专利名称：反作用力转移系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用以减少在高效率运动应用中由分级加速引起的机器底座运动的反作用力转移方法。
背景技术：
很多种精密机器相对于一个工具定位并移动一个工件(work piece)。该工件、该工具或此两者都沿着多个运动轴移动。因为需要高精度，所以安装这些机器以提供与周围振动源的实质隔离。现代被动隔离系统在削弱进入该机器的周围环境振动的振幅上是非常有效的。隔离通常是通过于软弹簧(soft spring)上垂直支撑巨大机器质量(诸如花岗岩底座)来完成的，产生很低的系统固有频率。添加阻尼以使此低固有频率附近的扰动最小化。
当机器的水平轴迅速地加速或减速时，大量的扰动就会出现。根据牛顿第三定律，沿轴加速有效负载重量所必需的巨大力在该机器的“固定”结构中产生相等的反作用力。此反作用力使整个机器质量(包括该机器底座)加速，如上所说明的，该机器底座通常为大块的花岗岩板(granite slab)。该机器的横向运动的唯一阻力是该隔离系统相对软的水平弹性系数。使此问题变复杂的是该隔离器在水平方向上的低阻尼比。因此，该机器以不可接受的振幅与稳定时间左右振荡。
此一机器底座的振荡效应可导致其它问题。该机器底座运动是所有附在该底座上的其它结构的瞬时激励。此输入将在这些结构中激励出谐振频率。这些结构可包含振动敏感设备，如运动轴、计量仪器及该机器的工具(例如原子力显微镜或光学系统)。
可抵消此机器振荡问题的主动隔离系统是可用的。然而，主动隔离的成本非常高。或者，已知可使用力消除法。在此情况下，将一个虚拟轴添加到此机器中并将其设计成消除由实际的机器轴引起的反作用力的对向移动。在某些机器构造中，可很好地实施此一力消除技术。然而，在许多其它机器构造中，因为成倍的功率要求、增加的空间需求及增加的费用，所以此解决方法是不切实际的。
发明内容
根据本发明，该反作用力转移系统包含一框架及一由该框架通过被动隔离结构支撑的机器底座。一车架被支撑以相对于该机器底座的方式运动。一具有连接至该框架的定子的电动机及一连接至该车架的压力器(forcer)使该车架相对于该机器底座移动。在一个较佳实施例中，该电动机是线性电动机，且该车架受限于相对该机器底座的单自由度运动。在此实施例中，该电动机定子由该机器底座上的线性轴承来支撑。
在一个较佳实施例中，该定子被连接至该框架，以使得将该定子受限于相对该框架的仅仅一单自由度运动，同时允许其在其它5个自由度内自由运动。该定子可由一个或多个选自由下列各物组成的群组的元件连接至该框架球形轴承、万向接头、转动轴承、线性轴承、平面轴承及弯曲元件。在一个较佳实施例中，该定子由2-自由度连接器与3-自由度连接器的串联组合连接到该框架。该2-自由度连接器可为万向接头而该3-自由度连接器可为平面轴承。
在又一实施例中，该定子由弯曲元件连接至该框架，该弯曲元件包括一个在其他5个自由度内具有较高的轴上硬度(stiffness on-axis)和较高柔量的凹口铰链弯曲部。在其中使该车架受限于相对该机器底座的单自由度运动的实施例中，该限制由是线性轴承装置来提供。合适的线性轴承装置可选自由下列各物组成的群组球、辊、空气静压或流体静压线性轴承。亦可提供一个相对于该机器底座对该车架的位置作出响应的编码器。
图1a是一个现有技术系统在Y-Z平面内的剖面图。
图1b是此现有技术机器在X-Z平面内的剖面图。
图2a是说明一个本发明的系统的实施例的在Y-Z平面内的剖面图。
图2b是本发明的系统的此实施例在X-Z平面内的剖面图。
具体实施例方式
为清楚起见，图1a与1b说明现有技术机器的简化代表图，其仅显示了一个运动轴。移动车架10通过一组线性轴承14安装在机器底座12上。所属领域的技术人员将认识到移动车架10将支撑一个其运动有待精确控制的工件(未图示)。线性轴承14(球、辊、空气静压或流体静压线性轴承等等)允许在主轴方向上自由运动而限制在所有其它自由度内的运动。在图1a中，所说明的该运动主轴可进入图1a的平面内或离开该平面并将沿着图1b中的X轴。
线性电动机16提供力以移动轴上的车架10。线性电动机16包含一个安装至该车架10的压力器18(通常为电动机16线圈)。线性电动机16的定子19(通常为磁轨)被严密地安装在机器底座12上。所属领域的技术人员将了解，定位反馈通常是由测量车架10与机器底座12之间的相对位置的线性编码器或激光干涉仪(未图示)所提供的。机器底座12本身被安装在被动振动隔离器20上。这些被动振动隔离器20又结合一起并在底板(未图示)上通过诸如焊接钢架22的框架来支撑。
当电动机压力器18在+X方向上驱动移动车架18时，电动机定子19中的反作用力就在-X方向中加速该机器质量(此分离器20上的整个质量减去移动车架10质量)。跟着产生不可接受的机器振荡。
本发明现将结合图2a及2b中所显示的实施例来加以说明。与将线性定子16按图1a的现有技术严密安装至机器底座12不同的是，线性轴承装置24允许定子19沿X轴(单自由度)相对于机器底座12移动，但在其它5个自由度内限制其。此线性轴承装置24可为球、辊、空气静压或流体静压轴承等等。即，定子19可相对于机器底座12在单自由度内自由移动。
如图2b所示，定子19的末端被连接至框架22的延伸部26。此实施例中的定子19与框架延伸部26之间的连接是由万向接头28与平面轴承30提供的。相对于该框架延伸部26，该定子受限于沿X轴(单一受限自由度)移动，但可在其它5个自由度内自由移动。
万向接头28与平面轴承30的功能可由机器元件的任一组合来实现，这些元件在一单自由度内限制该电动机定子19，但同时仍允许其在其它5个自由度内自由移动。这些元件的组合可包括球形轴承、万向接头、转动轴承、线性轴承及平面轴承。另一适合的连接器是组合的在其它5个自由度内具有较高的轴上硬度及较高柔量的弯曲元件(凹口铰链弯曲部)。所属领域的技术人员将了解在电动机定子19内限制组件的自由方向(freedirection)中的任何摩擦或弹簧刚度(spring rate)将降低该系统的振动隔离。因而理想的实施例将利用所有的空气静压轴承。在此情况下，线性空气轴承用于相对于该机器底座12来安装电动机定子19。串联的球形与平面空气轴承将在电动机定子19与框架延伸部26之间提供单自由度限制。
在操作中，例如，当电动机压力器18在+X方向中驱动移动车架10时，电动机定子19中的反作用力将试图在-X方向上加速框架延伸部26。未向隔离的机器底座12施力(假设忽略线性轴承24上的摩擦)。因此，未引起隔离的机器底座12的水平移动，且未对其他机器结构造成瞬时激励。该机器底座12仍可在所有的6个自由度内自由移动，仅受被动隔离器20的限制。因此，被动隔离器20将仍执行其功能将机器底座12从周围环境振动隔离出来。由于框架22是以摩擦方式连接到该底板，所以其不会移动。通过车架10的运动将把一些振动引入框架22和电动机定子19内。然而，可以以适当的设计将这些振动的频率保持的足够高以不影响总体的机器性能。
应了解本发明的反作用力转移系统的潜在不利影响在于电动机定子19与附接到机器底座12的编码标尺之间的相对运动将降低电动机16的交换性能。然而，如实验已经证实的，任一机器底座12运动的振幅与典型电动机的交换周期的比率足够小以使此影响最小化。
为理解清楚起见，本发明已经就沿单轴的运动加以说明。所属领域的技术人员将了解，所揭示的技术可容易地扩展到多轴运动应用。
权利要求
1.一种反作用力转移系统，其包括一框架；一由所述框架通过被动隔离结构支撑的机器底座；一受支撑以相对于所述机器底座运动的车架；及一电动机，其具有一连接至所述框架的定子及一连接至所述车架的压力器，以使所述车架相对于所述机器底座移动。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述电动机为一线性电动机。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述车架受限于相对所述机器底座的一单自由度运动。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述电动机定子通过所述机器底座上的线性轴承受限于一单自由度。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述定子连接至所述框架，以使所述定子相对于所述框架受限于仅仅一单自由度运动，同时允许在其他5个自由度内自由移动。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述定子是由一或多个选自由下列各物组成的群组的元件连接到所述框架球形轴承、万向接头、转动轴承、线性轴承、平面轴承及弯曲元件。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述定子利用一2-自由度连接器与一3-自由度连接器的串联组合连接至所述框架。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述2-自由度连接器为一万向接头且所述3-自由度连接器为一平面轴承。
9.如权利要求6所述的系统，其中所述弯曲元件为一在其他5个自由度内具有高轴上硬度及高柔量的凹口铰链弯曲部。
10.如权利要求3所述的系统，其中所述车架通过一线性轴承装置受限于相对所述机器底座的一单自由度运动。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述线性轴承装置是选自由下列各物组成的群组球、辊、空气静压或流体静压线性轴承。
12.如权利要求4所述的系统，其中所述线性轴承装置是选自由下列各物组成的群组球、辊、空气静压、流体静压或滚动轴承。
13.如权利要求1所述的系统，其进一步包含一对所述车架相对于所述机器底座的位置作出响应的编码器。
全文摘要
一种反作用力转移系统，其包括一框架及一由所述框架通过被动隔离结构支撑的机器底座。一车架被支撑以相对于所述机器底座运动且提供一电动机，该电动机具有一连接至所述框架的定子和一连接至所述车架的压力器(forcer)以使所述车架相对于所述机器底座移动。
文档编号B23Q1/00GK1675023SQ03811549
公开日2005年9月28日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年5月24日
发明者菲利普·M·格林, 斯科特·海罗, 道格拉斯·E·比特内 申请人:科尔摩根公司