CN110966330B - 组合簧片及其设计方法、运动台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合簧片及其设计方法、运动台，该组合簧片包括多个圆环状的簧片，以及连接在相邻簧片之间的圆环状的连接件，所述簧片和连接件的内环尺寸相同，所述多个簧片的外环尺寸相同，所述连接件的外环尺寸小于所述簧片的外环尺寸。本发明的运动台，包括：组合簧片、垂向驱动单元、微动单元、微动支撑板、气足板、气浮内环和气浮外环。本发明可根据旋转刚度需求适应性改变组合簧片中簧片和簧片的间距及簧片厚度，可以单独增大或减小组合簧片的水平刚度、垂向刚度及旋转刚度。

Description

组合簧片及其设计方法、运动台

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，尤其涉及一种组合簧片及其设计方法、运动台。

背景技术

4.5G工件台径向气浮导向模块采用分体式圆环气浮，该结构受气浮压力波动影响较大，改进后的4.5G工件台采用圆环气浮加簧片的结构来消除气浮压力波动的影响，由于工件台需要进行垂向运动，因此簧片的垂向刚度应该尽可能小。此外，工件台在运动过程中，会存在两种情况导致圆环气浮气膜厚度挤压变形，由于圆环气浮内外环之间间距很小，因此气膜变形量不能太大，两种气膜变形的工况分别为工件台加速导致气膜变形和微动台旋转导致气膜变形，其中工件台加速导致气膜变形时，要求簧片旋转刚度越大越好，而微动台旋转变形时，要求簧片旋转刚度越小越好。因此为了平衡两者变形的影响，簧片的旋转刚度也需要保持一个合适的值。另外，由于结构空间尺寸的限制，有时簧片尺寸会存在一定限制，尺寸的限制同样会导致在设计时簧片刚度的调节被限制在一定范围内。

从以上分析可以总结出圆环气浮加簧片的结构需要满足的一些指标需求或约束：1、控制带宽的限制：10-100Hz范围内不能存在整体模态；2、气膜厚度：工件台加速和微动台旋转导致气膜变形量尽量小，这需要簧片旋转刚度在一个合适的范围内(不能太大也不能太小)；3、支撑外环(或内环)：垂向刚度不能太小；4、微动台旋转：旋转刚度不能太大；5、微动台水平向运动：水平刚度不能太小；6、结构空间尺寸的限制：簧片尺寸尽量小。由此可以看出，簧片的刚度对工件台的动态性能存在很大影响，在设计时簧片刚度应该同时满足以上几点的指标需求。但目前的簧片基本采用单层簧片设计，单层簧片存在以下问题：1、簧片可改变的参数仅有簧片厚度、材料以及开槽等；2、水平刚度、垂向刚度及旋转刚度同时增大或减小；3、开槽对簧片的使用寿命或加工难度存在影响；4、存在加工导致的性能不均匀性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以单独增加或减小水平刚度、垂向刚度及旋转刚度的组合簧片及其设计方法、运动台。

为了达到上述目的，本发明提供了一种组合簧片，包括：多个圆环状的簧片，以及连接在相邻簧片之间的圆环状的连接件，所述簧片和连接件的内环尺寸相同，所述多个簧片的外环尺寸相同，所述连接件的外环尺寸小于所述簧片的外环尺寸。

可选的，在所述的组合簧片中，所述簧片与连接件之间通过紧固件连接。

可选的，在所述的组合簧片中，所述簧片上圆周分布有通孔。

可选的，在所述的组合簧片中，所述组合簧片为两层，包括第一层簧片和第二层簧片，以及连接在第一层簧片与第二层簧片之间的第一连接件。

可选的，在所述的组合簧片中，所述组合簧片为三层，包括第一层簧片、第二层簧片和第三层簧片，以及连接在第一层簧片与第二层簧片之间的第一连接件，连接在第二层簧片与第三层簧片之间的第二连接件。

可选的，在所述的组合簧片中，所述第一连接件与所述第二连接件的高度相同或者不相同。

本发明还提供了一种组合簧片的设计方法，通过调整相邻簧片之间的距离，调整连接在相邻簧片之间的连接件的高度，以调整所述的组合簧片的旋转刚度。

可选的，在所述的组合簧片的设计方法中，所述簧片旋转刚度和簧片间距的关系为：y＝6.25E⁵x-1.23E⁶，其中，y为簧片旋转刚度，单位(Nmm/rad)，x为双层簧片间距，单位为mm。

可选的，在所述的组合簧片的设计方法中，通过调整簧片的厚度或/和材料，以调整所述的组合簧片的水平刚度。

本发明还提供了一种运动台，包括：组合簧片、垂向驱动单元、微动单元、微动支撑板、气足板、气浮内环和气浮外环；所述气浮内环与所述气浮外环之间形成气膜于所述微动支撑板与所述气足板之间，所述气浮外环通过组合簧片连接在所述气足板上，所述气浮内环与所述微动支撑板连接；所述微动支撑板支撑所述微动单元，所述垂向驱动单元驱动所述微动单元运动。

在本发明提供的组合簧片及其设计方法、运动台中，可根据旋转刚度需求适应性改变组合簧片中相邻两层簧片的间距及其连接件以及簧片厚度，可以单独增大或减小组合簧片的水平刚度、垂向刚度及旋转刚度。

附图说明

图1是本发明实施例一的组合簧片的立体结构示意图；

图2是本发明实施例一的组合簧片的剖面结构示意图；

图3是实施例一的多种厚度弹簧片的簧片间距与水平刚度的关系的仿真示意图；

图4是实施例一实现水平刚度增加前后的对比结构示意图；

图5是本发明实施例二的组合簧片的结构示意图；

图6是本发明实施例的运动台的结构示意图；

图中：100-组合簧片、110-第一簧片、120-第二簧片、130-第一连接件、140-第三弹簧平、150-第二连接件、200-气足板、300-气浮外环、400-气浮内环、500-微动单元、600-微动支撑板。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，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且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

参照图1至图2，本发明提供了一种组合簧片，包括：呈圆环状的第一簧片110、呈圆环状的第二簧片120和呈圆环状第一连接件130，所述第一连接件130一端可拆卸连接在所述第一簧片110上，所述第一连接件130的另一端可拆卸连接在所述第二簧片120上，所述第一簧片110和所述第二簧片120的外环尺寸以及内环尺寸均相同，所述第一簧片110或第二簧片120和第一连接件130的内环尺寸相同，所述第一连接件130的外环尺寸小于所述第一簧片110或第二簧片120的外环尺寸。

本实施例中，第一连接件130的一端通过螺钉等紧固件连接在第一簧片110的一面，第一连接件130的另一端通过螺钉等紧固件连接在第二簧片120的一面，组合簧片的剖面呈一个工字形。安装时，第一连接件120的两端的端口分别对应第一簧片110和第二簧片120的内卡扣，使用螺钉将第一簧片110和第一连接件130的壁连接，使用螺钉将第二簧片120和第一连接件130的壁连接(螺钉分别从第一簧片和第二簧片的表面钉入第一连接件的壁内)。组合簧片在簧片安装时，可对簧片安装角度进行调整，以改善加工导致的不均匀性。

本实施例中，所述簧片上圆周分布有通孔。

本实施例中通过调整相邻簧片之间的距离，调整连接在相邻簧片之间的连接件的高度，以调整所述的组合簧片的旋转刚度，即通过调节第一簧片110和第二簧片120的距离来实现不同的旋转刚度的需要。发明人通过研究发现，可以参照如下公式确定旋转刚度，y＝6.25E⁵x-1.23E⁶，其中，y为簧片旋转刚度，单位(Nmm/rad)，x为双层簧片间距，单位为mm，E为指数。表1是双层0.25mm厚度的簧片的刚度仿真结果对比，可以看出旋转刚度主要由簧片之间的距离决定。簧片之间的距离直接反应在连接件的高度上，即簧片之间的距离等于连接件的高度。

间距(mm)	水平刚度(N/mm)	垂向刚度(N/mm)	旋转刚度(Nmm/rad)
				4	2.18E+05	9.608	1.27E+06
6	2.18E+05	9.633	2.52E+06
				8	2.19E+05	9.641	3.80E+06

表1

表2是不同厚度的簧片的刚度仿真结果对比，根据仿真结果获得图3的的仿真图，可以看出在簧片厚度不变的前提下，双层簧片的旋转刚度同簧片间距成近似线性关系，且当间距在4mm-8mm范围内，其线性关系越明显。

厚度(mm)	间距(mm)	水平刚度(N/mm)	垂向刚度(N/mm)	旋转刚度(Nmm/rad)
					0.25	2	2.25E+05	9.459	3.49E+05
0.25	4	2.18E+05	9.608	1.27E+06
					0.25	6	2.18E+05	9.633	2.52E+06
0.25	8	2.19E+05	9.641	3.80E+06
					0.5	2	4.95E+05	70.15	8.50E+05
0.5	4	4.46E+05	74.79	2.76E+06
					0.5	6	4.36E+05	75.67	5.84E+06
0.5	8	4.35E+05	75.97	9.84E+06
					0.75	2	8.14E+05	212.1	1.62E+06
0.75	4	6.98E+05	242.2	4.48E+06
					0.75	6	6.65E+05	248.7	9.14E+06
0.75	8	6.56E+05	251	1.55E+07

表2

根据上述表1、表2和图3可以得知，组合簧片制作时，即第一簧片110和第二簧片120的距离计算时，可先得到第一簧片110和第二簧片120的刚度和第一簧片110和第二簧片120的间距之间的两组关系式，进而可通过线性拟合得出簧片刚度与间距之间的线性关系式，根据此关系式则可算出实际需要的簧片间距。进一步，用户在进行簧片刚度设计时，可先使用如下公式预先计算簧片的刚度，使设计刚度与指标值相近，则可提升设计效率和准确性，若将簧片间距x(此参数可转化为单层簧片旋转刚度)、厚度y两个参数作为自变量，簧片旋转刚度作为因变量z，对上面仿真数据进行多项式拟合。拟合采用Matlab软件中curvefitting tool工具箱，拟合出二元三次方程：

Z＝p₀₀+p₁₀x+p₀₁y+p₂₀x²+p₁₁xy+p₀₂y²+p₃₀x³+p₂₁x²y+p₁₂xy^²，

其中，

p₀₀＝3.631E+05；

p₁₀＝-2.936E+04；

p₀₁＝-2.688E+06；

p₂₀＝-4771；

p₁₁＝4.223E+05；

p₀₂＝4.592E+06；

p₃₀＝-4507；

p₂₁＝3.926E+05；

p₁₂＝-8.788E+05。

本实施例中，所述第一簧片110和所述第二簧片120的厚度与水平刚度相关，通过调整簧片的厚度，以调整组合簧片的水平刚度，也可以通过调整簧片的厚度或/和材料，以调整组合簧片的水平刚度。如图4，若要实现水平向刚度增加，旋转刚度保持不变(或减小)，可增加第一簧片110和第二簧片120的厚度同时减小第一簧片110和第二簧片120的间距来实现。

实施例二

参照图5，本实施例中，组合簧片100包括三个簧片和两个连接件，分别是第一簧片110、第二簧片120、第三簧片140、第一连接件130和第二连接件150，第一连接件130的一端通过螺钉固定在第一簧片110上，第一连接件130的另一端通过螺钉固定在第二簧片120的一面，第二连接件150的一端通过螺钉固定在第二簧片120的另一面，第二连接件150的另一端通过螺钉固定第三簧片140上。即，三个簧片组成三层，每相邻两层之间有一连接件连接，三个簧片对齐，两个连接件对齐，并且所述第一连接件130与所述第二连接件150的高度相同或者不相同。在本发明的其他实施例中，也可以有更多层的簧片和更多个连接件，簧片和连接件的连接参照本实施例。

参照图6，本发明还提供了一种运动台，包括：组合簧片100、垂向驱动单元(图中未示出)、微动单元500、微动支撑板600、气足板200、气浮内环400和气浮外环300；所述气浮内环400与所述气浮外环300之间形成气膜于所述微动支撑板600与所述气足板200之间，所述气浮外环300通过组合簧片100连接在所述气足板200上，所述气浮内环400与所述微动支撑板600连接；所述微动支撑板600支撑所述微动单元500，所述垂向驱动单元驱动所述微动单元500运动。

综上，在本发明实施例提供的组合簧片及其设计方法、运动台中，可根据旋转刚度需求适应性改变组合簧片中相邻两层簧片的间距及其连接件以及簧片厚度，可以单独增大或减小组合簧片的水平刚度、垂向刚度及旋转刚度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种组合簧片的设计方法，其特征在于，所述组合弹簧包括多个圆环状的簧片，以及连接在相邻簧片之间的圆环状的连接件，所述簧片和连接件的内环尺寸相同，所述多个簧片的外环尺寸相同，所述连接件的外环尺寸小于所述簧片的外环尺寸；通过调整相邻簧片之间的距离，调整连接在相邻簧片之间的连接件的高度，以调整所述的组合簧片的旋转刚度。

2.如权利要求1所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，所述簧片旋转刚度和簧片间距的关系为：y＝6.25E⁵x-1.23E⁶，其中，y为簧片旋转刚度，单位(Nmm/rad)，x为双层簧片间距，单位为mm。

3.如权利要求1所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，通过调整簧片的厚度或/和材料，以调整所述的组合簧片的水平刚度。

4.如权利要求1所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，所述簧片与连接件之间通过紧固件连接。

5.如权利要求1所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，所述簧片上圆周分布有通孔。

6.如权利要求1所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，所述组合簧片为两层，包括第一层簧片和第二层簧片，以及连接在第一层簧片与第二层簧片之间的第一连接件。

7.如权利要求1所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，所述组合簧片为三层，包括第一层簧片、第二层簧片和第三层簧片，以及连接在第一层簧片与第二层簧片之间的第一连接件，连接在第二层簧片与第三层簧片之间的第二连接件。

8.如权利要求7所述的组合簧片的设计方法，其特征在于，所述第一连接件与所述第二连接件的高度相同或者不相同。

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