专利名称：大运动范围高速精密两坐标轴定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种两坐标轴定位装置，特别涉及一种大运动范围高速精密两坐标轴定位装置。
背景技术：
随着集成电路(IC)制造、微型机械电子系统(MEMS)、精密测试系统和精密加工等领域的快速发展，迫切需要能够进行大运动范围、高精度、高速定位的装置。特别是在IC制造方面，随着晶片尺寸的增加，12寸及更大尺寸晶片的出现，对定位范围、定位速度也提出了更高的要求。现有的两坐标轴定位装置包括两个旋转电机；两套驱动滚珠丝杠系统，每个坐标轴所驱动的平台采用窄平台结构即平台宽度＜200mm，其工作原理是由旋转电机提供驱动力，通过滚珠丝杠将旋转电机的旋转运动转换成直线运动，并驱动承载工作台，以实现两个坐标方向的运动。其缺点是两坐标窄平台结构的上平台不能实现大范围运动，否则运行中会出现水平倾覆状况，特别是在大负载下，这种情况更加严重；此外，由于存在运动形式变换环节即旋转运动变换到直线运动，使得旋转电机+滚珠丝杠的定位装置的刚度低、惯量大，运动中会出现弹性变形、间隙、死区等非线性因素。因此，采用旋转电机和滚珠丝杠的直线运动无法实现高速运动，定位精度通常仅能达到微米数量级。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种大运动范围高速精密两坐标定位轴装置，具有大运动范围、高速定位、高精度、宽平台的特点。
本发明的大运动范围、高精度、高速定位、宽平台是指承载工作台上任意一点在每个坐标轴方向的有效运动距离＞400mm；每个坐标轴的重复定位精度可达0.1μm数量级；坐标轴的最大运动速度＞500mm/秒；下平台基座的宽度＞运动距离+200mm。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括一用于固定整个平台的下平台基座(1)，其特征是，下平台基座(1)上配置两平行的下平台平行导轨(2)，一上平台基座(6)通过下平台平行直线滚动导轨副安装在下平台平行导轨(2)上；下平台基座1上还固定一下平台直线电机定子(3)，上平台基座(6)底部固定一与下平台直线电机定子(3)相配合的下平台直线电机动子(7)，下平台基座(1)侧面固定一下平台光栅尺及支架(5)；在上平台基座(6)侧面固定一下平台光栅尺读数头(8)；上平台基座(6)上配置两平行的上平台平行导轨(9)，其方向与下平台平行导轨2成90°正交；一承载工作台(11)通过上平台平行直线滚动导轨副安装在上平台平行导轨(9)上；上平台基座(6)上固定一上平台直线电机定子(10)，在承载工作台(11)底部固定一与上平台直线电机定子(10)相配合的上平台直线电机动子(12)；上平台基座(6)侧面固定上平台光栅尺及支架(14)；在承载工作台(11)侧面固定上平台光栅尺读数头(13)。
所说的下平台基座(1)上固定一下平台机械限位装置(4)。
所说的上平台基座(6)上固定上平台机械限位装置15。
所说的下平台基座(1)的宽度＞运动距离+200mm。
所说的承载工作台(11)上任意一点在每个坐标轴方向的运动距离＞400mm，每个坐标轴的最大运动速度为500mm/秒。
本发明的装置通过直线电机动子和直线电机定子相互之间电磁力的作用来驱动上平台和承载工作台作直线运动。
本发明采用直线电机驱动系统，解决了每一个坐标轴的高速运动、大范围运动问题；采用两坐标宽平台机械结构，解决了两坐标窄平台机械结构的上平台在大范围运动过程中可能出现的水平倾覆问题；采用高精度光栅测量系统，可以获得坐标轴的高精度定位；采用平行直线滚动导轨，解决了运动部件定位、运动精度及相关部件的相互位置精度，同时解决了承受较大的外加载荷问题。该大运动范围高速精密两坐标轴定位装置具有运动范围大、高速定位、定位精度高、承载能力较高等特点。
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的一个实施例。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细说明。
参照图1，本发明包括一用于固定整个平台的下平台基座(1)，下平台基座(1)上配置两平行的下平台平行导轨(2)，一上平台基座(6)通过下平台平行直线滚动导轨副安装在下平台平行导轨(2)上；下平台基座(1)上还固定一下平台直线电机定子(3)，上平台基座(6)底部固定一与下平台直线电机定子(3)相配合的下平台直线电机动子(7)，下平台基座(1)上固定一下平台机械限位装置(40)，下平台基座(1)侧面固定一下平台光栅尺及支架(5)；在上平台基座(6)侧面固定一下平台光栅尺读数头(8)；上平台基座(6)上配置两平行的上平台平行导轨(9)，其方向与下平台平行导轨2成90°正交；一承载工作台(11)通过上平台平行直线滚动导轨副安装在上平台平行导轨(9)上；上平台基座(6)上固定一上平台直线电机定子(10)，在承载工作台(11)底部固定一与上平台直线电机定子(10)相配合的上平台直线电机动子(12)；上平台基座(6)侧面固定上平台光栅尺及支架(14)；上平台基座(6)上固定上平台机械限位装置(15)；在承载工作台(11)侧面固定上平台光栅尺读数头(13)。
本发明的工作原理是下平台基座(1)通过螺栓固定在减震平台上，通过下平台直线电机动子(7)与定子(3)之间相互电磁力作用，驱动上平台基座(6)沿坐标轴直线运动；上平台基座(6)通过下平台平行直线滚动导轨副在下平台平行直线导轨(2)上运行，并通过上平台直线电机动子(12)与定子(10)之间相互电磁力作用，驱动承载工作台(11)沿坐标轴直线运动；承载工作台(11)通过上平台平行直线滚动导轨副在上平台平行直线导轨(9)上运行，其运行方向与上平台基座(6)运行方向成90°正交；下平台光栅尺测量上平台基座直线运行位置，上平台光栅尺测量承载工作台直线运行位置，这两者的测量数据提供给控制系统，并通过闭环控制系统控制上平台基座(6)和承载工作台(11)的运动。因为直线电机是一种高刚度、无行程间隙、高动态特性、运动平滑，而且不经过中间传动系统的直接驱动系统，可以使上、下平台获得高速运动能力；上、下平台都由宽平台构成，并由平行直线滚动导轨支撑，由此可以保证上平台在整个运动范围内，不会出现运行过程中的倾翻问题；通过分辨率为20纳米的高精度光栅尺进行上平台基座(6)及承载工作台(11)的运行位置的测量，保证装置的定位精度，从而获得稳定的大范围运动、高速度、高精度定位能力。
参照图2，本发明提供以下一个实施例，其主要技术参数如下定位精度上平台基座(6)的重复定位精度为0.5μm，承载工作台(11)的重复定位精度为0.1μm；高精度光栅尺分辨率20nm；最大行程上平台基座(6)和承载工作台(11)的最大行程为550mm；最大运行速度上平台基座(6)和承载工作台11为500mm/秒。
权利要求
1.大运动范围高速精密两坐标轴定位装置，包括一用于固定整个平台的下平台基座(1)，其特征是，下平台基座(1)上配置两平行的下平台平行导轨(2)，一上平台基座(6)通过下平台平行直线滚动导轨副安装在下平台平行导轨(2)上；下平台基座(1)上还固定一下平台直线电机定子(3)，上平台基座(6)底部固定一与下平台直线电机定子(3)相配合的下平台直线电机动子(7)，下平台基座(1)侧面固定一下平台光栅尺及支架(5)；在上平台基座(6)侧面固定一下平台光栅尺读数头(8)；上平台基座(6)上配置两平行的上平台平行导轨(9)，其方向与下平台平行导轨(2)成90°正交；一承载工作台(11)通过上平台平行直线滚动导轨副安装在上平台平行导轨(9)上；上平台基座(6)上固定一上平台直线电机定子(10)，在承载工作台(11)底部固定一与上平台直线电机定子(10)相配合的上平台直线电机动子(12)；上平台基座(6)侧面固定上平台光栅尺及支架(14)；在承载工作台(11)侧面固定上平台光栅尺读数头(13)。
2.根据权利要求1所说的大运动范围高速精密两坐标轴定位装置，其特征是，所说的下平台基座(1)上固定一下平台机械限位装置(4)。
3.根据权利要求1所说的大运动范围高速精密两坐标轴定位装置，其特征是，所说的上平台基座(6)上固定上平台机械限位装置(15)。
4.根据权利要求1所说的大运动范围高速精密两坐标轴定位装置，其特征是，所说的下平台基座(1)的宽度＞运动距离+200mm。
5.根据权利要求1所说的大运动范围高速精密两坐标轴定位装置，其特征是，所说的承载工作台(11)上任意一点在每个坐标轴方向的运动距离＞400mm，每个坐标轴的最大运动速度为500mm/秒。
全文摘要
大运动范围高速精密两坐标轴定位装置，包括一下平台基座，下平台基座上配置一上平台基座；下平台基座上还固定一下平台直线电机定子，上平台基座底部固定一与下平台直线电机定子相配合的下平台直线电机动子，上平台基座上配置与上平台基座的运动方向成90°正交的承载工作台；上平台基座上固定一上平台直线电机定子，在承载工作台底部固定一与上平台直线电机定子相配合的上平台直线电机动子，在上、下平台基座侧面均固定有光栅尺及相应的光栅尺读数头；通过直线电机动子和直线电机定子相互之间电磁力的作用来驱动上平台和承载工作台作直线运动，具有大运动范围、高速定位、高精度、宽平台的特点。
文档编号G01B11/00GK1963374SQ20061010498
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月28日 优先权日2006年11月28日
发明者杨川, 曹卫峰 申请人:西安交通大学