CN102522356B - 双轴浮动定子线性平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双轴浮动定子线性平台，其包括基座，基座上固定有第一方向驱动装置、第二方向驱动装置，以及与所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置连接的工作台；所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置中的驱动电机驱动所述工作台运动时，所述驱动电机的定子沿所述工作台运动方向的反方向运动。本发明的驱动电机动子推动所述工作台运动时，驱动电机的定子受到的反作用力不直接作用在平台的基座上，而是使定子朝向与所述工作台运动方向相反的方向滑动，从而避免了对基座的冲击，提高了线性平台定位精度和测量精度，能实现微米级的定位精度。

Description

双轴浮动定子线性平台

技术领域

本发明涉及机械加工、测量领域，是一种高速高精度定位装置。

背景技术

高速高精度的精密微位移工作台系统在近代半导体行业和科学研究领域内占有极为重要的地位。精密微位移工作台系统的定位精度和行程范围直接影响到生产加工的精度和加工能力。同时，工作台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响到设备的效率，成为系统的重要指标。

传统的直线运动平台，通常是由旋转电机通过丝杆变成直线运动带动工作台，由于中间环节丝杆有最大转速限制和反向间隙，很难实现高速高精度定位。近年来直线电机驱动的直线运动平台得到广泛应用，这种平台比传统丝杆驱动的平台有非常明显的优点：消除中间传动机构环节的弹性变形、间隙、惯量等因素对系统精度的影响，实现直接驱动工作台；系统刚度大、高速度高精度。

不管是传统的旋转电机带动丝杆机构驱动平台，还是近来被广泛应用的直线电机驱动平台，均存在着作用于基座的冲击力引起系统振动的问题；平台在瞬间加速或者急停时，反作力作用于基座，引起基座激烈的振动，进而影响定位精度。如图1所示的2005年1月12日公开的中国专利CN1564317A，该专利中直线电机11固定在基座1上，当电机11工作时，动子9驱动工作台7做直接运动时，电机定子11将受到反作用力，此作用力将直接作用在基座上，特别是在快速启停时，将引起基座1非常激烈的振动，从此影响工作台7的定位精度。

在高速运动的XY平台上，特别是在半导体封装设备焊线机中使用的XY平台上，设计和制造的零部件越来越小，XY平台在高速运动下，基座的振动非常明显。振动将影响平台的定位精度，引起结构件的疲劳，提高XY平台的定位精度对振动的影响提出了更高的要求。

在实际应用中，XY平台的振动引起基座的振动，基座的振动反过来影响工作台末端的定位，从而影响工作台的定位精度。也就是说：如果大幅的减弱甚至阻止基座的振动，就能够有效地提高XY平台的定位精度。

传统上一般采用最佳化的控制系统，或者使用具有吸收振动的大理石作为基座的材料，这些方法对降低平台振动，提高平台的定位精度，具有一定的效果。但平台的振动仍然非常明显，电机工作时对基座反作力依然没有减弱，基座的振动仍然没有能够阻止。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种双轴浮动定子线性平台，该平台能够有效地减弱运动驱动力的反作力引起的基座振动，大大地提高平台的定位精度。本发明的双轴浮动定子线性平台包括基座，所述基座上固定有第一方向驱动装置、第二方向驱动装置，以及与所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置连接的工作台，所述第一方向驱动装置、第二方向驱动装置分别包括驱动电机，所述驱动电机设置有定子；所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置中的驱动电机驱动所述工作台运动时，所述驱动电机的定子沿所述工作台运动方向的反方向运动。

本发明的驱动电机动子推动所述工作台运动时，驱动电机的定子受到的反作用力不直接作用在平台的基座上，而是使定子朝向与所述工作台运动方向相反的方向滑动，从而避免了对基座的冲击。在本发明中，由于所述基座受到的反作力非常小，几乎不能引起基座的振动，所以提高了线性平台定位精度和测量精度。

所述驱动电机的定子两端设置有阻尼装置和柔性装置，所述驱动电机的定子沿所述工作台运动方向的反方向运动时，所述阻尼装置和柔性装置与所述基座碰撞，使所述定子的运动反向；所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置分别包括定子基座，所述定子基座设置有导轨，所述驱动电机的定子可滑动地设置于所述定子基座的导轨上，所述阻尼装置设置于所述导轨上；所述定子基座的两端固定有端盖，所述柔性装置设置于所述端盖与定子之间；当定子在导轨上沿工作台运动方向的反方向运动时，受到阻尼装置和柔性装置的缓冲，所述定子将在基座上作往复的震荡运动，以进一步减小定子对基座的冲击。由于阻尼装置和柔性装置均为柔性环节，具有减震和吸收能量的功能，通过合理的计算，可寻找最优的系数，使传递到基座上的力最小。

本发明采用被动隔振的方法，有效地解决了线性平台的振动问题，平台的定位精度得到了很大提升，能实现微米级的定位精度。

附图说明

附图1为现有技术的线性平台结构示意图；

附图2为本发明优选实施例的立体结构示意图；

附图3为本发明优选实施例的另一方向立体结构示意图；

附图4为本发明优选实施例的X轴驱动装置的局部结构示意图；

附图5为本发明优选实施例的Y轴驱动装置的局部结构示意图；

附图6为本发明优选实施例的工作台局部结构示意图；

标号说明：1基座，21X方向定子，22X方向动子，23导轨，24定子基座，27柔性装置，28阻尼装置，29端盖，31Y方向定子，32Y方向动子，33导轨，34定子基座，35连接臂，36导轨，37柔性装置，38阻尼装置，39端盖，4工作台，41位置反馈装置，42交叉导轨，43中间工作台，44交叉平台基座，45位置反馈装置。

具体实施方式

下面结合优选实施例对本发明的双轴浮动定子线性平台做进一步的详细说明。

参见图2所示的双轴浮动定子线性平台，该平台包括基座1，在基座1上固定有第一方向驱动装置、第二方向驱动装置，以及与所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置连接的工作台4，所述第一方向驱动装置、第二方向驱动装置分别包括驱动电机，所述驱动电机设置有定子。所述的第一方向驱动装置和第二方向驱动装置中的驱动电机驱动工作台4运动时，所述第一方向驱动电机定子和第二方向驱动电机定子沿工作台3运动方向的反方向运动，以缓冲驱动工作台3引起的反向作用力，使该反作用力不对基座1造成冲击，从而影响定位精度。

所述的第一方向和第二方向可以垂直也可以不垂直，但在本发明的优选实施例中，第一方向为X方向，第二方向为Y方向，X方向和Y方向相互垂直，形成XY线性平台；所以第一方向驱动装置和第二方向驱动装置即分别为X方向驱动装置和Y方向驱动装置。在本优选实施例中，第一方向驱动电机定子即为图示的X方向定子21，第一方向驱动电机动子22即为X方向动子22，第二方向驱动电机定子即为Y方向定子31，第二方向驱动电机动子即为Y方向动子32。

为了使反向运动的X方向定子21和Y方向定子31能够返回到原点，以便再次驱动工作台4，在X方向定子21和Y方向定子31的两端分别设置有阻尼装置和柔性装置。

如图3-5所示，在X方向定子21的两端设置有阻尼装置28和柔性装置27。下面以X方向为例说明本发明双轴浮动定子的原理：当X方向动子22驱动工作台4沿图示的X方向运动时，X方向动子22对X方向定子21产生大小相等、方向相反的反作用力，使X方向定子21沿导轨23滑动，而不对基座1产生冲击。X方向定子21的滑动方向与工作台4的运动方向相反。

在X方向定子21的反方向运动过程中，一端的阻尼装置28对其产生缓冲作用，使其逐渐减速，而不会直接与基座1碰撞，再次避免了对基座1的冲击；同时，同一端的柔性装置27受压收缩，将X方向定子21的动能存储起来；当X方向定子21的速度减为零的时候，柔性装置27反弹，将X方向定子21弹出，弹出后的运动方向与工作台4的运动方向一致。

所以，在工作台4向一个方向的运动过程中，X方向定子21在柔性装置27和阻尼装置28的作用下将在原点位置作往复的振荡运动。由于运动中的摩擦以及损耗，X方向定子21震荡运动的振幅将逐渐变小，直至停止运动，而不会有较大的加速度，而对基座1产生突然的冲击。所述的原点位置为X方向定子21的初始位置。

Y方向上的运动原理与以上描述的X方向的原理一致，所以在Y方向上也不会有较大的加速度，而对基座1产生突然的冲击。在本发明中，由于基座1受到的反作力非常小，几乎不能引起基座1的振动，所以提高了线性平台定位精度和测量精度。

在本发明中，阻尼装置可以为阻尼器或缓冲器，柔性装置可以为弹簧或橡胶等，均为柔性环节，具有减震和吸收能量的功能，通过合理的计算，可寻找最优的系数，使传递到基座1上的力最小。本优选实施例中，柔性装置27、37为一对弹簧，阻尼装置28、38为两个同轴的阻尼器，X方向定子21和Y方向定子31连接在所述的两个同轴的阻尼器之间。

如图3所示，所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置上还分别包括定子基座24、34，定子基座24、34的两端还分别固定有端盖29、39。

下面以X方向为例详细说明本优选实施中的弹簧和阻尼器的工作过程：如图5所示，X方向定子21可滑动地设置在定子基座24的导轨23上，阻尼装置28也固定在连接在导轨23上，X方向定子21可滑动地设置在两个对称的阻尼装置28之间；当X方向定子21做往复的震荡时，分别与两端的阻尼装置28碰撞，使速度减弱。在定子基座24的两端固定有端盖29，柔性装置27设置于端盖29与X方向定子21之间，当X方向定子21做往复的震荡时，分别与两端的柔性装置27碰撞，碰撞过程中，柔性装置27抵持于端盖29上，并使X方向定子21反弹。

如图2和图5所示，在工作台4上固定有记录所述工作台位移的位置反馈装置41、45，其中位置反馈装置41装设在Y方向上，以记录Y方向上的位移，位置反馈装置45装设在X方向上，记录X方向的位移。在本优选实施例中，位置反馈装置41、45均为光栅尺。

当然只需在一个方向上定位时，也可只在一个方向上装设位置反馈装置；本发明中的驱动电机为直线电机，优选地采用音圈电机。

本发明的工作台4包括低层工作台与高层工作台，所述第二方向驱动装置的驱动电机通过连接臂35驱动所述高层工作台在第二方向上直线运动，所述第一方向驱动装置的驱动电机通过连接臂驱动所述低层工作台和高层工作台在第一方向上直线运动。

在本优选实施例中，结合图6所示，高层工作台即为图示的工作台4，低层工作台即为中间工作台43，待定位的工件即通过定位孔或其它方式固定在工作台4上。工作台4可直接被Y方向驱动电机驱动，沿交叉导轨42运动，即：Y方向动子32通电后，在磁场作用力下产生推力，推动工作台4沿Y方向运动；同时Y方向定子31受反作用力沿导轨33往复直线运动，并在弹簧和阻尼器的作用下逐渐静止。

工作台4和中间工作台43可被X方向的驱动电机同时驱动，沿X方向定位，即：X方向动子22通电后，在磁场作用力下产生推力，推动工作台4和中间工作台43一起沿X方向运动。定位时，中间工作台43沿其下方的交叉导轨在交叉平台基座44上滑动，工作台4沿图1中的导轨36运动，且与中间工作台43保持相对静止，一起在X方向上移动；同时X方向定子21受反作用力沿导轨23往复直线运动，并在弹簧和阻尼器的作用下逐渐静止。

本文发明的双轴浮动定子线性平台涉及到电机驱动和XY平台，适用于高速高精度定位的装置，如半导体制造装备X-Y定位平台、高速高精度机加工机床、激光切割机等；能够有效地减弱运动的反作力引起的基座振动，大大地提高平台的定位精度。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照优选实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种双轴浮动定子线性平台，所述平台包括基座，所述基座上固定有第一方向驱动装置、第二方向驱动装置，以及与所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置连接的工作台，所述第一方向驱动装置、第二方向驱动装置分别包括驱动电机，所述驱动电机设置有定子；其特征在于：所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置中的驱动电机驱动所述工作台运动时，所述驱动电机的定子沿所述工作台运动方向的反方向运动；所述驱动电机的定子两端设置有阻尼装置和柔性装置，所述驱动电机的定子沿所述工作台运动方向的反方向运动时，所述阻尼装置和柔性装置与所述基座碰撞，使所述定子的运动反向；所述第一方向驱动装置和第二方向驱动装置分别包括定子基座，所述定子基座设置有导轨，所述驱动电机的定子可滑动地设置于所述定子基座的导轨上，所述阻尼装置设置于所述导轨上；所述定子基座的两端固定有端盖，所述柔性装置设置于所述端盖与定子之间。

2.如权利要求1所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述柔性装置为弹簧或橡胶。

3.如权利要求1所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述阻尼装置为阻尼器或缓冲器。

4.如权利要求1所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述柔性装置为一对弹簧，所述阻尼装置为两个同轴的阻尼器，所述驱动电机的定子连接在所述同轴的阻尼器之间。

5.如权利要求1所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述工作台上固定有记录所述工作台位移的位置反馈装置。

6.如权利要求5所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述位置反馈装置为光栅尺，其装设在所述工作台的所述第一方向和/或第二方向上。

7.如权利要求1所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述驱动电机为音圈电机。

8.如权利要求1所述的双轴浮动定子线性平台，其特征在于：所述工作台包括低层工作台与高层工作台，所述第二方向驱动装置的驱动电机通过连接臂驱动所述高层工作台在第二方向上直线运动，所述第一方向驱动装置的驱动电机通过连接臂驱动所述低层工作台和高层工作台在第一方向上直线运动。