CN117055305B - 一种六自由度的气浮式移动设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度的气浮式移动设备，属于气浮直线平台技术领域，该设备包括基台，基台上方设有浮台，浮台上方设有微动台，基台设有X轴移动组件，浮台设有Y轴移动组件，X轴移动组件能够驱动浮台移动，Y轴移动组件能够驱动微动台移动，微动台底部连接有用于削减抖动的减震组件，X轴移动组件包括X轴直线电机和X轴承重台，X轴直线电机连接于浮台两侧，X轴承重台设于浮台下方两侧，浮台底部设有气浮轴承，气浮轴承与X轴承重台配合设置。本发明使用了减震组件消耗微动台移动时的晃动，使得平台运动具有稳定性、精准性，且整体结构紧凑，不易发生干涉。

Description

一种六自由度的气浮式移动设备

技术领域

本发明属于气浮直线平台技术领域，具体涉及一种六自由度的气浮式移动设备。

背景技术

高精密定位平台在半导体制造、精密加工等领域内的应用十分广泛，以投影光刻设备为例，随着技术的发展，生产效率的要求越来越高，基底尺寸越来越大，厚度变化大，承载基底的定位台的行程也越来越大，在半导体设备制造、精密加工以及图像对准等领域中，经常会使用各种类型的精密定位平台，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以气浮和磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。气浮约束作为支撑和导向作用时，减小了机械结构传动引起的摩擦力等作用，提高了系统运动定位精度。以直线电机为驱动单元时，由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单等优点。

目前光刻机中掩模台通常采用粗精动叠层的结构，包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，和一个六自由度运动的微动平台。两个粗动台之间通过连接梁连接在一起，其中连接梁与一个粗动台固定连接，与另一侧粗动台通过柔性铰链连接，微动平台安装在连接梁上，实现定位装置整体运动。该种平台一方面结构复杂，增加了系统结构质量，容易影响系统运动响应性能，另一方面，两个粗动台的位置偏差会使得两个粗动平台的性能相互影响，将影响系统的运动定位精度。

申请号为US17668425的美国发明专利公开了一种用于晶圆测试的高精度气浮运动平台及方法，其中气浮运动平台包括：基座；安装在底座上的横梁；载置晶片的滑台；直线电机，直线电机被配置为驱动滑台沿横梁滑动；至少三个传感器，至少三个传感器被配置为检测晶片的垂直直线度；空气轴承，其包括第一空气轴承、第二空气轴承和第三空气轴承；空气轴承被配置用于悬挂滑台；以及补偿装置，其被配置为基于由传感器检测到的实时数据来补偿晶片的垂直直线度。该发明减小了平台偏差引起的移动干涉，但在以下技术层面存在改进空间：平台往复运动，外部气流容易影响气浮轴承的气膜均匀程度，不利于滑移稳定性；平台只能在单轴方向滑移，无法在空间内实现坐标精密控制运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有运动稳定性、精密性且能防止运动干涉的一种六自由度的气浮式移动设备。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种六自由度的气浮式移动设备，包括：基台，基台上方设有浮台，浮台上方设有微动台，基台设有X轴移动组件，浮台设有Y轴移动组件，X轴移动组件能够驱动浮台移动，Y轴移动组件能够驱动微动台移动，微动台底部连接有减震组件。通过基台上设置的X轴移动组件控制浮台，使浮台相对基台在X轴上直线移动，通过浮台连接的Y轴移动组件控制微动台，使微动台相对浮台在Y轴方向直线移动，微动台自身能够实现在X轴或Y轴方向的轴向旋转，以调整角度位置，微动台自身具有可升降的旋转平台，能实现Z轴方向的升降以及轴向旋转，配合X轴移动组件和Y轴移动组件实现六自由度的移动，整体结构紧凑，占用空间小。

优选地，X轴移动组件包括X轴直线电机和X轴承重台，X轴直线电机连接于浮台两侧，X轴承重台设于浮台下方两侧，浮台底部设有气浮轴承，气浮轴承与X轴承重台配合设置。X轴直线电机用于控制并驱动浮台移动，气浮轴承能在通气后形成气膜在X轴承重台上端，形成浮台底部的气浮支撑。

优选地，Y轴移动组件包括Y轴直线电机以及滑台，Y轴直线电机固定于浮台下方，滑台设于浮台上且与Y轴直线电机连接，微动台通过减震组件设于滑台上方。

优选地，减震组件包括固定于滑台上端的底板，底板中心设有对微动台支撑的第一减震件，底板上设有多个围绕第一减震件的第二减震件，第一减震件与任一第二减震件之间设有第一连管，相邻的第二减震件之间设有第二连管。通过底板中心的第一减震件提供微动台的中心支撑，微动台在运动过程中或运动停止的瞬间发生抖动，抖动传递至下方的第一减震件，第一减震件通过第一连管将抖动产生的干涉分散到环绕分散设置的多个第二减震件，降低微动台内部中心处的震动干涉，一方面提高运动精密度，防止震动引起装配偏差造成运动滑移时的干涉，另一方面有利于保护微动台内部结构，降低维护成本。

优选地，第一减震件包括固定于底板的底座，底座内固定有套体，套体内滑动连接有活塞，活塞上方连接有橡胶头，橡胶头对微动台底部支撑，橡胶头与活塞之间连接有圆柱弹簧，套体侧壁开设多个气孔，底座侧壁开设有多个竖缝。微动台发生抖动时下压橡胶头，橡胶头带动下方连接的活塞相对套体升降的同时，圆柱弹簧受压形变后复位，活塞在套体内下移并挤压内部气体，气体能从套体侧壁环绕布设的气孔缓慢排出进入底座内，并从多个竖缝缓慢排出，对微动台在Z轴方向的跳动进行缓冲，进一步提高精度，微动台的操作空间通常是无尘环境，但不排除浮台表面存在杂质、碎屑的可能，从多个竖缝排出的气流能向外流出，一方面能促进微动台底部周围的气流流动，有利于对浮台进行杂质清理，实现自清洁，另一方面流动的气流能向上对微动台散热，优化微动台工作环境，提高使用年限，套体与活塞的设置形成微动台与浮台的间隔，避免气浮轴承所形成的气膜影响微动台上方零件稳定性。

优选地，底板为方形板，第二减震件包括圆柱气囊，多个圆柱气囊分别位于底板的四角，圆柱气囊通过第一连管连通底座内部，相邻圆柱气囊通过第二连管连通。从套体的气孔排出的气流能部分通过第一连管进入各个圆柱气囊，气囊充气形成微动台四周角落的支撑，以保证微动台与浮台的平行度，防止微动台上零件安装倾斜导致精度降低，且在微动台工作强度过高导致其局部温度过热时，热量传递至圆柱气囊，使其内部气体吸热并膨胀，相邻的圆柱气囊通过第二连管将受热气体分散，防止微动台局部过热导致故障，且由于圆柱气囊受上方微动台与下方底板限制，圆柱气囊膨胀程度受限，使得气体作用至底座以及套体内排出，实现散热。

优选地，气浮轴承包括基体，基体在底部具有圆柱凹槽，圆柱凹槽内设有多孔质板，圆柱凹槽内壁与多孔质板外壁之间形成空腔，空腔连通有通气口，空腔内设有整流板，整流板截面呈U型且开口朝上，整流板中心设置有滤网。进入通气口的气体经过外部过滤设备进行初过滤后进入空腔，为了确保通过多孔质板的气体中不含有细小颗粒或水体，通过设置截留精度高于外部过滤设备的滤网对气体二次过滤，防止气体中的杂质以及颗粒物堵塞多孔质板，以确保多孔质板形成气膜稳定性，另一部分气流接触整流板后被其弧形曲面导流，能对滤网上过滤的杂质、颗粒物引流，促进颗粒物掉落至整流板的内凹空间，一方面形成颗粒物收集，另一方面避免颗粒物持续停留在滤网上导致后续气体无法流畅通过，导致多孔质板形成气膜不稳定。

优选地，基体在底部设置有导流环，导流环套设于多孔质板外侧，导流环在内侧开设有导流槽，导流槽为弧形槽，多个导流槽呈环绕布设。不通气或气流输出不稳定时，导流环底端面与X轴承重台接触，降低多孔质板磨损可能，保证气膜稳定输出，提高使用年限以减低维护成本，导流环通过其内侧的导流槽引导多孔质排出的气体快速向四周呈流动，形成旋状气流，能避免气流聚集在多孔质板正前方造成气堵，有利于防止排气不顺畅导致浮台的偏移。

本发明由于采用了能减小晃动干涉以及能自散热的减震组件来支撑微动台，因而具有如下有益效果：微动台晃动时，通过活塞在套体内挤压气体形成消耗，有利于提高运动精度；活塞在移动时挤压气体从气孔缓慢排出，有助于清扫灰尘，防止卡顿，还有助于对微动台散热；底板在各个角落设置的气囊彼此连通，能对微动台支撑的同时，通过第二连管连通，实现对微动台热量，防止局部过热导致微动台故障；整流板和滤网设置在多孔质板的气流输入方向，实现对输入气流过滤以防止多孔质板堵塞，同时整流板对前进气流引导，对滤网上颗粒杂质清扫和收集，防止滤网堵塞导致多孔质板形成气膜不稳定；导流环对多孔质板输出气膜形成旋流扩散，防止气流集中输出导致气堵和偏移；导流环底端低于多孔质板底端，在断气或供气不足时接触X轴承重台，防止多孔质板磨损。因此，本发明是一种具有运动稳定性、精密性且能防止运动干涉的一种六自由度的气浮式移动设备。

附图说明

图1为浮台在基台上安装示意图；

图2为基台与浮台连接正向示意图；

图3为减震组件与微动台连接示意图；

图4为减震组件结构示意图；

图5为第一减震件剖视示意图；

图6为气浮轴承内部结构示意图；

图7为导流环示意图；

图8为管套内部结构示意图。

附图标号：基台1；浮台2；微动台3；X轴移动组件4；X轴直线电机40；X轴承重台41；Y轴移动组件5；Y轴直线电机50；滑台51；减震组件6；底板60；第一减震件61；第二减震件62；第一连管63；第二连管64；底座610；套体611；活塞612；橡胶头613；圆柱弹簧614；气孔615；竖缝616；气囊620；气浮轴承7；基体70；多孔质板71；通气口72；整流板73；滤网74；导流环8；导流槽80；辅助组件9；防护环90；槽体91；管套92；硅胶瓣膜93；支撑环94；复位弹簧95；导流柱96。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1-附图3，一种六自由度的气浮式移动设备，包括：基台1，基台1上方设有浮台2，浮台2上方设有微动台3，基台1设有X轴移动组件4，浮台2设有Y轴移动组件5，X轴移动组件4能够驱动浮台2移动，Y轴移动组件5能够驱动微动台3移动，微动台3底部连接有减震组件6，减震组件6用于稳定微动台3。

微动台3具有四个自由度，微动台3能够分别在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向进行旋转，以及在Z轴方向进行升降，以实现调焦调平。

通过基台1上设置的X轴移动组件4控制浮台2，使浮台2相对基台1在X轴上直线移动，通过浮台2连接的Y轴移动组件5控制微动台3，使微动台3相对浮台2在Y轴方向直线移动，微动台3自身能够实现在X轴或Y轴方向的轴向旋转，以调整角度位置，微动台3自身具有可升降的旋转平台，能实现Z轴方向的升降以及轴向旋转，配合X轴移动组件4和Y轴移动组件5实现六自由度的移动，整体结构紧凑，占用空间小。

X轴移动组件4包括X轴直线电机40和X轴承重台41，X轴直线电机40连接于浮台2两侧，X轴承重台41设于浮台2下方两侧，浮台2底部设有气浮轴承7，气浮轴承7与X轴承重台41配合设置。

X轴直线电机40用于控制并驱动浮台2移动，气浮轴承7能在通气后形成气膜在X轴承重台41上端，形成浮台2底部的气浮支撑。

Y轴移动组件5包括Y轴直线电机50以及滑台51，Y轴直线电机50固定于浮台2下方，滑台51设于浮台2上且与Y轴直线电机50连接，微动台3通过减震组件60设于滑台51上方。

参见附图4-附图5，减震组件6包括固定于滑台51上端的底板60，底板60中心设有对微动台3支撑的第一减震件61，底板60上设有多个围绕第一减震件61的第二减震件62，第一减震件61与任一第二减震件62之间设有第一连管63，相邻的第二减震件62之间设有第二连管64。

通过底板60中心的第一减震件61提供微动台3的中心支撑，微动台3在运动过程中或运动停止的瞬间发生抖动，抖动传递至下方的第一减震件61，第一减震件61通过第一连管63将抖动产生的干涉分散到环绕分散设置的多个第二减震件62，降低微动台3内部中心处的震动干涉，一方面提高运动精密度，防止震动引起装配偏差造成运动滑移时的干涉，另一方面有利于保护微动台3内部结构，降低维护成本。

第一减震件61包括固定于底板60的底座610，底座610内固定有套体611，套体611内滑动连接有活塞612，活塞612上方连接有橡胶头613，橡胶头613对微动台3底部支撑，橡胶头613与活塞612之间连接有圆柱弹簧614，套体611侧壁开设多个气孔615，底座610侧壁开设有多个竖缝616，在气压足够的前提下，竖缝616能够由内向外释放气体。

微动台3发生抖动时下压橡胶头613，橡胶头613带动下方连接的活塞612相对套体611升降的同时，圆柱弹簧614受压形变后复位，活塞612在套体611内下移并挤压内部气体，气体能从套体611侧壁环绕布设的气孔615排出至底座610内，再通过竖缝616向外缓慢排出，对微动台3在Z轴方向跳动进行缓冲，进一步提高精度，微动台3的操作空间通常是无尘环境，但不排除浮台2表面存在杂质、碎屑的可能，从多个气孔615排出的气流从底座610内向上流出，一方面能促进微动台3底部周围的气流流动，有利于对浮台2进行杂质清理，实现自清洁，另一方面流动的气流能向上对微动台3散热，优化微动台3工作环境，提高使用年限，套体611与活塞612的设置形成微动台3与浮台2的间隔，避免气浮轴承7所形成的气膜影响微动台3上方零件稳定性。

底板60为方形板，第二减震件62包括圆柱气囊620，多个圆柱气囊620分别位于底板60的四角，圆柱气囊620通过第一连管63连通底座610内部，相邻圆柱气囊620通过第二连管64连通。

从套体611的气孔615排出的气流能部分通过第一连管63进入各个圆柱气囊620，气囊620充气形成微动台3四周角落的支撑，以保证微动台3与浮台2的平行度，防止微动台3上零件安装倾斜导致精度降低，且在微动台3工作强度过高导致其局部温度过热时，热量传递至圆柱气囊620，使其内部气体吸热并膨胀，相邻的圆柱气囊620通过第二连管64将受热气体分散，防止微动台3局部过热导致故障，且由于圆柱气囊620受上方微动台3与下方底板60限制，圆柱气囊620膨胀程度受限，使得气体作用至底座610以及套体611内排出，实现散热。

参见附图6-附图7，气浮轴承7包括基体70，基体70在底部具有圆柱凹槽，圆柱凹槽内设有多孔质板71，圆柱凹槽内壁与多孔质板71外壁之间形成空腔，空腔连通有通气口72，空腔内设有整流板73，整流板73截面呈U型且开口朝上，整流板73中心设置有滤网74。

需要说明的是，滤网74采用过滤精度为0.2微米-50微米的空气过滤网74，滤网74的材质采用具有耐热性和耐化学性的聚丙烯。

进入通气口72的气体经过外部过滤设备进行初过滤后进入空腔，为了确保通过多孔质板71的气体中不含有细小颗粒或水体，通过设置截留精度高于外部过滤设备的滤网74对气体二次过滤，防止气体中的杂质以及颗粒物堵塞多孔质板71，防止气体中的杂质以及颗粒物堵塞多孔质板71，以确保多孔质板71形成气膜稳定性，另一部分气流接触整流板73后被其弧形曲面导流，能对滤网74上过滤的杂质、颗粒物引流，促进颗粒物掉落至整流板73的内凹空间，一方面形成颗粒物收集，另一方面避免颗粒物持续停留在滤网74上导致后续气体无法流畅通过，导致多孔质板71形成气膜不稳定。

基体70在底部设置有导流环8，导流环8套设于多孔质板71外侧，导流环8的底端面低于多孔质板71底端面，导流环8在内侧开设有导流槽80，导流槽80为弧形槽，多个导流槽80呈环绕布设。不通气或气流输出不稳定时，导流环8底端面与X轴承重台41接触，降低多孔质板71磨损可能，保证气膜稳定输出，提高使用年限以减低维护成本，导流环8通过其内侧的导流槽80引导多孔质排出的气体快速向四周呈流动，形成旋状气流，能避免气流聚集在多孔质板71正前方造成气堵，有利于防止排气不顺畅导致浮台2的偏移。

参见附图7-附图8，气浮轴承7底部外侧设置有辅助组件9，辅助组件9包括防护环90，防护环90位于导流环8外侧且与基体70连接，防护环90开设有多个纵向贯通的槽体91，多个槽体91环绕防护环90中心设置，槽体91内设置有管套92，管套92内滑动设置有硅胶瓣膜93，硅胶瓣膜93呈半球形状且凹面向上，管套92内固定有支撑环94，支撑环94位于硅胶瓣膜93下方且二者之间连接有复位弹簧95，支撑环94中部固定有导流柱96，硅胶瓣膜93具有十字开口，导流柱96能通过十字开口，槽体91与通气口72连通到同一个气泵。

气泵工作输出气体，气体分别进入气浮轴承7内的空腔以及管套92内，进入管套92的气压大小在适宜范围内时，硅胶瓣膜93不会发生形变，此时十字开口闭合，后续气体持续从气浮轴承7的多孔质板71流出，形成均匀气膜，当气泵输出气体的气压过大时，进入管套92作用硅胶瓣膜93的气压增大，推动硅胶瓣膜93靠近支撑环94并挤压复位弹簧95，此时十字开口通过导流柱96并被顶开形成硅胶瓣膜93上下的流通，使得过大气压从管套92底部流出，以减小多孔质板71处的气压强度，保证气膜输出稳定性，同时，从管套92底部流出的气流从多孔质板71外侧边缘流出，实现了在不影响气膜的情况下对X轴承重台41进行清扫，待气体的气压恢复正常时，硅胶瓣膜93上方气压降低失去下压力，使得复位弹簧95恢复形变，硅胶瓣膜93的十字开口离开导流柱96后闭合，以保证气流正常从多孔质板71输出形成气膜。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种六自由度的气浮式移动设备，包括：基台（1），所述基台（1）上方设有浮台（2），

其特征是：所述浮台（2）上方设有微动台（3），所述基台（1）设有X轴移动组件（4），所述浮台（2）设有Y轴移动组件（5），所述X轴移动组件（4）能够驱动所述浮台（2）移动，所述Y轴移动组件（5）能够驱动所述微动台（3）移动，所述微动台（3）底部连接有减震组件（6），

所述Y轴移动组件（5）包括Y轴直线电机（50）以及滑台（51），所述Y轴直线电机（50）固定于所述浮台（2）下方，所述滑台（51）设于所述浮台（2）上且与Y轴直线电机（50）连接，所述微动台（3）通过所述减震组件（6）设于所述滑台（51）上方，

所述减震组件（6）包括固定于所述滑台（51）上端的底板（60），所述底板（60）中心设有对所述微动台（3）支撑的第一减震件（61），所述底板（60）上设有多个围绕所述第一减震件（61）的第二减震件（62），所述第一减震件（61）与任一所述第二减震件（62）之间设有第一连管（63），相邻的所述第二减震件（62）之间设有第二连管（64），

所述第一减震件（61）包括固定于所述底板（60）的底座（610），所述底座（610）内固定有套体（611），所述套体（611）内滑动连接有活塞（612），所述活塞（612）上方连接有橡胶头（613），所述橡胶头（613）对所述微动台（3）底部支撑，所述橡胶头（613）与活塞（612）之间连接有圆柱弹簧（614），所述套体（611）侧壁开设多个气孔（615），所述底座（610）侧壁开设有多个竖缝（616），

所述底板（60）为方形板，所述第二减震件（62）包括圆柱气囊（620），多个所述圆柱气囊（620）分别位于所述底板（60）的四角，所述圆柱气囊（620）通过所述第一连管（63）连通所述底座（610）内部，相邻所述圆柱气囊（620）通过所述第二连管（64）连通。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度的气浮式移动设备，其特征是：所述X轴移动组件（4）包括X轴直线电机（40）和X轴承重台（41），所述X轴直线电机（40）连接于所述浮台（2）两侧，所述X轴承重台（41）设于所述浮台（2）下方两侧，所述浮台（2）底部设有气浮轴承（7），所述气浮轴承（7）与所述X轴承重台（41）配合设置。

3.根据权利要求2所述的一种六自由度的气浮式移动设备，其特征是：所述气浮轴承（7）包括基体（70），所述基体（70）在底部具有圆柱凹槽，所述圆柱凹槽内设有多孔质板（71），所述圆柱凹槽内壁与所述多孔质板（71）外壁之间形成空腔，所述空腔连通有通气口（72），所述空腔内设有整流板（73），所述整流板（73）截面呈U型且开口朝上，所述整流板（73）中心设置有滤网（74）。

4.根据权利要求3所述的一种六自由度的气浮式移动设备，其特征是：所述基体（70）在底部设置有导流环（8），所述导流环（8）套设于所述多孔质板（71）外侧，所述导流环（8）在内侧开设有导流槽（80），所述导流槽（80）为弧形槽，多个所述导流槽（80）呈环绕布设。