CN114296323B - 一种长行程准零刚度柔性导向机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种长行程准零刚度柔性导向机构，属于精密仪器及机械技术领域。解决了现有柔性导向机构无法保证大行程恒力输出的问题。它包括间接驱动部件、直接驱动部件、第一正刚度簧片组件、第二正刚度簧片组件、负刚度簧片组件和直线电机驱动模块，直接驱动部件左右两侧分别通过两个第一正刚度簧片组件与两个间接驱动部件相连，两个间接驱动部件前后两侧分别通过两个第二正刚度簧片组件与两个固定组件相连，第一正刚度簧片组件和第二正刚度簧片组件结构相同，直接驱动部件左右两侧均与负刚度簧片组件一端相连，两个负刚度簧片组件的另一端均连接有负刚度簧片固定组件，直线电机驱动模块与直接驱动部件相连。
Description
技术领域
本发明属于精密仪器及机械技术领域，特别是涉及一种长行程准零刚度柔性导向机构。
背景技术
极紫外线光刻机是现阶段最先进的光刻机。该设备采用波长为13.5nm的极紫外光作为工作光源，拥有最高的光刻分辨率。极紫外光几乎对所有物质均不透明且折射率接近于1，因此极紫外光刻机的照明系统、物镜系统及运动系统等均需置于真空中。常见的导向机构，如滚珠丝杠导向机构、气浮导向机构以及磁浮导向机构由于自身特点限制以及难以维护等原因无法应用于极紫外光刻机。柔性机构以其精度高、无需冷却、无摩擦、无需润滑、以及无线缆等优点，成为极紫外光刻机运动系统导向机构的首选方案。然而，常见的柔性机构存在行程小、有回弹力的等缺点。因此设计一种长行程恒力柔性导向机构，是极紫外光刻机中运动系统结构设计的关键。
现有的柔性导向机构的不足之处是无法在拥有大行程的同时满足恒力与高精度的要求。但是在EUV光刻机的运动系统中，为了保证运动的高速、高精度与稳定性，运动系统需要克服长行程柔性机构产生大变形回弹力带来的控制问题，这就要求在EUV光刻机的运动系统中有一种可以在大行程中输出恒力的准零刚度柔性导向机构。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种长行程准零刚度柔性导向机构，以解决现有柔性导向机构无法保证大行程恒力输出的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种长行程准零刚度柔性导向机构，它包括间接驱动部件、直接驱动部件、第一正刚度簧片组件、第二正刚度簧片组件、负刚度簧片组件和直线电机驱动模块，所述直接驱动部件左右两侧分别通过两个第一正刚度簧片组件与两个间接驱动部件相连，所述两个间接驱动部件前后两侧分别通过两个第二正刚度簧片组件与两个固定组件相连，所述第一正刚度簧片组件和第二正刚度簧片组件结构相同，所述直接驱动部件左右两侧均与负刚度簧片组件一端相连，两个负刚度簧片组件的另一端均连接有负刚度簧片固定组件，所述直线电机驱动模块与直接驱动部件相连。
更进一步的，所述直接驱动部件与光栅尺反馈模块相连。
更进一步的，所述光栅尺反馈模块包括所述光栅尺、光栅读数头和光栅读数头固定件，所述光栅读数头通过光栅读数头固定件与直接驱动部件底部相连，所述光栅读数头与光栅尺位置对应，通过光栅读数头读取光栅尺刻度。
更进一步的，所述间接驱动部件下部设置有间接驱动部件重力补偿模块，所述直接驱动部件下部设有直接驱动部件重力补偿模块。
更进一步的，所述间接驱动部件重力补偿模块和直接驱动部件重力补偿模块结构相同，均包括磁铁粘贴件和磁铁，所述磁铁粘贴件与磁铁相连。
更进一步的，所述第一正刚度簧片组件和第二正刚度簧片组件均包括多个簧片、簧片垫块、簧片固定件和簧片底部连接件，所述多个簧片相互堆叠，多个簧片两端之间分别连接有簧片垫块并通过簧片固定件夹紧，所述簧片固定件与簧片底部连接件相连。
更进一步的，所述负刚度簧片组件包括多个负刚度簧片、多个负刚度弹簧垫片和负刚度簧片固定件，所述多个负刚度簧片相互堆叠，多个负刚度簧片两端之间分别连接有负刚度弹簧垫片并通过负刚度簧片固定件夹紧固定。
更进一步的，所述直线电机驱动模块包括直线电机和电机固定块，所述直线电机与电机固定块相连，所述直线电机与直接驱动部件相连。
更进一步的，所述间接驱动部件、第一正刚度簧片组件、第二正刚度簧片组件、固定组件和直接驱动部件组成一个二阶耦合式平行四边形机构。
更进一步的，所述固定组件包括固定侧板和固定端，所述固定侧板与固定端相连，所述固定端与第二正刚度簧片组件相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的的一种长行程准零刚度柔性导向机构，兼顾大行程、高精度和恒力要求，实现直接驱动部件的高精度直线运动。
2、本发明利用正刚度簧片组件和间接驱动部件将直接驱动部件由于平行四边形变形产生的Y向位移转移到两个对称分布的间接驱动部件。
3、本发明将负刚度簧片组件与第一组簧片组件组成准零刚度系统，负刚度簧片提供与簧片回弹力方向相反的补偿力实现准零刚度。
4、本发明使用直线光栅尺反馈模块通过光栅读数头读取光栅尺刻度变化来反映直接驱动部件的位移，从而达到精密测量与控制。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构上部结构示意图；
图2为本发明所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构下部结构示意图；
图3为本发明所述的第一正刚度簧片组件结构示意图；
图4为本发明所述的负刚度簧片组件结构示意图；
图5为本发明所述的光栅尺反馈模块结构示意图。
1-间接驱动部件，2-第一正刚度簧片组件，21-簧片，22-簧片垫块，23-簧片固定件，24-簧片底部连接件，3-固定组件，4-间接驱动部件重力补偿模块，41-磁铁粘贴件，42-磁铁，5-负刚度簧片固定组件，6-直接驱动部件，7-负刚度簧片组件，71-负刚度簧片，72-负刚度弹簧垫片，73-负刚度簧片固定件，8-光栅尺反馈模块，81-光栅尺，82-光栅读数头，83-光栅读数头固定件，9-直接驱动部件重力补偿模块，10-直线电机驱动模块，11-第二正刚度簧片组件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-5说明本实施方式，一种长行程准零刚度柔性导向机构，它包括间接驱动部件1、直接驱动部件6、第一正刚度簧片组件2、第二正刚度簧片组件11、负刚度簧片组件7和直线电机驱动模块10，直接驱动部件6左右两侧分别通过两个第一正刚度簧片组件2与两个间接驱动部件1相连，两个间接驱动部件1前后两侧分别通过两个第二正刚度簧片组件11与两个固定组件3相连，实现整个机构的固定。第一正刚度簧片组件2和第二正刚度簧片组件11结构相同，直接驱动部件6左右两侧均与负刚度簧片组件7一端相连，两个负刚度簧片组件7的另一端均连接有负刚度簧片固定组件5，直线电机驱动模块10与直接驱动部件6相连。
直接驱动部件6与光栅尺反馈模块8相连，利用直线光栅尺反馈模块(8)反馈直接驱动部件6的位置信息。在直接驱动部件6运动时通过光栅尺反馈模块8采集位移数据，实现闭环控制。光栅尺反馈模块8包括光栅尺81、光栅读数头82和光栅读数头固定件83，光栅读数头82通过光栅读数头固定件83与直接驱动部件6底部相连，光栅读数头82与光栅尺81位置对应，通过光栅读数头82读取光栅尺81刻度变化来反映直接驱动部件6的位移，从而达到精密测量与控制。
间接驱动部件1下部设置有间接驱动部件重力补偿模块4，直接驱动部件6下部设有直接驱动部件重力补偿模块9。直接驱动部件重力补偿模块9补偿直接驱动部件6的重力，间接驱动部件重力补偿模块4补偿间接驱动部件1的重力。间接驱动部件重力补偿模块4和直接驱动部件重力补偿模块9结构相同，均包括磁铁粘贴件41和磁铁42，磁铁粘贴件41与磁铁42相连，通过磁铁42实现重力补偿。
第一正刚度簧片组件2和第二正刚度簧片组件11均包括多个簧片21、簧片垫块22、簧片固定件23和簧片底部连接件24，多个簧片21相互堆叠，多个簧片21两端之间分别连接有簧片垫块22并通过簧片固定件23夹紧，簧片固定件23与簧片底部连接件24相连，簧片底部连接件24与间接驱动部件1、直接驱动部件6和固定组件3相连。通过通过簧片垫块22保证多个簧片21等间距布置。优选的，簧片21数量为三个，簧片垫块22数量为四个，簧片固定件23数量为四个，簧片底部连接件24数量为两个，簧片底部连接件24通过螺钉与间接驱动部件1、直接驱动部件6和固定模块3连接。固定组件3包括固定侧板和固定端，固定侧板与固定端相连，固定端与第二正刚度簧片组件11相连。
初始状态下所有第一正刚度簧片组件2和第二正刚度簧片组件11中的簧片21无预变形，直接驱动部件6处于初始位置，第一正刚度簧片组件2和第二正刚度簧片组件11对直接驱动部件6和间接驱动部件1在X轴方向无作用力。
负刚度簧片组件7包括多个负刚度簧片71、多个负刚度弹簧垫片72和负刚度簧片固定件73，多个负刚度簧片71相互堆叠，多个负刚度簧片71两端之间分别连接有负刚度弹簧垫片72并通过负刚度簧片固定件73夹紧固定。通过负刚度弹簧垫片72保证多个负刚度簧片71等间距布置。优选的，负刚度簧片71数量为五个，负刚度弹簧垫片72数量为八个，负刚度簧片固定件73数量为四个。负刚度簧片固定件73通过螺钉与直接驱动部件6和固定组件3连接。负刚度簧片固定件73为负刚度弹簧基座。负刚度簧片71的数量应根据设计与第一正刚度簧片组件2和第二正刚度簧片组件11中簧片的数量保持一定关系，以保证机构准零刚度特性。
负刚度簧片组件7采用预压缩的负刚度簧片71作为负刚度元件。负刚度簧片组件7与第一正刚度簧片组件2组成准零刚度系统。初始状态下，负刚度簧片71的变形力通过直接驱动部件6几何中心且无X轴向力作用，当直接驱动部件6的位移在一定范围内，负刚度簧片71提供与簧片回弹力方向相反的补偿力实现准零刚度。
直线电机驱动模块10包括直线电机和电机固定块，直线电机与电机固定块相连，直线电机与直接驱动部件6相连。直线电机驱动直接驱动部件6作X向的直线运动。当直线电机驱动模块10驱动直接驱动部件6运动时，第一正刚度簧片组件2中的簧片21同时产生变形并带动间接驱动部件1运动，实现直线导向功能。负刚度簧片组件7在直接驱动部件6运动时提供与第一正刚度簧片组件2中的簧片21回弹力方向相反的补偿力。克服了常见柔性机构存在的有回弹力的缺点，实现柔性直线导向机构的准零刚度特性。
间接驱动部件1、第一正刚度簧片组件2、第二正刚度簧片组件11、固定组件3和直接驱动部件6组成一个二阶耦合式平行四边形机构，以实现精准的直线导向。第一正刚度簧片组件2将直接驱动部件6和间接驱动部件1相连，第二正刚度簧片组件11将间接驱动部件1和固定组件3相接，使由于平行四边形变形产生的Y向位移转移到两个对称分布的间接驱动部件1。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (9)
1.一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：它包括间接驱动部件(1)、直接驱动部件(6)、第一正刚度簧片组件(2)、第二正刚度簧片组件(11)、负刚度簧片组件(7)和直线电机驱动模块(10)，所述直接驱动部件(6)左右两侧分别通过两个第一正刚度簧片组件(2)与两个间接驱动部件(1)相连，负刚度簧片组件(7)与第一正刚度簧片组件(2)组成准零刚度系统，所述两个间接驱动部件(1)前后两侧分别通过两个第二正刚度簧片组件(11)与两个固定组件(3)相连，使平行四边形变形产生的位移转移到两个对称分布的间接驱动部件(1)，所述第一正刚度簧片组件(2)和第二正刚度簧片组件(11)结构相同，所述间接驱动部件(1)、第一正刚度簧片组件(2)、第二正刚度簧片组件(11)、固定组件(3)和直接驱动部件(6)组成一个二阶耦合式平行四边形机构，所述直接驱动部件(6)左右两侧均与负刚度簧片组件(7)一端相连，两个负刚度簧片组件(7)的另一端均连接有负刚度簧片固定组件(5)，所述直线电机驱动模块(10)与直接驱动部件(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述直接驱动部件(6)与光栅尺反馈模块(8)相连。
3.根据权利要求2所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述光栅尺反馈模块(8)包括所述光栅尺(81)、光栅读数头(82)和光栅读数头固定件(83)，所述光栅读数头(82)通过光栅读数头固定件(83)与直接驱动部件(6)底部相连，所述光栅读数头(82)与光栅尺(81)位置对应，通过光栅读数头(82)读取光栅尺(81)刻度。
4.根据权利要求1所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述间接驱动部件(1)下部设置有间接驱动部件重力补偿模块(4)，所述直接驱动部件(6)下部设有直接驱动部件重力补偿模块(9)。
5.根据权利要求4所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述间接驱动部件重力补偿模块(4)和直接驱动部件重力补偿模块(9)结构相同，均包括磁铁粘贴件(41)和磁铁(42)，所述磁铁粘贴件(41)与磁铁(42)相连。
6.根据权利要求1所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述第一正刚度簧片组件(2)和第二正刚度簧片组件(11)均包括多个簧片(21)、簧片垫块(22)、簧片固定件(23)和簧片底部连接件(24)，所述多个簧片(21)相互堆叠，多个簧片(21)两端之间分别连接有簧片垫块(22)并通过簧片固定件(23)夹紧，所述簧片固定件(23)与簧片底部连接件(24)相连。
7.根据权利要求1所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述负刚度簧片组件(7)包括多个负刚度簧片(71)、多个负刚度弹簧垫片(72)和负刚度簧片固定件(73)，所述多个负刚度簧片(71)相互堆叠，多个负刚度簧片(71)两端之间分别连接有负刚度弹簧垫片(72)并通过负刚度簧片固定件(73)夹紧固定。
8.根据权利要求1所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述直线电机驱动模块(10)包括直线电机和电机固定块，所述直线电机与电机固定块相连，所述直线电机与直接驱动部件(6)相连。
9.根据权利要求1所述的一种长行程准零刚度柔性导向机构，其特征在于：所述固定组件(3)包括固定侧板和固定端，所述固定侧板与固定端相连，所述固定端与第二正刚度簧片组件(11)相连。
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