數(shù)頭(8)；上平臺基座(6)上配置兩平行的上平臺平行導軌(9)，其方向與下平臺平行導軌(2)成90°正交；一承載工作臺(11)通過上平臺平行直線滾動導軌副安裝在上平臺平行導軌(9)上；上平臺基座(6)上固定一上平臺直線電機定子(10)，在承載工作臺(11)底部固定一與上平臺直線電機定子(10)相配合的上平臺直線電機動子(12)；上平臺基座(6)側(cè)面固定上平臺光柵尺及支架(14)；在承載工作臺(11)側(cè)面固定上平臺光柵尺讀數(shù)頭(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置，其特征是，所說的下平臺基座(1)上固定一下平臺機械限位裝置(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置，其特征是，所說的上平臺基座(6)上固定上平臺機械限位裝置(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置，其特征是，所說的下平臺基座(1)的寬度＞運動距離+200mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置，其特征是，所說的承載工作臺(11)上任意一點在每個坐標軸方向的運動距離＞400mm，每個坐標軸的最大運動速度為500mm/秒。
全文摘要
大運動范圍高速精密兩坐標軸定位裝置，包括一下平臺基座，下平臺基座上配置一上平臺基座；下平臺基座上還固定一下平臺直線電機定子，上平臺基座底部固定一與下平臺直線電機定子相配合的下平臺直線電機動子，上平臺基座上配置與上平臺基座的運動方向成90°正交的承載工作臺；上平臺基座上固定一上平臺直線電機定子，在承載工作臺底部固定一與上平臺直線電機定子相配合的上平臺直線電機動子，在上、下平臺基座側(cè)面均固定有光柵尺及相應的光柵尺讀數(shù)頭；通過直線電機動子和直線電機定子相互之間電磁力的作用來驅(qū)動上平臺和承載工作臺作直線運動，具有大運動范圍、高速定位、高精度、寬平臺的特點。
文檔編號G01B11/00GK1963374SQ20061010498
公開日2007年5月16日 申請日期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 申請人:西安交通大學