CN114513085B - 一种四自由度运动台及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种四自由度运动台及控制系统。该运动台包括基座、Y向运动台和2组Y向直线电机，还包括X向运动台和2组X向直线电机，所述２组X向直线电机设置在所述Y向运动台上，且２组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，每组X向直线电机的动子与X向运动台相连。该运动台有利于避免X向运动台连同上方的Z/Rz向运动台发生不必要的Ry方向的旋转。
Description
技术领域
本发明涉及半导体及控制系统领域，特别是涉及四自由度运动台及控制系统。
背景技术
在半导体硅片的厚度检测领域，经常需要用到运动台。这种用于工件精确定位的运动台是精密半导体设备的核心部件。上述运动台的实施方式有多种。
例如，中国专利202020876271.4就公开了一种微动台及包括微动台的运动装置。
此外，除了上述中国专利公开的微动台，目前，还有另一种运动台，这种运动台一般可沿X方向和Y方向移动。在水平面上，X方向与Y方向相互垂直，还包括一个Z方向，Z方向与水平面垂直，由X方向、Y方向和Z方向组成一个立体坐标系。这种运动台一般包括一个基座，基座上设置有Y向运动台和2个Y向直线电机，Y向运动台上设置有1个X向直线电机，该X向直线电机设置在X向运动台的底部。X向运动台的顶部还可设置一个Z/Rz向运动台，该Z/Rz向运动台包括Z向直线运动台和带动Z向直线运动台转动的Rz向旋转运动台。
现有的这种设计方案存在以下不足：
1、在使用时，X向运动台连同上方的运动机构存在Ry方向旋转的问题，影响使用精度。
2、X向线性位置传感器组件设置在X向运动台的底部的外侧，在使用过程中,测量误差较大，影响使用精度。
发明内容
基于此，提供一种四自由度运动台。该四轴运动台有利于避免X向运动台连同上方的Z/Rz向运动台发生不必要的Ry方向的旋转。
一种四自由度运动台，包括基座，所述基座上设置有Y向运动台以及2组Y向直线电机，还包括X向运动台、2组X向直线电机以及Z/Rz向运动台，
所述２组X向直线电机设置在所述Y向运动台上，且２组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，每组X向直线电机的动子与X向运动台相连，
所述X向运动台的顶部设置有所述Z/Rz向运动台，所述Z/Rz向运动台包括Z向直线运动台以及带动Z向直线运动台转动的Rz向旋转运动台。
本申请中，设置有2组X向直线电机，且2组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧。本申请不像传统的设计思路那样将X向直线电机设置在X向运动台的底部。因为通过深入研究发现，传统的设计思路中，将X向直线电机设置在X向运动台的底部，使得X向直线电机的驱动力作用在X向运动台的底部，很难在Z方向与X向运动台及上方的Z/Rz向运动台形成的整体结构的质心匹配。使得X向运动台连同上方的Z/Rz向运动台很容易在Ry方向旋转。
本申请将2组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，这样便于直观的对2组X向直线电机和X向运动台的安装位置进行精确控制和调整，也就是X向直线电机设置在X向运动台的侧面，其安装高度上下可调，这样有利于使2组X向直线电机的综合的驱动力与X向运动台及上方的Z/Rz向运动台形成的整体结构的质心匹配。这样，在通过2组X向直线电机驱动X向运动台运动时，可有效避免X向运动台连同上方的Z/Rz向运动台发生不必要的Ry方向的旋转。
在其中一个实施例中，还包括2个X向线性位置传感器组件，2个X向线性位置传感器组件对称设置在X向运动台的两侧，每个X向线性位置传感器组件包括X向线性位置传感器以及与X向线性位置传感器配合的X向线性位置传感器读数头，所述X向线性位置传感器设置在Y向运动台上，所述X向线性位置传感器读数头通过线性位置传感器支架与X向运动台相连。
在其中一个实施例中，通过2个X向线性位置传感器组件获得的数据控制2组X向直线电机的运转，当X向运动台发生旋转后，通过调整2组X向直线电机的输出，使X向运动台归正并保持不再转动。
在其中一个实施例中，所述Y向运动台包括外部框架以及设置在外部框架内部的用于对X向运动台进行引导的X向导向结构。
在其中一个实施例中，所述Z向直线运动台包括第一线性促动器以及弹性施力机构，所述第一线性促动器设置在负载台面与所述Rz向旋转运动台的旋转台面之间,所述第一线性促动器用于驱动所述负载台面进行升降，所述弹性施力机构设置在负载台面与所述Rz向旋转运动台的旋转台面之间。
在其中一个实施例中，所述弹性施力机构包括环状外圈、环状内圈和板簧，所述环状外圈与所述环状内圈同轴设置，且所述环状外圈的内侧壁与所述环状内圈的外侧壁之间固定连接有所述板簧，所述第一线性促动器设置于所述环状内圈的内侧并与Rz向旋转运动台的旋转台面固定连接，所述环状外圈与所述环状内圈中的一个与所述Rz向旋转运动台的旋转台面固定连接，另一个则与负载台面相连，所述第一线性促动器的运动轴与所述负载台面相连。
在其中一个实施例中，所述Rz向旋转运动台包括基台、旋转台面、支撑垫、第二线性促动器和枢轴铰链，所述旋转台面通过底部连接的支撑垫设置在所述基台的表面，旋转台面的一侧与所述枢轴铰链固定连接，所述枢轴铰链的枢轴固定在所述基台表面，并且所述枢轴铰链的枢接件与旋转台面的一侧固定连接，所述第二线性促动器固定在所述基台表面，第二线性促动器的运动轴与所述旋转台面的另一侧面固定连接。
在其中一个实施例中，所述Y向运动台设置在所述基座上，Y向运动台的底部与基座之间设置有空气轴承，Y向运动台的侧壁与基座之间设置有空气轴承，2组Y向直线电机设置在所述Y向运动台的两侧，且2组Y向直线电机安装在基座上，每组Y向直线电机的动子与Y向运动台相连。
在其中一个实施例中，所述Y向运动台包括外部框架以及设置在外部框架内部的X向导向结构，所述X向运动台的底部与基座之间设置有空气轴承，所述X向运动台设置有供X向导向结构穿过的通孔，所述X向运动台的通孔的内侧壁与X向导向结构之间设置有空气轴承，所述2组X向直线电机设置在所述Y向运动台的外部框架上。
在其中一个实施例中，所述Y向运动台包括外部框架，所述外部框架包括两个间隔设置的侧向支撑壁，所述X向运动台位于两个侧向支撑臂之间，所述X向线性位置传感器组件的X向线性位置传感器设置在侧向支撑的顶部。
在其中一个实施例中，所述外部框架包括两个间隔设置的侧向支撑壁，所述X向运动台位于两个侧向支撑臂之间，所述2组X向直线电机分别安装在两个侧向支撑臂上。
在其中一个实施例中，所述环状外圈的顶部与所述负载台面的底部固定连接，所述环状内圈的底部与所述旋转运动台的所述旋转台面固定连接。
在其中一个实施例中，所述第一线性促动器的运动轴通过柔性铰链结构与所述负载台面相连。
在其中一个实施例中，所述环状外圈与所述环状内圈之间设置有两层板簧，所述两层板簧沿径向设置，且两层板簧间的间距至少为环状外圈的高度的四分之三。
在其中一个实施例中，所述第一线性促动器与所述环状内圈固定连接，且所述第一线性促动器的运动轴与所述环状内圈的轴线重合。
在其中一个实施例中，所述旋转运动台还包括连接铰链，所述第二线性促动器的运动轴通过所述连接铰链固定连接所述旋转台面。
在其中一个实施例中，所述支撑垫包括上层垫与下层垫，所述上层垫固定于所述旋转台面的底部，所述下层垫上沿高度方向开设有通孔，所述基板内设置有气道，所述下层垫固定在所述基板上并且基板上开设有连通所述通孔与气道的连接孔，所述气道与外部的气源相连，通过调节气源的正压或者负压，使得所述上层垫与下层垫之间在正压气浮的活动状态与负压吸附的锁死状态间切换。
在其中一个实施例中，在所述旋转台面的下方设置有至少三个支撑垫。
在其中一个实施例中，在所述基台上固定有用于检测直线运动台运动位置的第一线性位置传感器组件和用于检测旋转运动台位置的第二线性位置传感器组件。
一种控制系统，包括基座，所述基座上设置有Y向运动台以及2组Y向直线电机，还包括X向运动台、2组X向直线电机以及Z/Rz向运动台，
所述２组X向直线电机设置在所述Y向运动台上，且２组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，每组X向直线电机的动子与X向运动台相连，
所述X向运动台的顶部设置有所述Z/Rz向运动台，所述Z/Rz向运动台包括Z向直线运动台以及带动Z向直线运动台转动的Rz向旋转运动台，
还包括2个X向线性位置传感器组件，2个X向线性位置传感器组件对称设置在X向运动台的两侧，每个X向线性位置传感器组件包括X向线性位置传感器以及与X向线性位置传感器配合的X向线性位置传感器读数头，所述X向线性位置传感器设置在Y向运动台上，所述X向线性位置传感器读数头通过线性位置传感器支架与X向运动台相连，
通过2个X向线性位置传感器组件获得的数据控制2组X向直线电机的运转，当X向运动台发生旋转后，通过调整2组X向直线电机的输出，使X向运动台归正并保持不再转动。
一种控制系统，包括基座，所述基座上设置有Y向运动台以及2组Y向直线电机，还包括X向运动台、2组X向直线电机以及Z/Rz向运动台，
所述２组X向直线电机设置在所述Y向运动台上，且２组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，每组X向直线电机的动子与X向运动台相连，
所述X向运动台的顶部设置有所述Z/Rz向运动台，所述Z/Rz向运动台包括Z向直线运动台以及带动Z向直线运动台转动的Rz向旋转运动台，
所述Z向直线运动台包括第一线性促动器以及弹性施力机构，所述第一线性促动器设置在所述Rz向旋转运动台的旋转台面以及负载台面之间,所述第一线性促动器用于驱动所述负载台面进行升降，所述弹性施力机构设置在所述Rz向旋转运动台的旋转台面以及负载台面之间，
在第一线性促动器驱动负载台面上升过程中，所述弹性施力机构对所述负载台面施加向下的作用力。
一种控制系统，包括基座，所述基座上设置有Y向运动台以及2组Y向直线电机，还包括X向运动台、2组X向直线电机以及Z/Rz向运动台，
所述２组X向直线电机设置在所述Y向运动台上，且２组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，每组X向直线电机的动子与X向运动台相连，
所述X向运动台的顶部设置有所述Z/Rz向运动台，所述Z/Rz向运动台包括Z向直线运动台以及带动Z向直线运动台转动的Rz向旋转运动台，
所述Rz向旋转运动台包括基台、旋转台面、支撑垫、第二线性促动器和枢轴铰链，所述旋转台面通过底部连接的支撑垫设置在所述基台的表面，旋转台面的一侧与所述枢轴铰链固定连接，所述枢轴铰链的枢轴固定在所述基台表面，并且所述枢轴铰链的枢接件与旋转台面的一侧固定连接，所述第二线性促动器固定在所述基台表面，第二线性促动器的运动轴与所述旋转台面的另一侧面固定连接，
通过第二线性促动器驱动所述旋转台面转动，通过旋转台面带动Z向直线运动台转动。
附图说明
图1为本申请的实施例的X向运动台和Y向运动台的俯视图。
图2为本申请的实施例的X向运动台和Y向运动台的侧视图。
图3为本申请的实施例的X向运动台和Y向运动台的内部结构示意图。
图4为本申请的实施例的Z/Rz向运动台的立体图。
图5为本申请的实施例的Z/Rz向运动台的剖面结构示意图。
图6为本申请的实施例的Z/Rz向运动台的俯视结构示意图。
图7为本申请的实施例的Z/Rz向运动台的支撑垫的结构示意图。
其中：
101、基座， 102、外部框架， 103、X向导向结构，
104、Y向运动台， 105、Y向直线电机， 106、X向运动台，
107、X向直线电机， 108、Y向线性位置传感器组件，
109、X向线性位置传感器组件，
110、Z/Rz向运动台， 112、线性位置传感器支架，
106a、U型框架， 106b、加强板，
210、空气轴承， 220、空气轴承， 230、空气轴承， 240、空气轴承，
900、基台，
400、Z向直线运动台，
500、Rz向旋转运动台，
410、第一线性促动器，420、环状外圈，430、环状内圈，
440、板簧，450、柔性铰链，460、外压圈，470、内压圈，
510、旋转台面，520、支撑垫，530、第二线性促动器，
540、枢轴铰链，550、连接铰链，
610、上层垫，620、下层垫，630、通孔，640、连接孔，650、气道，
800、负载台面。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1和图2所示，本申请的实施例提供了一种四自由度运动台。其包括基座101、Y向运动台104和2组Y向直线电机105，还包括X向运动台106和2组X向直线电机107以及Z/Rz向运动台110。
上述基座101可以是大理石基座，或其它类型的基座101。
上述1组Y向直线电机105包括1个、2个、3个或其它数量的Y向直线电机105。上述2组Y向直线电机105的数量相同，也就是第一组Y向直线电机105的数量与第二组Y向直线电机105的数量相同。
上述1组X向直线电机107包括1个、2个、3个或其它数量的X向直线电机107。上述2组X向直线电机107的数量相同，也就是第一组X向直线电机107的数量与第二组X向直线电机107的数量相同。
所述2组X向直线电机107设置在所述Y向运动台104上，且2组X向直线电机107对称设置在所述X向运动台106的两侧，也就是设置在X向运动台106的左侧和右侧。每组X向直线电机107的动子与X向运动台106相连。
所述X向运动台的顶部设置有所述Z/Rz向运动台110，所述Z/Rz向运动台110包括Z向直线运动台400以及带动Z向直线运动台400转动的Rz向旋转运动台500。
使用时，通过2组X向直线电机107驱动X向运动台106以及Z/Rz向运动台110沿X方向移动。
本申请由于将X向直线电机107设置在X向运动台106的侧面，X向运动台106的底部没有设置电机，使得X向运动台106在Z方向相对基座101的高度得到降低，从而使X向运动台106上方设置的Z/Rz向运动台110的相对高度也得到降低。这样，节省了整个运动台的占地空间。
进一步的是，本申请将2组X向直线电机107对称设置在所述X向运动台106的两侧，这样使得X向运功台的加速度较大，反应速度较快。
在其中一个实施例中，在设置Y向运动台104时，所述Y向运动台104设置在所述基座101上，Y向运动台104的底部与基座101之间设置有空气轴承220。例如，Y向运动台104的底部可设置4个空气轴承220，4个空气轴承220用于支撑Y向运动台104。
Y向运动台104的侧壁与基座101之间设置有空气轴承210。例如，Y向运动台104的每个侧壁与对应的基座101的侧壁之间设置2个空气轴承210。上述空气轴承210用于对Y向运动台104进行导向。
具体的，2组Y向直线电机105设置在所述Y向运动台的两侧，且2组Y向直线电机105安装在基座101上，每组Y向直线电机105的动子与Y向运动台104相连。
在Y向运动台104的两侧还可设置2个Y向线性位置传感器组件108。2个Y向线性位置传感器组件108设置在对应的Y向直线电机105的上方。
上述Y向线性位置传感器组件108由Y向线性位置传感器以及与Y向线性位置传感器配合的Y向线性位置传感器读数头组成。Y向线性位置传感器安装在基座101上，Y向线性位置传感器读数头通过支架与Y向运动台104相连。
使用时，通过2组Y向直线电机105可驱动Y向运动台104沿Y方向移动。Y向运动台104会带动对应的Y向线性位置传感器读数头随之移动。
在其中一个实施例中，所述Y向运动台104包括外部框架102以及设置在外部框架102内部的X向导向结构103。
进一步的是，所述X向运动台106的底部与基座101之间设置有空气轴承230。例如，X向运动台106的底部可与基座101之间设置4个空气轴承230，4个空气轴承230用于支撑X向运动台106。
所述X向运动台106设置有供X向导向结构103穿过的通孔，也就是X向导向结构103由通孔穿过。
具体的，X向运动台106为U型框架106a，在U型框架106a的底部还可设置加强板106b，这样就可组成箱式结构。箱式结构的中间通孔可允许X向导向结构103穿过。
所述X向运动台106的通孔的内侧壁与X向导向结构103之间设置有空气轴承240。
例如，X向运动台106的通孔具有两个内侧壁，两个内侧壁分别位于X向导向结构103的两侧。每个通孔的内侧壁与对应的X向导向结构103之间设置2个空气轴承240。
所述２个X向直线电机107设置在所述Y向运动台104的外部框架102上。具体的，Y向运动台104的外部框架102上设置有供安装X向直线电机107的安装槽。将X向直线电机107的定子安装在上述安装槽内。X向直线电机107的动子与X向运动台106相连。
在其中一个实施例中，所述外部框架102包括两个间隔设置的侧向支撑壁，所述X向运动台106位于两个侧向支撑臂之间，所述2组X向直线电机107分别安装在两个侧向支撑臂上。
例如，在侧向支撑臂上可设置上述安装槽，然后将X向直线电机107的定子安装在上述安装槽内。
在其中一个实施例中，本申请还包括2个X向线性位置传感器组件109，上述2个X向线性位置传感器组件109对称设置在X向运动台106的两侧。每个X向线性位置传感器组件109包括X向线性位置传感器以及与X向线性位置传感器配合的X向线性位置传感器读数头，所述X向线性位置传感器设置在外部框架102上，所述X向线性位置传感器读数头通过线性位置传感器支架112与X向运动台106相连。
具体的，X向线性位置传感器组件109在设置时，其位置高于对应的1组X向直线电机107。
本申请将2个X向线性位置传感器组件109设置在X向运动台106的两侧。这样设置，X向线性位置传感器组件109的Z向设置高度可以根据需要进行设定。例如，X向线性位置传感器组件109的高度可以与X向运动台106的高度相同，或者X向线性位置传感器组件109的高度高于X向运动台106，或者X向运动台106的高度比X向运动台106低。这样设置，使得X向线性位置传感器组件109在设置时，可以距离位于X向运功台上方的Z/Rz向运动台110的顶面距离较近。由于Z/Rz向运动台110的顶面设置有待检测样品，所以检测的兴趣点位于Z/Rz向运动台110的顶面。本申请将X向线性位置传感器组件109设置的Z向高度较高，这样可使X向线性位置传感器组件109在Z方向上距离兴趣点位置较近，减少了阿贝误差的影响，提高了测量精度。
进一步的是，如图1和图3所示，本申请在X向运动台106的两侧分别设置有X向线性位置传感器组件109。这样设置，如果X 向运动台106发生Rz方向的转动后，有利于减少转动带来的测量误差。
这是因为，如果只在一侧设置X向线性位置传感器组件，设定X向运动台沿X方向移动的距离为Xp，X向线性位置传感器组件的测量值到Xp后，X向运动台停止运动。但如果X 向运动台在移动过程中发生Rz方向的转动后，X向线性位置传感器组件的测量值虽然到Xp，但X向运动台上的Z向转动台上的某些检测点的实际移动距离可能比Xp值多出ΔZ，也可能比Xp值少ΔZ。这就造成了较大的测量误差。
本申请在两侧都设置X向线性位置传感器组件109，使用时，将两个X向线性位置传感器组件109的测量值相加后再除以２得到的值作为X向运动台106的移动距离的测量值。即Xs=(X1+X2)/2。其中，Xs作为X向运动台106的移动距离的测量值，X1为一个X向线性位置传感器组件109的测量值，X2为另一个X向线性位置传感器组件109的测量值。本申请不是将其中一个X向线性位置传感器组件109的测量值作为最终的判断依据，而是将上述Xs值作为最终的X向运动台106的移动距离的判断依据。这样可有效降低测量误差，提高运动台整体的移动精度。
在其中一个实施例中，本申请通过2个X向线性位置传感器组件109获得的数据控制2组X向直线电机107的运转。
具体的，当X向运动台106发生Rz方向旋转后，通过调整2组X向直线电机107的输出，使X向运动台106归正并保持不再转动。
例如，当X向运动台106发生Rz方向的转动后，两个X向线性位置传感器组件109的测量值不一致，此时，可认为X向运动台106发生了轻微的转动。可对2组X向直线电机107的输出进行调整，使X向运动台106的落后一侧对应的X向直线电机107的输出增大，或者使X向运动台106的超前一侧对应的X向直线电机107的输出减少，这样都可以对X向运动台106的位置进行调整。进而使X向运动台106归正。从而避免X向运动台106的转动带来的检测的误差。
在其中一个实施例中，如图1和图3所示，所述外部框架102包括两个间隔设置的侧向支撑壁，所述X向运动台106位于两个侧向支撑臂之间，所述X向线性位置传感器组件109的X向线性位置传感器设置在侧向支撑的顶部。
在其中一个实施例中，如图4、图5所示，所述Z向直线运动台400包括第一线性促动器410以及弹性施力机构，所述第一线性促动器410设置在所述Rz向旋转运动台500的旋转台面510以及负载台面800之间,所述第一线性促动器410用于驱动所述负载台面800进行升降，所述弹性施力机构设置在所述Rz向旋转运动台500的旋转台面510以及负载台面800之间。
在第一线性促动器410驱动负载台面800上升过程中，所述弹性施力机构对所述负载台面800施加向下的作用力。上述负载台面800用于承载待检测样品。
具体的，所述弹性施力机构包括环状外圈420、环状内圈430以及板簧440。所述环状外圈420与所述环状内圈430同轴设置且所述环状外圈420的内侧壁与所述环状内圈430的外侧壁之间固定连接有所述板簧440，所述第一线性促动器410设置于所述环状内圈430的内侧并与所述旋转台面510固定连接，所述环状外圈420与所述环状内圈430中的一个与所述Rz向旋转运动台500的旋转台面510固定连接，另一个则与负载台面800相连，所述第一线性促动器410的运动轴与所述负载台面800相连。
本申请无论是将环状外圈420与旋转台面510固定连接、将环状内圈430与负载台面800固定，还是将环状内圈430与旋转台面510固定连接、将环状外圈420与负载台面800固定，都不会影响第一线性促动器410的运动。因为第一线性促动器410是与负载台面800相连的，负载台面800在第一线性促动器410的驱使下发生运动，但运动的同时，由于环状外圈420与环状内圈430在板簧440作用下运动是受限的，因而负载台面800的运动也是在板簧440限位作用下产生的是直线微动，而且，上述第一线性促动器410可选用高精度的驱动机构，如压电陶瓷线性促动器，这样，负载台面800的运动精度可达到纳米量级。另外，压电陶瓷线性促动器具有精度高，控制带宽高，无磁性，发热小的特点，响应时间为亚毫秒量级，尺寸小，出力大，在电机不出力时具有远高于音圈电机的刚度。
但从便于安装以及驱动可靠性等方面考虑，如图5所示，在本实施例中，将所述环状外圈420的顶部与所述负载台面800的底部固定连接，所述环状内圈430的底部与所述Rz向旋转运动台500的所述旋转台面510固定连接，所述第一线性促动器410的运动轴通过柔性铰链450结构与所述负载台面800相连。环状外圈420的直径较大，环状外圈420与负载台面800相连后能够在第一线性促动器410的运动轴时给予负载台面800更为均匀的作用力，因为第一线性促动器410在负载台面800的中部顶推，而环状外圈420从更外围给予反向的拉力，使得负载台面800的整体运动更为平稳。
上述Z向直线运动台400整体结构紧凑，设备体积小，而在Z向直线运动台400的结构中采用双层板簧440配合双环嵌套式的环状外圈420与环状内圈430的结构，使得Z向直线运动台400在另两个旋转方向上具有更好的刚度，而且第一线性促动器410与负载台面800间通过柔性铰链450进行连接，能够减少第一线性促动器410所受的侧向力和侧向力矩，保证第一线性促动器410的运动精度不受影响，如此提高Z/Rz向运动台110在直线方向（Z向）的刚度和精度，提高Z/Rz向运动台110的工作稳定性和可靠性。
进一步的是，为了能够提高环状外圈420与环状内圈430间在Rx与Ry方向的刚度，在所述环状外圈420与所述环状内圈430之间设置有两层板簧440，所述两层板簧440沿径向设置，为了能够提高刚度,可以将两层板簧440的间距设置的较大。本实施例中，环状外圈420与环状内圈430的高度基本相等，但由于环状外圈420要与负载台面下端相连接，因而略高。
对于板簧440的固定，本实施例是通过外压圈460和内压圈470将两层板簧440分别固定在环状外圈420与环状内圈430的顶部和底部的，环状外圈420的顶部和底部分别采用一外压圈460进行固定，构成三层的结构，而环状内圈430的顶部和底部分别采用一内压圈470进行固定，同样也是构成三层的结构。
其实，也可以采用激光焊接或者其他固定方式（如卡槽、凸台结合螺钉紧固等方式）将板簧440固定在环状外圈420与环状内圈430之间，当然，也可以采用压圈固定和上述激光焊接或者其他固定方式相结合的形式，以能够实现板簧440在环状外圈420与环状内圈430之间的固定为限。相对应地，根据存在压圈与否、或者存在单压圈还是上下双压圈的设置，可以理解为将环状外圈与环状内圈是设计成的单层、双层还是三层的结构。
除此之外，本实施例是将所述第一线性促动器410与所述环状内圈430固定连接，且所述第一线性促动器410的运动轴与所述环状内圈430的轴线重合。对于第一线性促动器410的设置也可以将其与旋转台面510进行固定，只要能够保证Z向直线运动台400整体是随着旋转台面510可以一起沿Rz方向转动即可。
对于Rz向旋转运动台500的结构，本实施例中，是在Rz向旋转运动台500处采用直线驱动取代传统的旋转电机的驱动方式，依靠枢轴铰链540的弹性形变来实现旋转台面510的转动，而不是直接的旋转圆周运动，提高了旋转台面510的运动精度，且整体结构限定在平面内，缩小了Rz向旋转运动台500的高度，更好地满足设备轻型化小型化的需求。
具体说来，所述Rz向旋转运动台500包括基台900、旋转台面510、支撑垫520、第二线性促动器530和枢轴铰链540。上述基台900可安装在X向运动台106上。所述旋转台面510通过底部连接的支撑垫520设置在所述基台900的表面，旋转台面510的一侧与所述枢轴铰链540固定连接，所述枢轴铰链540的枢轴固定在所述基台900表面，并且所述枢轴铰链540的枢接件与旋转台面510的一侧固定连接，所述第二线性促动器530固定在所述基台900表面，第二线性促动器530的运动轴与所述旋转台面510的另一侧面固定连接。
在第二线性促动器530的直线运动顶推下，推动旋转台面510以所述枢轴铰链540为旋转中心进行旋转运动，运动过程中利用枢轴铰链540的形变限制旋转台面510的转动距离，除此之外，枢轴铰链540适应Rz方向的运动，不会引入背隙和摩擦力，也消除了传统旋转马达所引入的Rx和Ry方向的运动误差。
在其中一个实施例中，所述Rz向旋转运动台500还包括连接铰链550，所述第二线性促动器530的运动轴通过所述连接铰链550固定连接所述旋转台面510。这一连接铰链550的结构与所述枢轴铰链540的结构基本相同，连接铰链550也可以适应于Rz方向的运动，降低促动器受到的侧向力。
具体的，可在所述旋转台面510的下方设置有至少三个支撑垫520，如此能够更好地对旋转台面510进行支撑，支撑垫520的存在能够将旋转台面510可转动设置于基台900表面，也就是说旋转台面510转动时是沿着多个等高的支撑垫520所构成的滑动平面上运动的。
在其中一个实施例中，如图7所示，所述支撑垫520包括上层垫610与下层垫620，所述上层垫610固定于所述旋转台面510的底部，所述下层垫620上沿高度方向开设有通孔630，所述基台900内设置有气道650，所述下层垫620固定在所述基台900上并且基台900上开设有连通所述通孔630与气道650的连接孔640，所述气道650与外部的气源相连，通过调节气源的正压或者负压，使得所述上层垫610与下层垫620之间在正压气浮的活动状态与负压吸附的锁死状态间切换。在Rz向旋转运动台500中采用气浮控制的支撑垫520来进行旋转台面510的锁定与解锁，从而保证旋转台面510在锁止状态具有更好的刚度，提高本申请的设备稳定性和工作可靠性。
在工作时，外部气源向气道650中通入正压气体，也就是支撑垫520处通正压气体，从而使上层垫610连带旋转台面510浮起，然后通过第二线性促动器530的直线运动，使旋转台面510以枢轴铰链540为旋转中心进行旋转运动，在此过程中，第二线性促动器530的运动轴处所设置的连接铰链550可以适应Rz方向的旋转，枢轴铰链540同样也可以适应Rz方向的旋转，这样可降低侧向力的影响，并提高RZ方向的运动精度。在旋转台面510运动到位后，气源向支撑垫520处通负压，从而下层垫620吸附上层垫610，使得旋转台面510被吸附在基台900表面，此时就能够保证Rz向旋转运动台500的刚度，使得旋转台面510保持不动。在旋转台面510锁死状态下，第一线性促动器410运动，第一线性促动器410的运动轴推动负载台面800，在此过程中，环状外圈420反向拉扯负载台面800，利用板簧440进行导向，板簧440产生形变能够很好地限定负载台面800的运动方向以及运动距离，采用线性促动器结合板簧440进行导向的结构，由于没有径向背隙，不引入X,Y方向的误差，保证了Z向精度。同时板簧440导向具有无摩擦，Rx、Ry方向刚度高，重复性好的特点，相比传统的导向机构，如直线轴承、滑轨等，不会引入颗粒、油脂以及摩擦力。
为了能够更好地对Z/Rz向运动台110的Z向和Rz向的运动进行监控，在所述基台900上固定有用于检测Z向直线运动台400运动位置的第一线性位置传感器组件和用于检测Rz向旋转运动台500位置的第二线性位置传感器组件。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种四自由度运动台，包括基座，所述基座上设置有Y向运动台以及2组Y向直线电机，其特征在于，还包括X向运动台、2组X向直线电机以及Z/Rz向运动台，
所述２组X向直线电机设置在所述Y向运动台上，且２组X向直线电机对称设置在所述X向运动台的两侧，每组X向直线电机的动子与X向运动台相连，
所述X向运动台的顶部设置有所述Z/Rz向运动台，所述Z/Rz向运动台包括Z向直线运动台以及带动Z向直线运动台转动的Rz向旋转运动台；
所述Z向直线运动台包括第一线性促动器以及弹性施力机构，所述第一线性促动器设置在负载台面与所述Rz向旋转运动台的旋转台面之间,所述第一线性促动器用于驱动所述负载台面进行升降，所述弹性施力机构设置在负载台面与所述Rz向旋转运动台的旋转台面之间；
所述弹性施力机构包括环状外圈、环状内圈和板簧，所述环状外圈与所述环状内圈同轴设置，且所述环状外圈的内侧壁与所述环状内圈的外侧壁之间固定连接有所述板簧，所述第一线性促动器设置于所述环状内圈的内侧并与Rz向旋转运动台的旋转台面固定连接，所述环状外圈与所述环状内圈中的一个与所述Rz向旋转运动台的旋转台面固定连接，另一个则与负载台面相连，所述第一线性促动器的运动轴与所述负载台面相连；
还包括2个X向线性位置传感器组件，2个X向线性位置传感器组件对称设置在X向运动台的两侧，每个X向线性位置传感器组件包括X向线性位置传感器以及与X向线性位置传感器配合的X向线性位置传感器读数头，所述X向线性位置传感器设置在Y向运动台上，所述X向线性位置传感器读数头通过线性位置传感器支架与X向运动台相连；
通过2个X向线性位置传感器组件获得的数据控制2组X向直线电机的运转，当X向运动台发生旋转后，通过调整2组X向直线电机的输出，使X向运动台归正并保持不再转动；
所述Y向运动台包括外部框架以及设置在外部框架内部的用于对X向运动台进行引导的X向导向结构；
所述Rz向旋转运动台包括基台、旋转台面、支撑垫、第二线性促动器和枢轴铰链，所述旋转台面通过底部连接的支撑垫设置在所述基台的表面，旋转台面的一侧与所述枢轴铰链固定连接，所述枢轴铰链的枢轴固定在所述基台表面，并且所述枢轴铰链的枢接件与旋转台面的一侧固定连接，所述第二线性促动器固定在所述基台表面，第二线性促动器的运动轴与所述旋转台面的另一侧面固定连接。
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