CN109860072A - 一种变轨迹悬空物支撑机构及粗微动台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变轨迹悬空物支撑机构，包括线夹、滑动伸缩杆和架体连接块；所述滑动伸缩杆的两端分别与所述线夹铰接和所述架体连接块铰接，形成可转动连接；所述线夹夹设于变轨迹悬空物的重心处，所述架体连接块固定安装在加工设备的机架上。本发明具有结构简单、支撑力大且节省水平向空间等优点。同时，提供包括该变轨迹悬空物支撑机构的粗微动台。

Description

一种变轨迹悬空物支撑机构及粗微动台

技术领域

本发明属于微电子辅助装备领域，具体涉及一种变轨迹悬空物支撑机构及粗微动台。

背景技术

随着我国工业水平的不断提高，在精细加工领域的要求也越来越高，在精细加工设备有，往往需要配备能高速度、高精度运动的装置，即粗微动模块，与之配套有大量电气线缆以及水、气路管线，用以支持粗微动模块中的大量电机、传感器、冷却板和气动等元件功能的实现。因而需要在有限空间内对特定运动轨迹的大量线缆提供稳定的支撑，使之在高速，高频的运动过程中，始终稳定快速的跟随粗微动台(或者粗微动线缆台)运动。

但目前并没有此类支撑结构，导致U型线缆，即变轨迹悬空物在极限位置出现大面积悬空的状态。因此亟待开发一种装置使线缆不会与底部框架干涉摩擦，从而保证粗微动模块的正常工作。

然而，由于变轨迹悬空物随粗微动模块的运动装置通常在平面内做直线、曲线等多种运动，因此支撑结构的受力点位置不确定，这给支撑结构的开发带来了极大的困难。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种变轨迹悬空物支撑机构，旨在解决现有的U型线缆在随粗微动模块运动时得不到有力支撑的技术问题；同时，提供包括该变轨迹悬空物支撑机构的粗微动台。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种变轨迹悬空物支撑机构，包括线夹、滑动伸缩杆和架体连接块；所述滑动伸缩杆的两端分别与所述线夹铰接和所述架体连接块铰接，形成可转动连接；所述线夹夹设于变轨迹悬空物上，所述架体连接块用于固定安装在加工设备的机架上。

为了更加稳定地支撑变轨迹悬空物，所述线夹应夹设于变轨迹悬空物的重心处。

进一步，所述滑动伸缩杆包括杆身和固定在其两端的铰链接口块，两个所述铰链接口块分别固定在所述杆身的两端，所述铰链接口块上开设有一个竖向的连接通孔，分别用于与线夹和架体连接块铰接。

更进一步，所述杆身包括N个线性导轨、N-1个导轨连接块和两个端部连接块；所述线性导轨、导轨连接块和端部连接块呈直线型排列，N-1个所述导轨连接块间隔设置在N个所述线性导轨之间，所述导轨连接块的两端分别与相邻的线性导轨形成滑动连接，能够沿杆身方向往复运动；两个所述端部连接块分别与一个靠近所述杆身两端的所述线性导轨远离杆身的一端连接；所述铰链接口块与所述端部连接块距离所述杆身最远的端面连接，以形成直线形的杆身；其中N为≥2的整数。

更进一步，所述线性导轨为抽拉式线性导轨，所述导轨连接块上开设有相互平行且贯通的两个卡槽，分别用于与相邻的两个所述抽拉式线性导轨卡接，用于在收缩时将抽拉式线性导轨容纳到所述导轨连接块内来减少占用的水平向空间；所述端部连接块上开设有一端开口一端封闭的卡槽，开口的一端与靠近端部的一个抽拉式线性导轨连接，封闭的一端与所述铰链接口块连接。

更进一步，所述抽拉式线性导轨为三段抽拉式线性导轨。

更进一步，所述线性导轨为交叉滚柱导轨，该交叉滚柱导轨包括两个滑臂，一个滑臂为导轨上臂，另一个为导轨下臂；相邻两个所述导轨连接块一个与该交叉滚柱导轨的导轨上臂的自由端固定连接，另一个与该交叉滚柱导轨的导轨下臂的自由端固定连接。

再进一步，在所述交叉滚柱导轨与所述导轨连接块的连接处设置有缓冲器；在所述交叉滚柱导轨与端部连接块的连接处也设置有缓冲器。

再进一步，所述缓冲器为TUBUS阻尼器。

再进一步，所述杆身包括一个线性导轨和两个端部连接块；所述线性导轨和端部连接块呈直线型排列；所述线性导轨的两端分别与一个端部连接块连接，以形成直线形的杆身。

进一步，所述变轨迹悬空物为U型线缆，所述杆身的长度按如下方法确定，包括以下步骤：

S1：以U型线缆的固定端的固定点为零点即O点，以O点与所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点的连线为Y轴正方向，以U型线缆的移动端在水平面上的投影区间为第一象限，建立平面直角坐标系，O点的坐标为(0，0)；所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为E点，所述滑动伸缩杆与所述线夹的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为A点，以U型线缆回转半圆的圆心在该平面直角坐标系上的投影为B点，B点在Y轴上的投影为C点。

S2：以两根固定长度的杆件铰接而成的连杆机构代替所述滑动伸缩杆，其铰接点在S1建立的平面直角坐标系上的投影为D点。

S3：建立如下参数方程：

R*θ+(y-Rsin(θ))＝L/2

Rcos(θ)+X＝R

其中：R为U型线缆回转半径；θ为AC段的弧度；(X，Y)为A点座标，A点即为U型线缆的重心处；L为U型线缆的悬空段总长度。

S4：根据实际工况调整S3中建立方式的参数，模拟随着参数θ由0到π的连续变化，仿真A点于圆周和/或直线运动情况下的轨迹。

S5：根据S4的仿真结果，获取线段AE的极大值和极小值；其中，AE的极大值为滑动伸缩杆拉伸时的最大长度，AE的极小值为滑动伸缩杆收缩时的最小长度。

S6：根据S5得到的滑动伸缩杆拉伸时的最大长度和收缩时的最小长度制作所述滑动伸缩杆。

一种粗微动台，包括机架、粗微动模块、变轨迹悬空物支撑机构、U型线缆和控制器，所述U型线缆的一端与所述控制装置连接，另一端与粗微动模块连接且随其运动；所述变轨迹悬空物支撑机构的两端分别与所述U型线缆和机架连接，所述变轨迹悬空物支撑机构为上述任一变轨迹悬空物支撑机构。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用伸缩支撑杆作为核心支撑部件，可以最大程度地节省水平向空间。

2、本发明易于加工，维护成本低，可在不同工况条件下使用。

3、本发明结构简单，且占用最小的水平向空间，没有相对复杂的连杆长度调节过程。

附图说明

图1为实施例2的滑动伸缩杆拉伸状态结构示意图；

图2为实施例2的滑动伸缩杆收缩状态结构示意图；

图3为实施例3的滑动伸缩杆的杆身拉伸状态结构示意图；

图4为实施例3的滑动伸缩杆的杆身收缩状态结构示意图；

图5为实施例1的工况示意图；

图6为实施例1的参数方式示意图；

图7为实施例1连杆机构在某一特定位置可节省的水平向占用空间面积的示意图；

附图中：1—铰链接口块；11—连接通孔；21—线性导轨；22—导轨连接块；23—端部连接块；31—导轨上臂；32—导轨下臂；4—缓冲器。

具体实施方式

一种变轨迹悬空物支撑机构，如图1-4所示，包括线夹、滑动伸缩杆和架体连接块；所述滑动伸缩杆的两端分别与所述线夹铰接和所述架体连接块铰接，形成可转动连接；所述线夹夹设于变轨迹悬空物的重心处，所述架体连接块固定安装在加工设备的机架上。

作为优化，所述滑动伸缩杆包括杆身和铰链接口块1，两个所述铰链接口块1分别固定在所述杆身的两端，所述铰链接口块1上开设有一个竖向的连接通孔11，用于与线夹或架体连接块铰接。

所述铰链接口块1远离所述滑动伸缩杆的一端呈圆弧形，这样可以避免突出的棱角损伤变轨迹悬空物。

所述架体连接块上开设有一个与连接通孔11相匹配的铰接通孔，用于与之连接。所述架体连接块焊接、铆接或螺栓连接在所述加工设备的机架上。

作为优化，所述杆身包括N个线性导轨21、N-1个导轨连接块22和两个端部连接块23；所述线性导轨21、导轨连接块22和端部连接块23呈直线型排列，N-1个所述导轨连接块22间隔设置在N个所述线性导轨21之间，所述导轨连接块22的两端分别与相邻的线性导轨21形成滑动连接，能够沿杆身方向往复运动；两个所述端部连接块23分别与一个靠近所述杆身两端的所述线性导轨21远离杆身的一端连接；所述铰链接口块1与所述端部连接块23距离所述杆身最远的端面连接，以形成直线形的杆身；其中N为≥1的整数。

作为进一步优化，所述线性导轨21为抽拉式线性导轨，所述导轨连接块22上开设有相互平行且贯通的两个卡槽，分别用于与相邻的两个所述抽拉式线性导轨卡接，用于在收缩时将抽拉式线性导轨容纳到所述导轨连接块22内来减少占用的水平向空间；所述端部连接块23上开设有一端开口一端封闭的卡槽，开口的一端与靠近端部的一个抽拉式线性导轨连接，封闭的一端与所述铰链接口块1连接。

作为更进一步优化，所述抽拉式线性导轨21为三段抽拉式线性导轨。

作为优化，所述线性导轨21为交叉滚柱导轨，该交叉滚柱导轨包括两个滑臂，一个滑臂为导轨上臂31，另一个为导轨下臂32；相邻两个所述导轨连接块22一个与该交叉滚柱导轨的导轨上臂31的自由端固定连接，另一个与该交叉滚柱导轨的导轨下臂32的自由端固定连接。

作为进一步优化，在所述交叉滚柱导轨与所述导轨连接块22的连接处设置有缓冲器4，以消除在收缩时的跳动；在所述交叉滚柱导轨与端部连接块23的连接处也设置有缓冲器4。

作为更进一步优化，所述缓冲器4为TUBUS阻尼器。

作为优化，所述杆身包括一个线性导轨21和两个端部连接块23；所述线性导轨21和端部连接块23呈直线型排列；所述线性导轨21的两端分别与一个端部连接块23连接，以形成直线形的杆身。

其中，所述变轨迹悬空物为U型线缆，所述杆身的长度按如下方法确定，包括以下步骤：

S1：以U型线缆的固定端的固定点为零点即O点，以O点与所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点的连线为Y轴正方向，以U型线缆的移动端在水平面上的投影区间为第一象限，建立平面直角坐标系，O点的坐标为(0，0)；所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为E点，所述滑动伸缩杆与所述线夹的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为A点，以U型线缆回转半圆的圆心在该平面直角坐标系上的投影为B点，B点在Y轴上的投影为C点。

S2：以两根固定长度的杆件铰接而成的连杆机构代替所述滑动伸缩杆，其铰接点在S1建立的平面直角坐标系上的投影为D点。

S3：建立如下参数方程：

R*θ+(y-Rsin(θ))＝L/2 ①

Rcos(θ)+X＝R ②

其中：R为U型线缆回转半径；θ为AC段的弧度；(X，Y)为A点座标，A点即为U型线缆的重心处；L为U型线缆的悬空段总长度。

S4：根据实际工况调整S3中建立方式的参数，模拟随着参数θ由0到π的连续变化，仿真A点于圆周和/或直线运动情况下的轨迹。例如，在Solidworks草图绘制中根据参数方程绘制轨迹功能，实现U型线夹运动轨迹仿真，如图6所示点画线为线缆(变轨迹悬空物)支撑点实际运动轨迹。

S5：根据S4的仿真结果，获取线段AE的极大值和极小值；其中，AE的极大值为滑动伸缩杆拉伸时的最大长度，AE的极小值为滑动伸缩杆收缩时的最小长度。

S6：根据S5得到的滑动伸缩杆拉伸时的最大长度和收缩时的最小长度制作所述滑动伸缩杆。其较S2中的连杆机构在某一特定位置可节省的水平向占用空间面积的示意图如图7所示。

一种粗微动台，包括机架、粗微动模块、变轨迹悬空物支撑机构、U型线缆和控制器，所述U型线缆的一端与所述控制装置连接，另一端与粗微动模块连接且随其运动；所述变轨迹悬空物支撑机构的两端分别与所述U型线缆和机架连接，所述变轨迹悬空物支撑机构为上述任一变轨迹悬空物支撑机构。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

在实际生产中，微电子精加工设备通常包括以下装置(如图5所示)：

运动装置磁钢矩阵：粗微动台在上面做高速、高精度运动，所有线缆部分位于磁钢矩阵下方(图中未标出)。

粗微动台：在水平方向上四处运动。

U型线缆：U型线缆的运动端在Y方向上全程主动跟随粗微动台运动。

U型线缆支架：一端固定在底部框架上，左端线夹固定在整个悬空线缆中间处(线缆重心位置)。因此左端线夹在U型线缆的整个行程中，首先处于静止不动状态，然后做圆周和垂向(延纸面向上)合成运动，最后再向右做直线运动。

在以上工况下，设计本发明的变轨迹悬空物支撑机构，即用所述滑动伸缩杆替代连杆机构，其杆身的长度按如下方法确定：

S1：以U型线缆的固定端的固定点为零点即O点，以O点与所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点的连线为Y轴正方向，以U型线缆的移动端在水平面上的投影区间为第一象限，建立平面直角坐标系，O点的坐标为(0，0)；所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为E点，所述滑动伸缩杆与所述线夹的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为A点，以U型线缆回转半圆的圆心在该平面直角坐标系上的投影为B点，B点在Y轴上的投影为C点。

S2：以两根固定长度的杆件铰接而成的连杆机构代替所述滑动伸缩杆，其铰接点在S1建立的平面直角坐标系上的投影为D点。

S3：建立如下参数方程：

R*θ+(y-Rsin(θ))＝L/2 ①

Rcos(θ)+X＝R ②

其中：R为U型线缆回转半径；θ为AC段的弧度；(X，Y)为A点座标，A点即为U型线缆的重心处；L为U型线缆的悬空段总长度。

S4：根据实际工况调整S3中建立方式的参数，模拟随着参数θ由0到π的连续变化，仿真A点于圆周和/或直线运动情况下的轨迹。例如，在Solidworks草图绘制中根据参数方程绘制轨迹功能，实现U型线夹运动轨迹仿真，如图6所示点画线为线缆(变轨迹悬空物)支撑点实际运动轨迹。

S5：根据S4的仿真结果，获取线段AE的极大值和极小值；其中，AE的极大值为滑动伸缩杆拉伸时的最大长度，AE的极小值为滑动伸缩杆收缩时的最小长度。

S6：根据S5得到的滑动伸缩杆拉伸时的最大长度和收缩时的最小长度制作所述滑动伸缩杆。滑动伸缩杆可以直接选用市场上提供的线性滑轨、交叉滚柱导轨、钢球导轨等即可满足设计需求。此种情况直接选用合适导轨充当可伸缩连杆结构即可。

相比之前的更佳简洁，在运动仿真过程中需要考虑的干涉因素极少。是目前情况下可使用的变轨迹运动线缆或者重物支撑结构中占用水平向空间最少的结构。其较S2中的连杆机构在某一特定位置可节省的水平向占用空间面积的示意图如图7所示。

实施例2

根据实施例一的仿真结果，针对负载较大但对线缆或者重物的支撑允许一定程度的轻微跳动(因为多段线性滑轨在不同滑轨段间变换时会有一定程度的跳动)，同时考虑降低成本和不占用垂向空间时设计。

本实施例的杆身采用三段抽拉式线性滑轨，长度100mm，行程100mm。(如果有必要可以继续按此方式将线性导轨21串联起来，在本身长度不变的前提下，继续增加行程)。

其拉伸状态如图1所示，其收缩状态如图2所示。

实施例3

根据实施例一的仿真结果，要求满足在不加长导轨本身长度的前提下加长导轨行程的，且消除跳动，此外中间段导轨链接件及相关结构可无限增加，每增加一段该结构即加长一端滑轨长度(增加连杆可伸长行程，且总体长度不变)。

本实施例的主体思想与实施例2相似，都是设计连接结构，将多个线性导轨21串联成一体，从而实现连杆长度有限的情况下，较长的滑轨行程。

本实施例中采用交叉滚柱导轨，使2个相邻的导轨连接块22分别连接一个滑臂(相邻两个所述导轨连接块22一个与该交叉滚柱导轨的导轨上臂31的自由端固定连接，另一个与该交叉滚柱导轨的导轨下臂32的自由端固定连接)，在连接块末端有小型阻尼器，用来吸收多段导轨互相切换行程时，部分滑轨到达行程极限所发生的撞击而产生的跳动。(如图3、4所示)

此种结构负载更大，精度更高，配合合适的小型缓冲器可以做到无跳动滑轨转接。但当所需要的行程远大于滑块本身长度时可能要多段导轨组合，此时垂向空间可能占用较大。

本实例的方案可灵活多变的选择各种合适的导轨，此处选择的是THK的交叉滚柱直线导轨，该导轨能承受4个方向负载且负载极大、精度较高、重量轻。

缓冲器4可灵活多变的选择各种合适的缓冲器，此处可选择ACE小型TUBUS阻尼器，该款阻尼器简单敏捷，动态性能极佳，在行程大于6毫米后才会有反弹行程能量产生。

此外，还可以重新设计或定制交叉滚柱导轨或者钢球道轨,将合适的小型缓冲期内置于直线导轨中，然后再将这种特制导轨组合起来，这样可以在行程不变的前提下，大大减少连杆机构的总长。也可选择导轨长度和行程都更长的导轨进行组合，从而减少组合导轨的导轨数量，降低整个机构垂向尺寸。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，包括线夹、滑动伸缩杆和架体连接块；所述滑动伸缩杆的两端分别与所述线夹铰接和所述架体连接块铰接，形成可转动连接；所述线夹夹设于变轨迹悬空物上，所述架体连接块用于固定安装在加工设备的机架上。

2.根据权利要求1所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述滑动伸缩杆包括杆身和固定在其两端的铰链接口块，两个所述铰链接口块分别固定在所述杆身的两端，所述铰链接口块上开设有一个竖向的连接通孔，分别用于与线夹和架体连接块铰接。

3.根据权利要求2所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述杆身包括N个线性导轨、N-1个导轨连接块和两个端部连接块；所述线性导轨、导轨连接块和端部连接块呈直线型排列，N-1个所述导轨连接块间隔设置在N个所述线性导轨之间，所述导轨连接块的两端分别与相邻的线性导轨形成滑动连接，能够沿杆身方向往复运动；两个所述端部连接块分别与一个靠近所述杆身两端的所述线性导轨远离杆身的一端连接；所述铰链接口块与所述端部连接块距离所述杆身最远的端面连接，以形成直线形的杆身；其中N为≥2的整数。

4.根据权利要求3所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述线性导轨为抽拉式线性导轨，所述导轨连接块上开设有相互平行且贯通的两个卡槽，分别用于与相邻的两个所述抽拉式线性导轨卡接，用于在收缩时将抽拉式线性导轨容纳到所述导轨连接块内来减少占用的水平向空间；所述端部连接块上开设有一端开口一端封闭的卡槽，开口的一端与靠近端部的一个抽拉式线性导轨连接，封闭的一端与所述铰链接口块连接。

5.根据权利要求4所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述抽拉式线性导轨为三段抽拉式线性导轨。

6.根据权利要求3所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述线性导轨为交叉滚柱导轨，该交叉滚柱导轨包括两个滑臂，一个滑臂为导轨上臂，另一个为导轨下臂；相邻两个所述导轨连接块一个与该交叉滚柱导轨的导轨上臂的自由端固定连接，另一个与该交叉滚柱导轨的导轨下臂的自由端固定连接。

7.根据权利要求6所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，在所述交叉滚柱导轨与所述导轨连接块的连接处设置有缓冲器；在所述交叉滚柱导轨与端部连接块的连接处也设置有缓冲器。

8.根据权利要求6所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述缓冲器为TUBUS阻尼器。

9.根据权利要求2所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述杆身包括一个线性导轨和两个端部连接块；所述线性导轨和端部连接块呈直线型排列；所述线性导轨的两端分别与一个端部连接块连接，以形成直线形的杆身。

10.根据权利要求2所述变轨迹悬空物支撑机构，其特征在于，所述变轨迹悬空物为U型线缆，所述杆身的长度按如下方法确定，包括以下步骤：

S1：以U型线缆的固定端的固定点为零点即O点，以O点与所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点的连线为Y轴正方向，以U型线缆的移动端在水平面上的投影区间为第一象限，建立平面直角坐标系，O点的坐标为(0，0)；所述滑动伸缩杆和所述架体连接块的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为E点，所述滑动伸缩杆与所述线夹的铰接点在该平面直角坐标系上的投影为A点，以U型线缆回转半圆的圆心在该平面直角坐标系上的投影为B点，B点在Y轴上的投影为C点；

S2：以两根固定长度的杆件铰接而成的连杆机构代替所述滑动伸缩杆，其铰接点在S1建立的平面直角坐标系上的投影为D点；

S3：建立如下参数方程：

R*θ+(y-Rsin(θ))＝L/2

Rcos(θ)+X＝R

其中：R为U型线缆回转半径；θ为AC段的弧度；(X，Y)为A点座标，A点即为U型线缆的重心处；L为U型线缆的悬空段总长度；

S4：根据实际工况调整S3中建立方式的参数，模拟随着参数θ由0到π的连续变化，仿真A点于圆周和/或直线运动情况下的轨迹；

S5：根据S4的仿真结果，获取线段AE的极大值和极小值；其中，AE的极大值为滑动伸缩杆拉伸时的最大长度，AE的极小值为滑动伸缩杆收缩时的最小长度；

S6：根据S5得到的滑动伸缩杆拉伸时的最大长度和收缩时的最小长度制作所述滑动伸缩杆。

11.一种粗微动台，包括机架、粗微动模块、变轨迹悬空物支撑机构、U型线缆和控制器，所述U型线缆的一端与所述控制装置连接，另一端与粗微动模块连接且随其运动；其特征在于，所述变轨迹悬空物支撑机构的两端分别与所述U型线缆和机架连接，所述变轨迹悬空物支撑机构为权利要求1-10任一所述变轨迹悬空物支撑机构。