CN103790963B - 一种分体式气足及平面导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分体式气足，将气浮结构和磁预载结构分离，保证了气浮结构不会受到磁预紧力的作用而变形，而磁预载结构也不会碰触到平台，此设计既能避免气浮结构受损，又避免了传统真空预紧力结构的缺陷。在此基础上形成的平面导向装置能够很好的满足气浮的刚性需求，使得其支撑的运动台的稳定性得到极大的提高。

Description

一种分体式气足及平面导向装置

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域的设备，特别涉及一种应用于为精密运动台提供气浮支撑的分体式气足及平面导向装置。

背景技术

气足是为精密运动台提供气浮轴承支撑、保证运动台在平台上作无摩擦运动的关键部件，其结构主要由气浮结构和预紧力结构组成。

传统的气足结构为一体式气足结构，即气浮结构和真空预紧力结构由一块气足板加工成一体。方形气足板的底面四个角为气浮结构，中心为真空预紧力结构。气足工作时，气浮结构通入正压气体，在气足与大理石平台之间形成气膜，使气足受到气浮力N的支撑，保证气足在大理石平台上作无摩擦运动；真空预紧力结构则通入负压气体，使气足受到与气浮力N方向相反的真空预紧力F作用。通过调节气浮力N和真空预紧力F的大小，可以调节气足的气浮刚度。如果提高气足的气浮刚度，需要同时增加气浮压力N和真空预紧力F，而增加真空预紧力F会导致气足板中部产生弯曲，由于气浮的气膜厚度δ一般只有几微米到十几微米，因此，当弯曲量σ过大使气足板中部与平台接触时，气足运动将产生机械摩擦，使气浮结构失去作用。

美国专利US5760564提出一种4趾气足导向结构方案，它由四个单独的气浮垫组合安装的方式实现运动台的平面导向功能。这种方案依靠运动机构的自身重力作为气浮预载力，气浮刚度和气膜的厚度均难以提高，给导向面的要求极高，结构制造较难。

美国专利US5204712提出一种圆形整体式气足导向结构方案，其组成包括正压悬浮和真空预载构建平面导向机构。这种方案真空负压区较难提供更大的预载力以提高气足刚度，正压和负压配合容易导致气足产生较大的变形，从而产生气振、气膜变化、刚度变化等问题。

现有的这些技术中的真空预紧力结构采用真空式，需要提供气路结构，且对于较大面积的吸附，真空预紧力结构变形较大，另外真空预紧力结构也可能导致真空泄露，不能提供足够大的气浮刚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分体式气足及平面导向装置，以解决现有技术中的诸如气足板变形，真空泄露等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种分体式气足，用于支撑运动台在平台上方作无摩擦运动，包括，

多个气浮结构，所述气浮结构之间通过第一簧片连接，所述气浮结构为阶梯状；

磁预载结构，所述磁预载结构与所述气浮结构分体式连接，置于气浮结构的阶梯上，所述磁预载结构包括磁预载板和分布于其内的磁铁阵列。

可选的，对于所述的分体式气足，所述第一簧片在各气浮结构的排列方向上的刚性比其垂直于各气浮结构排列方向的刚性高。

可选的，对于所述的分体式气足，还包括第二簧片，所述第二簧片连接所述磁预载板和所述气浮结构。

可选的，对于所述的分体式气足，所述第二簧片在各气浮结构的排列方向上的刚性比其垂直于各气浮结构排列方向的刚性高。

可选的，对于所述的分体式气足，所述第二簧片包括本体和垂向连接部，所述本体的一侧与所述气浮结构连接，另一侧通过所述垂向连接部与所述磁预载板连接。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁预载结构的厚度小于所述气浮结构的厚度。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为多个。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为对称结构。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为上下对称结构。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为左右对称结构。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为上下左右对称结构。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为NS阵列。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁铁阵列为Halbach阵列。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁预载板上设有用于装配所述磁铁阵列的凹槽。

可选的，对于所述的分体式气足，所述气浮结构为四个。

可选的，对于所述的分体式气足，所述磁预载结构为多个。

本发明提供一种平面导向装置，包括如上所述的分体式气足及平台；

所述磁预载板通过所述磁铁阵列和所述平台之间的磁预紧力与所述气浮结构压紧；所述磁预载结构受到的磁预紧力在所述各气浮结构上的作用点分别对应位于各气浮结构的中心。

可选的，对于所述的平面导向装置，所述平台为硅钢导轨平台。

可选的，对于所述的平面导向装置，所述硅钢导轨平台的硅钢片横向和纵向交叉叠合。

可选的，对于所述的平面导向装置，所述硅钢导轨平台的上表面涂有一层树脂。

与现有技术相比，本发明提供的分体式气足将气浮结构和磁预载结构分离，保证了气浮结构不会受到磁预紧力的作用而变形，而磁预载结构也不会碰触到平台，此设计既能避免气浮结构受损，又避免了传统真空预紧力结构的缺陷。在此基础上形成的平面导向装置能够很好的满足气浮的刚性需求，使得其支撑的运动台的稳定性得到极大的提高。

附图说明

图1为本发明实施例的分体式气足的俯视图；

图2为本发明实施例的分体式气足的仰视图；

图3为图1中沿A-A面的剖视图；

图4为本发明实施例的平面导向装置的剖视图；

图5为本发明实施例平面导向装置中硅钢导轨平台结构的俯视图。

图6为本发明平面导向装置中硅钢导轨平台结构的主视图。

图7为本发明平面导向装置工作原理图。

图8为单个磁铁阵列随着其自身高度在Z向变化时磁预紧分力大小示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的分体式气足及平面导向装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1~图3，一种分体式气足，用于支撑运动台在平台上方作无摩擦运动，包括，气足板1，所述气足板1可以为矩形，具体的，所述气足板1包括多个气浮结构2，所述气浮结构2之间通过第一簧片3连接，在本实施例中，所述气浮结构为4个，对称的分布于所述气足板的四个角上，也可以为其他数量，但要以能够达到较好的支撑为宜，所述第一簧片3水平向（即各气浮结构2的排列方向，下同）为高刚性，用于维持四个气浮结构2水平向的稳定性，使其不会产生水平向的相对运动；所述第一簧片3垂向（即垂直于各气浮结构2的排列方向，下同）为低刚性，用于四个气浮结构2垂向气浮力之间解耦，所述水平向的刚性高于所述垂向的刚性。所述气浮结构2为阶梯状。

设置在所述气浮结构2上的磁预载结构，具体的，所述磁预载结构与所述气浮结构2分体式连接，置于气浮结构2的阶梯上。所述磁预载结构的厚度小于所述气浮结构2的厚度。所述磁预载结构包括磁预载板5和分布于其中的磁铁阵列6，所述磁铁阵列6可以为多个，所述磁预载板5和所述气浮结构2之间设有用于在水平向定位所述磁预载结构的第二簧片4，限制磁预载结构的水平向和绕水平向旋转的自由度；所述第二簧片4包括本体和垂向连接部（在此为垂向簧片），所述本体的一侧与所述气浮结构2连接，另一侧通过所述垂向连接部与所述磁预载板5连接。所述第二簧片4水平向为高刚性，用于用于维持所述分体式气足在跟随运动台运动时气浮结构2和磁预载结构水平向的相对静止（即不会产生水平向的相对运动）；所述第二簧片4垂向为低刚性，使得磁预载力完全通过所述磁预载结构与所述气浮结构2的连接点作用在所述气浮结构2上，所述水平向的刚性高于所述垂向的刚性。

具体的，请参考将图1按照折线A-A剖开得到的图3，所述气浮结构2的上部为阶梯状结构，所述磁预载结构设置在气浮结构2之间，放置于所述气浮结构2的阶梯上。所述磁预载板5上设有用于装配各个所述磁铁阵列6的凹槽7，磁铁阵列6位于磁预载版5的凹槽7中，在该图中还可看出，磁铁阵列6由其上方固定装置61固定。

所述多个磁铁阵列6可以为对称结构，如可以为上下对称结构、左右对称结构和上下左右对称结构，或者也可以为其他结构，如轴对称结构等，这可以根据磁铁阵列6的数量来决定，所述磁铁阵列6可以为传统的NS阵列，也可以为Halbach阵列。

请参考图4，本申请提供一种平台，其为硅钢导轨平台8，结合上述分体式气足，可得到一种平面导向装置，所述磁预载结构与所述气浮结构2的四个连接点和所述四个气浮结构2的中心一一对应，其所成直线皆垂直于所述硅钢导轨平台8，具体的，如图4中所示，连接点P₁与气浮结构2的中心O₁所成的直线L₁垂直于所述平台8，所述磁预载板5通过所述磁铁阵列6和所述硅钢导轨平台8之间产生的磁预紧力与所述气浮结构2压紧。

请参考图5，所述硅钢导轨平台8采用的硅钢片81为横向和纵向交叉叠合组成，这种设计有利于减少涡流，降低涡流影响，使其有着较佳的效果和使用寿命。

接着，如图6所示，为了提高硅钢导轨平台8的平整度，优选的，所述硅钢导轨平台8的上表面涂有一层树脂82，所述硅钢导轨平台8置于基座83上。

请参考图7，本发明平面导向装置的工作原理为：分体式气足工作时，气足板受到四个气浮结构2产生的气浮力N的作用（每个气浮结构2均对所述气足板施加气浮力N的作用），所述气浮力N的作用点在各个气浮结构2的中心O₁、O₂、O₃、O₄，方向垂直于所述硅钢导轨平台8向上，使整个分体式气足悬浮在硅钢导轨平台8上；四个气浮结构2之间的第一簧片用于保证四个气浮结构不会产生水平向的相对运动，同时用于保证四个气浮结构2垂向气浮力之间的解耦。

通过磁预载结构的磁铁阵列6和硅钢导轨平台8之间的吸附作用，使磁预载板5受到磁预紧力F的作用，并通过位于四个气浮结构2的中心O₁、O₂、O₃、O₄垂直作用在气足板上。因此，磁预载结构对气足板施加的磁预紧力可分解为四个磁预紧分力F₁、F₂、F₃、F₄，所述四个分力F₁、F₂、F₃、F₄的作用点分别与所述四个气浮结构2的中心O₁、O₂、O₃、O₄相对应，且在同一条垂直于所述平台的直线上，方向均垂直于所述硅钢导轨平台8向下，即可等效为所述磁预紧力的四个分力F₁、F₂、F₃、F₄的作用点分别位于所述四个气浮结构2的中心O₁、O₂、O₃、O₄，且磁预紧力F=F₁+F₂+F₃+F₄。各个磁铁阵列6随着其自身高度在Z向变化时磁预紧分力大小示意图如图7所示。调试时，使得四个气浮结构2的气浮力N的合力与所述四个磁预紧分力F₁、F₂、F₃、F₄的合力F大小相等，方向相反，作用点在同一条垂直于所述硅钢导轨平台8的直线上，因此，所述气浮结构2不会因为磁预紧力F的作用而产生弯曲变形；虽然磁预载板5受到磁预紧力F的作用时会产生弯曲，但是磁预载板5的弯曲量ε是小于磁预载板5或磁铁阵列6到硅钢导轨平台8的距离γ，故气浮结构2能够正常工作，而距离γ比弯曲量ε大是很容易通过结构设计得到保证。

本发明分体式气足将气浮结构和磁预载结构分离，保证了气浮结构不会受到磁预紧力的作用而变形，而磁预载结构也不会碰触到平台，此设计既能避免气浮结构受损，又避免了传统真空预紧力结构的缺陷。在此基础上形成的平面导向装置能够很好的满足气浮的刚性需求，使得其支撑的运动台的稳定性得到极大的提高。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种分体式气足，用于支撑运动台在平台上方作无摩擦运动，其特征在于，包括：

多个气浮结构，所述气浮结构之间通过第一簧片连接，所述气浮结构为阶梯状；

磁预载结构，所述磁预载结构与所述气浮结构分体式连接，置于气浮结构的阶梯上，所述磁预载结构包括磁预载板和分布于其中的磁铁阵列；所述第一簧片在各气浮结构的排列方向上的刚性比其垂直于各气浮结构排列方向的刚性高；还包括第二簧片，所述第二簧片连接所述磁预载板和所述气浮结构。

2.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述第二簧片在各气浮结构的排列方向上的刚性比其垂直于各气浮结构排列方向的刚性高。

3.如权利要求2所述的分体式气足，其特征在于，所述第二簧片包括本体和垂向连接部，所述本体的一侧与所述气浮结构连接，另一侧通过所述垂向连接部与所述磁预载板连接。

4.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述磁预载结构的厚度小于所述气浮结构的厚度。

5.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为多个。

6.如权利要求5所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为对称结构。

7.如权利要求6所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为上下对称结构。

8.如权利要求6所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为左右对称结构。

9.如权利要求6所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为上下左右对称结构。

10.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为NS阵列。

11.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述磁铁阵列为Halbach阵列。

12.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述磁预载板上设有用于装配所述磁铁阵列的凹槽。

13.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述气浮结构为四个。

14.如权利要求1所述的分体式气足，其特征在于，所述磁预载结构为多个。

15.一种平面导向装置，其特征在于，包括如权利要求1～14中任一项所述的分体式气足及平台；

所述磁预载板通过所述磁铁阵列和所述平台之间的磁预紧力与所述气浮结构压紧；所述磁预载结构受到的磁预紧力在所述各气浮结构上的作用点分别对应位于各气浮结构的中心。

16.如权利要求15所述的平面导向装置，其特征在于，所述平台为硅钢导轨平台。

17.如权利要求16所述的平面导向装置，其特征在于，所述硅钢导轨平台的硅钢片横向和纵向交叉叠合。

18.如权利要求17所述的平面导向装置，其特征在于，所述硅钢导轨平台的上表面涂有一层树脂。