CN109129412A - 一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法 - Google Patents

一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法，包括平面底板和上位机，平面底板上设置有X轴运动组件、Y轴运动组件、中间运动组件、宏运动驱动机构和微运动驱动机构；X轴运动组件包括第一导轨和第一运动滑块；Y轴运动组件包括第二导轨和第二运动滑块；中间运动组件包括X轴导轨、Y轴导轨、中间平台；宏运动驱动机构用于驱动第一运动滑块和第二运动滑块的宏运动进给；微运动驱动机构用于驱动第一运动滑块和第二运动滑块的微运动补偿。上述二维解耦宏微运动平台在实际工作过程中，通过互无干扰的宏微结构，实现了高速运行和精密误差补偿的双向发展，能够实现简单快捷的高精度运动。

Description

一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法
技术领域
本发明涉及微电子制造技术领域，尤其涉及一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法。
背景技术
微电子产品高质量高产能的制造，取决于关键机构的高精度定位与高加速度运动的二者兼顾。高精度与高加速度运动与定位可采用宏微运动相结合的复合运动实现，国内外已有类似研究。然而，宏微复合高速运动及其子系统运动的切换机理及行为描述等核心问题，包括数学描述、振动行为、运动特性、以及稳定性评价等，一直未得以有效解决。高速精密运动平台的结构设计、在振动抑制方法设计与控制策略确定，成为提高当前与未来微电子制造装备及其运动平台的关键。此外，微纳米运动生成的致动器系统，涉及电、磁、机构、功能材料等多物理场耦合建模，运动性能受到多场多因素影响约束与影响，是多学科融合的科学难题；宏微复合运动工况下基于功能材料的微纳米精度生成的机理，尤其是材料特性、结构尺寸与组成成分对非线性迟滞、蠕变与漂移效应的物理本质与影响规律，相关理论的缺欠一直限制着高速运动平台的精确性。
目前，宏微运动平台的高速运动与精密运动之间的矛盾，已经成为微电子制造装备向着大行程、高速、高加速度、高精度等高性能指标发展的瓶颈。
综上所述，如何解决宏微运动平台向高速运行和精密运动双向发展存在瓶颈的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法，以解决宏微运动平台向高速运行和精密运动双向发展存在瓶颈的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种二维解耦宏微运动平台，包括平面底板和上位机，所述平面底板上设置有X轴运动组件、Y轴运动组件、中间运动组件、宏运动驱动机构和微运动驱动机构；
所述X轴运动组件包括两个沿X轴方向平行布置的第一导轨和分别设置在所述第一导轨上且能够沿对应的所述第一导轨滑动的第一运动滑块；
所述Y轴运动组件包括两个沿Y轴方向平行布置的第二导轨和分别设置在所述第二导轨上且能够沿对应的所述第二导轨滑动的第二运动滑块；
所述中间运动组件包括两端分别连接于两个所述第二运动滑块上的X轴导轨、两端分别连接于两个所述第一运动滑块上的Y轴导轨、中间平台；
所述X轴导轨上设置有X轴光栅尺，所述Y轴导轨上设置有Y轴光栅尺，且所述X轴导轨和所述Y轴导轨呈十字交叉的方式布置；所述中间平台位于所述十字交叉的一个交叉角上且能够随所述X轴导轨和所述Y轴导轨的运动而运动，所述中间平台上设置有第一读数头和第二读数头；所述第一读数头用于读取所述X轴光栅尺的读数，所述第二读数头用于读取所述Y轴光栅尺的读数；
所述第一读数头、所述第二读数头、所述宏运动驱动机构和所述微运动驱动机构均与所述上位机连接，且所述宏运动驱动机构用于驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块的宏运动进给；所述微运动驱动机构用于驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块的微运动补偿。
优选地，所述宏运动驱动机构为直线电机。
优选地，所述微运动驱动机构包括压电陶瓷驱动器和用于读取所述第一运动滑块和所述第二运动滑块的微运动数值的电容传感器。
优选地，所述压电陶瓷驱动器的结构形式为压电陶瓷结合弹簧的结构形式。
优选地，所述中间平台对应与所述X轴导轨接触的位置设置有第一导轨滚轮，所述中间平台对应与所述Y轴导轨接触的位置设置有第二导轨滚轮。
优选地，所述平面底板的底部还设置有隔震平台。
优选地，所述隔震平台为大理石平台。
相比于背景技术介绍内容，上述二维解耦宏微运动平台，包括平面底板和上位机，平面底板上设置有X轴运动组件、Y轴运动组件、中间运动组件、宏运动驱动机构和微运动驱动机构；X轴运动组件包括两个沿X轴方向平行布置的第一导轨和分别设置在第一导轨上且能够沿对应的第一导轨滑动的第一运动滑块；Y轴运动组件包括两个沿Y轴方向平行布置的第二导轨和分别设置在第二导轨上且能够沿对应的第二导轨滑动的第二运动滑块；中间运动组件包括两端分别连接于两个第二运动滑块上的X轴导轨、两端分别连接于两个第一运动滑块上的Y轴导轨、中间平台；X轴导轨上设置有X轴光栅尺，Y轴导轨上设置有Y轴光栅尺，且X轴导轨和Y轴导轨呈十字交叉的方式布置；中间平台位于十字交叉的一个交叉角上且能够随X轴导轨和Y轴导轨的运动而运动，中间平台上设置有第一读数头和第二读数头；第一读数头用于读取X轴光栅尺的读数，第二读数头用于读取Y轴光栅尺的读数；第一读数头、第二读数头、宏运动驱动机构和微运动驱动机构均与上位机连接，且宏运动驱动机构用于驱动第一运动滑块和第二运动滑块的宏运动进给；微运动驱动机构用于驱动第一运动滑块和第二运动滑块的微运动补偿。上述二维解耦宏微运动平台在实际工作过程中，以中间平台的初始位置为原点，建立宏运动直角坐标系，通过上位机向宏运动驱动机构发送宏运动行程的指令，宏运动驱动机构驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行宏运动进给，具体的宏运动过程为上位机通过第一读数头获取X轴光栅尺的读数，通过第二读数头获取Y轴光栅尺的读数，并与宏运动行程的数值作比较，判断是否在预设宏运动定位精度范围内，若是，则宏运动补偿完成，若否则宏运动驱动机构继续驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行宏运动进给；当宏运动结束后，上位机向微运动驱动机构发送微运动行程的指令，微运动驱动机构驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行微运动补偿，具体的微运动补偿过程为：上位机通过微运动驱动机构获得中间平台在X轴方向和Y轴方向的微运动读数，并与微运动行程的数值作比较，判断是否在预设微运动定位精度范围内，若是，则微运动的补偿完成并结束，若否则微运动驱动机构继续驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行微运动补偿。上述二维解耦宏微运动平台，实现了在X、Y方向的运动解耦，降低了X、Y两个运动方向的干扰，从而减少了复杂的结构环节与宏微复杂运动所带来的影响。也即通过互无干扰的宏微结构，实现了高速运行和精密误差补偿的双向发展，能够实现简单快捷的高精度运动。
另外，本发明还提供了一种二维解耦宏微运动平台的补偿方法，该补偿方法应用于上述任一方案所描述的二维解耦宏微运动平台，具体包括步骤：
步骤S1：以中间平台的初始位置为原点，建立宏运动直角坐标系；
步骤S2：通过上位机向宏运动驱动机构发送宏运动行程的指令，所述宏运动驱动机构驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块执行宏运动进给；
步骤S3：所述上位机通过第一读数头获取X轴光栅尺的读数，通过第二读数头获取Y轴光栅尺的读数，并与宏运动行程的数值作比较，判断是否在预设宏运动定位精度范围内，若是，则宏运动补偿完成并进入下一步，若否则返回步骤S2；
步骤S4：通过上位机向微运动驱动机构发送微运动行程的指令，所述微运动驱动机构驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块执行微运动补偿；
步骤S5：所述上位机通过微运动驱动机构获得中间平台在X轴方向和Y轴方向的微运动读数，并与所述微运动行程的数值作比较，判断是否在预设微运动定位精度范围内，若是，则微运动的补偿完成并结束，若否则返回步骤S4。
由于补偿方法的应用基础是二维解耦宏微运动平台，而上述二维解耦宏微运动平台具有上述技术效果，因此该补偿方法也应继承相应的技术效果，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例提供的二维解耦宏微运动平台的各运动组件的布置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的中间平台的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的微运动驱动机构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的二维解耦宏微运动平台上的X轴轨道上对应的部件与上位机的连接结构示意图；
图5为本发明实施例提供的二维解耦宏微运动平台执行宏微运动的控制流程图。
上图1-图5中，
平面底板1、上位机2、第一导轨3、第一运动滑块4、第二导轨5、第二运动滑块6、X轴导轨7、Y轴导轨8、中间平台9、X轴光栅尺10、Y轴光栅尺11、第一读数头12、第二读数头13、宏运动驱动机构14、微运动驱动机构15、压电陶瓷驱动器16、电容传感器17、第一导轨滚轮18、第二导轨滚轮19、隔震平台20。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种二维解耦宏微运动平台及其补偿方法，以解决宏微运动平台向高速运行和精密运动双向发展存在瓶颈的问题。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-图5所示，本发明实施例提供的一种二维解耦宏微运动平台，包括平面底板1和上位机2，平面底板1上设置有X轴运动组件、Y轴运动组件、中间运动组件、宏运动驱动机构14和微运动驱动机构15；X轴运动组件包括两个沿X轴方向平行布置的第一导轨3和分别设置在第一导轨3上且能够沿对应的第一导轨3滑动的第一运动滑块4；Y轴运动组件包括两个沿Y轴方向平行布置的第二导轨5和分别设置在第二导轨5上且能够沿对应的第二导轨5滑动的第二运动滑块6；中间运动组件包括两端分别连接于两个第二运动滑块5上的X轴导轨7、两端分别连接于两个第一运动滑块4上的Y轴导轨8、中间平台9；X轴导轨7上设置有X轴光栅尺10，Y轴导轨8上设置有Y轴光栅尺11，且X轴导轨7和Y轴导轨8呈十字交叉的方式布置；中间平台9位于十字交叉的一个交叉角上且能够随X轴导轨7和Y轴导轨8的运动而运动，中间平台9上设置有第一读数头12和第二读数头13；第一读数头12用于读取X轴光栅尺10的读数，第二读数头13用于读取Y轴光栅尺11的读数；第一读数头12、第二读数头13、宏运动驱动机构14和微运动驱动机构15均与上位机2连接，且宏运动驱动机构14用于驱动第一运动滑块4和第二运动滑块6的宏运动进给；微运动驱动机构15用于驱动第一运动滑块4和第二运动滑块6的微运动补偿。
上述二维解耦宏微运动平台在实际工作过程中，以中间平台的初始位置为原点，建立宏运动直角坐标系，通过上位机向宏运动驱动机构发送宏运动行程的指令，宏运动驱动机构驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行宏运动进给，具体的宏运动过程为上位机通过第一读数头获取X轴光栅尺的读数，通过第二读数头获取Y轴光栅尺的读数，并与宏运动行程的数值作比较，判断是否在预设宏运动定位精度范围内，若是，则宏运动补偿完成，若否则宏运动驱动机构继续驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行宏运动进给；当宏运动结束后，上位机向微运动驱动机构发送微运动行程的指令，微运动驱动机构驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行微运动补偿，具体的微运动补偿过程为：上位机通过微运动驱动机构获得中间平台在X轴方向和Y轴方向的微运动读数，并与微运动行程的数值作比较，判断是否在预设微运动定位精度范围内，若是，则微运动的补偿完成并结束，若否则微运动驱动机构继续驱动第一运动滑块和第二运动滑块执行微运动补偿。上述二维解耦宏微运动平台，实现了在X、Y方向的运动解耦，降低了X、Y两个运动方向的干扰，从而减少了复杂的结构环节与宏微复杂运动所带来的影响。也即通过互无干扰的宏微结构，实现了高速运行和精密误差补偿的双向发展，能够实现简单快捷的高精度运动。
在一些具体的实施方案中，上述宏运动驱动机构14优选为直线电机。具体的第一、第二运动滑块与对应的直线电机的动子固定连接，定子固定在平面底板上。当然可以理解的是，上述直线电机仅仅是本发明实施例对于宏运动驱动机构的优选举例而已，实际应用过程中，还可以是本领域技术人员常用的其他驱动机构。
在一些具体的实施方案中，上述微运动驱动机构15具体可以包括压电陶瓷驱动器16和用于读取第一运动滑块4和第二运动滑块6的微运动数值的电容传感器17。这样微运动过程为通过电容传感器读取微运动的运动坐标值并反馈给上位机2，然后上位机控制压电陶瓷驱动器驱动第一、第二运动滑块做相应的微运动补偿。
在一些更具体的实施方案中，上述压电陶瓷驱动器16的结构形式优选为压电陶瓷结合弹簧的结构形式。当然可以理解的是，上述压电陶瓷结合弹簧的结构形式仅仅是本发明实施例对于压电陶瓷驱动器的结构形式的优选举例而已，实际应用过程中，还可以是本领域技术人员常用的其他结构形式，比如压电陶瓷结合柔性铰链结构等。
进一步地实施方案中，上述中间平台9对应与X轴导轨7接触的位置设置有第一导轨滚轮18，中间平台9对应与Y轴导轨8接触的位置设置有第二导轨滚轮19。通过设置第一导轨滚轮和第二导轨滚轮使得中间平台随X轴导轨和Y轴导轨运动而运动是，由滑动摩擦变成滚动摩擦，运动更加顺畅，减小了摩擦阻力。
此外，一般来说，在平面底板1的底部还设置有隔震平台20，并且该隔震平台20一般优选为大理石平台。
另外，本发明还提供了一种二维解耦宏微运动平台的补偿方法，该补偿方法应用于上述任一方案所描述的二维解耦宏微运动平台，具体包括步骤：
步骤S1：以中间平台的初始位置为原点，建立宏运动直角坐标系；
步骤S2：通过上位机向宏运动驱动机构发送宏运动行程的指令，所述宏运动驱动机构驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块执行宏运动进给；
步骤S3：所述上位机通过第一读数头获取X轴光栅尺的读数，通过第二读数头获取Y轴光栅尺的读数，并与宏运动行程的数值作比较，判断是否在预设宏运动定位精度范围内，若是，则宏运动补偿完成并进入下一步，若否则返回步骤S2；
步骤S4：通过上位机向微运动驱动机构发送微运动行程的指令，所述微运动驱动机构驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块执行微运动补偿；
步骤S5：所述上位机通过微运动驱动机构获得中间平台在X轴方向和Y轴方向的微运动读数，并与所述微运动行程的数值作比较，判断是否在预设微运动定位精度范围内，若是，则微运动的补偿完成并结束，若否则返回步骤S4。
由于补偿方法的应用基础是二维解耦宏微运动平台，而上述二维解耦宏微运动平台具有上述技术效果，因此该补偿方法也应继承相应的技术效果，在此不再赘述。
为了本领域技术人员更好的理解本发明提供的二维解耦宏微运动平台的工作原理，下面结合具体的运动过程进行说明：
工作原理主要为平台的宏进给由直线电机进行快速进给，宏平台快速稳定后由压电陶瓷及弹簧组成的二维微平台进行微补偿，实现快速进给与精密补偿。
平台的运动过程中，首先选择X/Y运动轴进行运动，通过上位机输入需要达到的位移(预设值)，然后驱动直线电机进行宏运动，带动平台先以高加速度(通常>10g)进行高速运动，到宏运动行程终点前以同样的加速度进行减速运动。过程中通过安装在中间平台上的光栅尺的第一、第二读数头来读取十字导轨(即中间平台X/Y轴导轨)上的光栅尺数据，将此信息发送至上位机，以确定宏运动当前的位置，当测量到达一个阈值后，宏运动进给结束。随后上位机将位置信息与预设值比较，确定两者差值并输出微位移指令给压电陶瓷驱动器，通过其微动进行精密补偿，以此达到最终预设值。
这里需要说明的是，在平台启动时，上位机向压电陶瓷驱动器施加预设电压，使其伸长量为压电陶瓷总行程的一半，以便运动过程中微动平台对宏平台X/Y轴运动正反两个方向均可进行微补偿。如图5所示，首先确定初始位置原点，以此原点建立宏运动坐标系，然后由上位机向X/Y轴宏运动驱动机构发送宏运动行程(Shx/Shy)的指令，宏运动驱动机构进行响应，X/Y轴直线电机驱动进给，在宏运动行程中，第一、第二读数头将X/Y轴增量光栅尺的读数(Nhx/Nhy)送回上位机，当其小于阈值e1时，宏运动停止。随后，根据宏运动定位误差通过微动平台进行精密补偿，上位机向微运动驱动机构发送X/Y轴微运动行程(SWx/SWy)的指令，微运动驱动机构进行响应，X/Y轴压电陶瓷驱动进给，X/Y轴电容传感器将传感器读数(Nwx/Nwy)送回上位机，当其小于阈值e2时，微补偿运动停止。在整个运动过程中，宏运动坐标系的原点始终是以初始位置为原点，微运动的补偿使X/Y轴宏运动相对原点运动行程尽可能地靠近上位机给定的行程量，即X/Y轴直线电机相对原点的运动增量与给定行程量在给定的误差范围内。其中，e1为宏运动定位精度、e2为微运动定位精度。
以上对本发明所提供的二维解耦宏微运动平台及其补偿方法进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种二维解耦宏微运动平台，其特征在于，包括平面底板(1)和上位机(2)，所述平面底板(1)上设置有X轴运动组件、Y轴运动组件、中间运动组件、宏运动驱动机构(14)和微运动驱动机构(15)；
所述X轴运动组件包括两个沿X轴方向平行布置的第一导轨(3)和分别设置在所述第一导轨(3)上且能够沿对应的所述第一导轨(3)滑动的第一运动滑块(4)；
所述Y轴运动组件包括两个沿Y轴方向平行布置的第二导轨(5)和分别设置在所述第二导轨(5)上且能够沿对应的所述第二导轨(5)滑动的第二运动滑块(6)；
所述中间运动组件包括两端分别连接于两个所述第二运动滑块(5)上的X轴导轨(7)、两端分别连接于两个所述第一运动滑块(4)上的Y轴导轨(8)、中间平台(9)；
所述X轴导轨(7)上设置有X轴光栅尺(10)，所述Y轴导轨(8)上设置有Y轴光栅尺(11)，且所述X轴导轨(7)和所述Y轴导轨(8)呈十字交叉的方式布置；所述中间平台(9)位于所述十字交叉的一个交叉角上且能够随所述X轴导轨(7)和所述Y轴导轨(8)的运动而运动，所述中间平台(9)上设置有第一读数头(12)和第二读数头(13)；所述第一读数头(12)用于读取所述X轴光栅尺(10)的读数，所述第二读数头(13)用于读取所述Y轴光栅尺(11)的读数；
所述第一读数头(12)、所述第二读数头(13)、所述宏运动驱动机构(14)和所述微运动驱动机构(15)均与所述上位机(2)连接，且所述宏运动驱动机构(14)用于驱动所述第一运动滑块(4)和所述第二运动滑块(6)的宏运动进给；所述微运动驱动机构(15)用于驱动所述第一运动滑块(4)和所述第二运动滑块(6)的微运动补偿。
2.如权利要求1所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，所述宏运动驱动机构(14)为直线电机。
3.如权利要求1所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，所述微运动驱动机构(15)包括压电陶瓷驱动器(16)和用于读取所述第一运动滑块(4)和所述第二运动滑块(6)的微运动数值的电容传感器(17)。
4.如权利要求3所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器(16)的结构形式为压电陶瓷结合弹簧的结构形式。
5.如权利要求1所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，所述中间平台(9)对应与所述X轴导轨(7)接触的位置设置有第一导轨滚轮(18)，所述中间平台(9)对应与所述Y轴导轨(8)接触的位置设置有第二导轨滚轮(19)。
6.如权利要求1所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，所述平面底板(1)的底部还设置有隔震平台(20)。
7.如权利要求6所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，所述隔震平台(20)为大理石平台。
8.一种二维解耦宏微运动平台的补偿方法，所述补偿方法应用于如权利要求1-7中任一项所述的二维解耦宏微运动平台，其特征在于，包括步骤：
步骤S1：以中间平台的初始位置为原点，建立宏运动直角坐标系；
步骤S2：通过上位机向宏运动驱动机构发送宏运动行程的指令，所述宏运动驱动机构驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块执行宏运动进给；
步骤S3：所述上位机通过第一读数头获取X轴光栅尺的读数，通过第二读数头获取Y轴光栅尺的读数，并与宏运动行程的数值作比较，判断是否在预设宏运动定位精度范围内，若是，则宏运动补偿完成并进入下一步，若否则返回步骤S2；
步骤S4：通过上位机向微运动驱动机构发送微运动行程的指令，所述微运动驱动机构驱动所述第一运动滑块和所述第二运动滑块执行微运动补偿；
步骤S5：所述上位机通过微运动驱动机构获得中间平台在X轴方向和Y轴方向的微运动读数，并与所述微运动行程的数值作比较，判断是否在预设微运动定位精度范围内，若是，则微运动的补偿完成并结束，若否则返回步骤S4。
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