CN117072560A - 一种大行程气浮式纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大行程气浮式纳米定位平台，属于精密伺服驱动技术领域，该平台包括基台，基台上设有直线电机，直线电机连接有气浮台，气浮台下方设有承重台，基台嵌设有多个减震组件，减震组件间隔设置于承重台下方，减震组件包括底板，底板上端对称设有减震柱，减震柱内配合设置有活塞，活塞底端与减震柱内壁形成空腔，活塞上端固定有滑杆，滑杆顶端连接有装配头，装配头连接于承重台的底端，装配头与减震柱之间设有减震弹簧，减震弹簧套设于滑杆。该发明能隔绝外部震动向气浮台的传递，提高了滑移的稳定性和精密程度，实现了高准度运动定位。

Description

一种大行程气浮式纳米定位平台

技术领域

本发明属于精密伺服驱动技术领域，具体涉及一种大行程气浮式纳米定位平台。

背景技术

近年来，微电子器件和集成化芯片加工技术，扫描显微成像技术、量子材料制备技术、生物医学工程技术等高精尖技术蓬勃发展，其系统所能达到的精度和性能在很大程度上依赖于其纳米移定位子系统的精度和性能，随着纳米光刻技术、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、微机电系统等技术的发展，纳米移定位平台也有了长足的发展。

在已有技术中，大多数移定位平台采用压电陶瓷驱动器驱动，带有放大机构的和解耦结构的串并联结构。并联结构相对于串联结构具有高刚度、高负载承载力、高速度和高定位精度等显著优势，但同时难于解耦。压电陶瓷驱动器驱动相较于传统驱动方式具有控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，但难以达到很大的行程。纳米定位平台中采用的放大机构通常包括传统杠杆放大和桥式放大机构，杠杆放大刚度高，为了达到较大的放大倍数必然会增大空间构型；桥式放大具有较大的放大比，但是刚度小，负载承载力过小，无法满足一些高承载需求。

申请号为US15853847的美国发明专利公开了大承载导向机构及多自由度大行程高精度运动平台系统，该发明包括刚性框架，刚性框架内设置有运动平台，该发明还包括非接触式制动器，非接触式制动器用于驱动运动平台刚性框架用于产生大行程位移以实现高速运动；与非接触致动器的运动部分连接的芯运动平台，刚性框架通过第一柔性铰链组和第二柔性铰链组连接，柔性铰链组在致动器的驱动下弹性变形产生小行程精密位移，该运动平台系统可根据需要进行灵活构建，且整体采用通用加工方式制造，不使用气浮、磁悬浮等特殊部件，成本低，解决了现有的高精度运动平台行程较短和造价高的问题。而针对以下技术问题，该发明还存在改进空间：外部震动干涉容易造成抖动，造成运动干涉和定位精度下降；平台瞬间转变滑移方向容易发生抖动位移，不利于零件寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高稳定性且具有多种气浮支撑模式的大行程气浮式纳米定位平台。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种大行程气浮式纳米定位平台，包括：基台，基台上设有直线电机，直线电机连接有气浮台，气浮台下方设有承重台，基台嵌设有多个减震组件，减震组件间隔设置于承重台下方。直线电机驱动气浮台在承重台上滑移，通过在气浮台下方安装气浮轴承，实现滑移时的气浮支撑，气浮台在滑移时能及时停止运动实现准确定位，直线电机工作时会产生震动并传递至基台，通过减震组件削弱基台对承重台的震动传递，以保证气浮台的定位准确度。

优选地，减震组件包括底板，底板上端对称设有减震柱，减震柱内配合设置有活塞，活塞底端与减震柱内壁形成空腔，活塞上端固定有滑杆，滑杆顶端连接有装配头，装配头连接于承重台的底端，装配头上设有顶板，顶板连接于承重台底端，装配头与减震柱之间设有减震弹簧，减震弹簧套设于滑杆。直线电机工作产生的震动以及地面震动传递基台，基台震动时带动底板上的减震柱相对活塞位移，通过活塞挤压空腔对震动进行消耗，降低震动传递，同时多个减震柱能够针对不同方向的震动力进行削弱，进一步降低震动传递，有效地保证了承重台的稳定性和相对气浮台的平行度，提高了滑移精密性，活塞挤压空腔时减震柱靠近装配头挤压减震弹簧，挤震动消耗完毕后减震弹簧复位保证能对下一次震动消耗传递。

优选地，装配头包括装配架，装配架固定于滑杆顶部，装配架具有向上的锥形曲面，锥形曲面环绕开设有槽体，槽体内转动设置有滚柱，装配架上方配合设置有装配罩，多个装配罩固定有同一个顶板，顶板与承重台底端固定，装配罩内壁与锥形曲面配合设置，装配罩能接触滚柱。直线电机工作产生的震动以及地面震动传递基台，通过承重台带动装配罩在装配架上发生位移并接触各个滚柱，使滚柱与装配罩的进行滚动摩擦进而消耗晃动，进而消耗震动能量对承重台的传递，避免承重台将震动传递至气浮台影响后者滑移，有助于保持气浮台与承重台的平行度，提高滑移精密度。

优选地，基台上端面向下开设有多个方形槽，方形槽与减震组件数量相等且位置对应布设，底板设于方形槽底端。多个减震柱和装配头形成了承重台与基台之间的间隙，提高了承重台周围气流流通效果，有助于气浮轴承在承重台上输出气膜后气流快速流动并消散，避免排出的气流接触基台后快速反流影响气浮轴承，提高了气浮稳定性。

优选地，承重台上端间隔设有安装孔，安装孔内设有辅助气浮件，辅助气浮件包括由上至下依次连接的多孔板、柱体和挡板，多孔板与挡板分别与安装孔配合设置，安装孔在下方连通有同一个进气管路，进气管路开设于承重台内且对外连通，进气管路连接有第一气泵。气浮轴承输出的气流能够部分截留在多孔板内，第一气泵能够输出气体至进气管路，进气管路将气体分流至各个安装孔内，从而推动挡板带动柱体以及顶部的孔板在安装孔内向上滑移，此时气浮台不需要气浮轴承输出气膜，通过上浮的多孔板抬高气浮台形成滑移支撑。

优选地，安装孔内设置有挡圈，柱体与挡圈配合设置，安装孔位于挡圈上下方的壁体之间连通有辅助气路，柱体内开设有出气通道，出气通道连通柱体的顶部与侧壁。输入安装孔的气流能够通过辅助气路进入到柱体侧方空间，并从柱体侧方进入出气通道到达柱体顶部并输出，输出的气流能从孔板均匀输出成气膜，形成对气浮台的气浮支撑，且在气浮轴承使用失效时，向上输出气流的多孔板依然能提供上浮的支撑，保证了气浮台滑移稳定性，同时避免气浮轴承堵塞导致气浮台与直线电机产生运动干涉，降低了维护成本。

优选地，辅助气路位于挡圈下方的端口位于挡板侧方，辅助气路位于挡圈上方的端口位于多孔板下方。挡板被通入安装孔的气体挡圈对挡板滑移限位，防止多孔板过分上移撞击气浮台造成干涉，底部的挡板被进入安装孔的气流推动上移时，离开辅助气路的下方端口，此时进入安装孔的气流能够通过辅助气路的下方端口流通到上方端口，进而从出气通道作用多孔板，实现多孔板先上移再输出气流，保证气浮支撑的有效性，防止多孔板距离气浮台过远时气流分散导致气浮支撑力不足，在气浮轴承堵塞故障时气浮台存在下落风险，气浮台下落后多孔板输出的气流被堵塞，此时第一气泵输出的气流进入安装孔并在挡板下方积压，通过气压支撑挡板，防止挡板快速下落撞击安装孔底部造成磨损。

优选地，承重台在两个末端位置设有限位件，限位件包括嵌设于承重台的安装套，安装套内设有滑移柱，滑移柱顶部固定有橡胶头，安装套底部开设孔体，滑移柱在孔体内配合设置且能滑移，承重台开设有限位气路，限位气路与安装套底部连通，限位气路外部连接有第二气泵。在气浮台滑移至行程终端时，第二气泵输出气流至安装套底部并作用滑移柱，使得滑移柱带动顶部的橡胶头向上推移并抵接气浮台底部，实现对气浮台的缓慢减速。

本发明由于采用了在承重台下方设置减震组件以防止震动干涉，因而具有如下有益效果：减震组件通过活塞挤压空腔对震动产生的位移消耗，降低震动干涉，提高气浮台在承重台上的滑移精密性；震动使装配盖与装配件相对位移，通过装配盖与滚柱的滚动接触降低垂直方向的震动传递，保证了承重台与气浮台的平行度，提高滑移流畅度和精密程度；辅助气浮件通过能够上浮并输出气流的多孔板实现气浮轴承失效时对气浮台的气浮支撑，避免气浮台下落造成损伤；气浮台可在不配设气浮轴承的情况下实现气浮移动，降低生成成本；第一气泵启动时，辅助气路实现多孔板上移后再输出气膜，保证了多孔板在气浮台下方有效距离内输出气流，保证气浮支撑的稳定性；气浮台意外下落时能通过挡板下方气压累积形成支撑，缓冲下落速度，防止下落撞击产生零件损伤；限位件通过对气浮台底部接触摩擦实现减速，降低气浮台急停后抖动与承重台发生干涉可能。因此，本发明是一种具有高稳定性且具有多种气浮支撑模式的大行程气浮式纳米定位平台。

附图说明

图1为基台、气浮台与承重台连接示意图；

图2为方形槽位置示意图；

图3为承重台与减震组件连接示意图；

图4为减震组件结构示意图；

图5为减震柱局部剖视示意图；

图6为安装孔与进气管路连接示意图；

图7为辅助气浮件剖视示意图；

图8为限位件剖视示意图。

附图标号：基台1；方形槽10；直线电机2；气浮台3；承重台4；安装孔40；进气管路41；减震组件5；底板50；减震柱51；活塞52；滑杆53；装配头54；顶板55；减震弹簧56；装配架540；槽体541；滚柱542；装配罩543；辅助气浮件6；多孔板60；柱体61；挡板62；挡圈63；辅助气路64；限位件7；安装套70；滑移柱71；橡胶头72；密封板73；复位弹簧74；主气孔710；副气孔711；喷气孔720。

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3，一种大行程气浮式纳米定位平台，包括：基台1，基台1上设有直线电机2，直线电机2连接有气浮台3，气浮台3下方设有承重台4，基台1嵌设有多个减震组件5，减震组件5间隔设置于承重台4下方，气浮台3在下方能够安装气浮轴承。

直线电机2驱动气浮台3在承重台4上滑移，通过在气浮台3下方安装气浮轴承，实现滑移时的气浮支撑，气浮台3在滑移时能及时停止运动实现准确定位，直线电机2工作时会产生震动并传递至基台1，通过减震组件5削弱基台1对承重台4的震动传递，以保证气浮台3的定位准确度。

参见附图4-附图5，减震组件5包括底板50，底板50上端对称设有减震柱51，减震柱51内配合设置有活塞52，活塞52底端与减震柱51内壁形成空腔，活塞52上端固定有滑杆53，滑杆53顶端连接有装配头54，多个装配头54连接有同一个顶板55，顶板55固定于承重台4的底端，装配头54与减震柱51之间设有减震弹簧56，减震弹簧56套设于滑杆53。

直线电机2工作产生的震动以及地面震动传递基台1，基台1震动时带动底板50上的减震柱51相对活塞52位移，通过活塞52挤压空腔对震动进行消耗，降低震动传递，同时多个减震柱51能够针对不同方向的震动力进行削弱，进一步降低震动传递，有效地保证了承重台4的稳定性和相对气浮台3的平行度，提高了滑移精密性，活塞52挤压空腔时减震柱51靠近装配头54挤压减震弹簧56，挤震动消耗完毕后减震弹簧56复位保证能对下一次震动消耗传递。

装配头54包括装配架540，装配架540固定于滑杆53顶部，装配架540具有小端向上的锥形曲面，锥形曲面环绕开设有槽体541，槽体541内转动设置有滚柱542，装配架540在上方配合设置有装配罩543，装配罩543顶部与承重台4底端固定，装配罩543内壁与锥形曲面配合设置，装配罩543能接触滚柱542。

直线电机2工作产生的震动以及地面震动传递基台1，通过承重台4带动装配罩543在装配架540上发生位移并接触各个滚柱542，使滚柱542与装配罩543的进行滚动摩擦进而消耗晃动，进而消耗震动能量对承重台4的传递，避免承重台4将震动传递至气浮台3影响后者滑移，有助于保持气浮台3与承重台4的平行度，提高滑移精密度。

参见附图2，基台1上端面向下开设有多个方形槽10，方形槽10与减震组件5数量相等且位置对应布设，底板50设于方形槽10底端，装配头54的上端面位于基台1上端面的上方。多个减震柱51和装配头54形成了承重台4与基台1之间的间隙，提高了承重台4周围气流流通效果，有助于气浮轴承在承重台4上输出气膜后气流快速流动并消散，避免排出的气流接触基台1后快速反流影响气浮轴承，提高了气浮稳定性。

参见附图6-附图7，承重台4上端间隔设有安装孔40，安装孔40内设有辅助气浮件6，辅助气浮件6包括由上至下依次连接的多孔板60、柱体61和挡板62，多孔板60与挡板62分别与安装孔40配合设置，安装孔40在下方连通有同一个进气管路41，进气管路41开设于承重台4内且对外连通，进气管路41连接有第一气泵。

气浮轴承输出的气流能够部分截留在多孔板60内，第一气泵能够输出气体至进气管路41，进气管路41将气体分流至各个安装孔40内，从而推动挡板62带动柱体61以及顶部的孔板在安装孔40内向上滑移，此时气浮台3不需要气浮轴承输出气膜，通过上浮的多孔板60抬高气浮台3形成滑移支撑。

安装孔40内设置有挡圈63，柱体61与挡圈63配合设置，安装孔40位于挡圈63上下方的壁体之间连通有辅助气路64，柱体61内开设有出气通道65，出气通道65连通柱体61的顶部与侧壁，出气通道65与辅助气路64均与柱体61外侧空间连通。

输入安装孔40的气流能够通过辅助气路64进入到柱体61侧方空间，并从柱体61侧方进入出气通道65到达柱体61顶部并输出，输出的气流能从孔板均匀输出成气膜，形成对气浮台3的气浮支撑，且在气浮轴承使用失效时，向上输出气流的多孔板60依然能提供上浮的支撑，保证了气浮台3滑移稳定性，同时避免气浮轴承堵塞导致气浮台3与直线电机2产生运动干涉，降低了维护成本。

辅助气路64位于挡圈63下方的端口位于挡板62侧方，辅助气路64位于挡圈63上方的端口位于多孔板60下方，多孔板60能被推出并接触气浮轴承。

挡板62被通入安装孔40的气体挡圈63对挡板62滑移限位，防止多孔板60过分上移撞击气浮台3造成干涉，底部的挡板62被进入安装孔40的气流推动上移时，离开辅助气路64的下方端口，此时进入安装孔40的气流能够通过辅助气路64的下方端口流通到上方端口，进而从出气通道65作用多孔板60，实现多孔板60先上移再输出气流，保证气浮支撑的有效性，防止多孔板60距离气浮台3过远时气流分散导致气浮支撑力不足，在气浮轴承堵塞故障时气浮台3存在下落风险，气浮台3下落后多孔板60输出的气流被堵塞，此时第一气泵输出的气流进入安装孔40并在挡板62下方积压，通过气压支撑挡板62，防止挡板62快速下落撞击安装孔40底部造成磨损。

参见附图8，承重台4在两个末端位置设有限位件7，限位件7包括嵌设于承重台4的安装套70，安装套70内设有滑移柱71，滑移柱71顶部固定有橡胶头72，安装套70底部开设孔体，滑移柱71在孔体内配合设置且能滑移，承重台4开设有限位气路42，限位气路42与安装套70底部连通，限位气路42外部连接有第二气泵。

需要说明的是，直线电机2具有检测气浮台3滑移位置的光栅尺。

在气浮台3滑移至行程终端时，第二气泵输出气流至安装套70底部并作用滑移柱71，使得滑移柱71带动顶部的橡胶头72向上推移并抵接气浮台3底部，实现对气浮台3的缓慢减速。

滑移柱71在中部连接有密封板73，密封板73与安装套70内壁配合设置且能轴向滑移，密封板73与安装套70底部之间设置有复位弹簧74，复位弹簧74套接在滑移柱71上，滑移柱71轴心处设置有主气孔710，主气孔710连通滑移柱71上下端面，滑移柱71开设有副气孔711，副气孔711位于密封板73下方且与主气孔710连通，橡胶头72轴心处开设有喷气孔720，喷气孔720直径远小于主气孔710，喷气孔720与主气孔710连通。

第二气泵启动时，光栅尺检测到气浮台3靠近行程终点时，进入限位气路42的一部分气流能从喷气孔720向外输出，形成与气浮轴承输出气膜的对向气流，实现对气浮台3的减速，待光栅尺检测到气浮台3到达行程终点时，进入限位气路42的气体另一部分从主气孔710输出至副气孔711，此时滑移柱71、安装套70以及密封板73之间的腔体气压增大，推动密封板73带动滑移柱71向上滑移，使得橡胶头72靠近并抵接气浮台3，通过气动提高了橡胶头72对气浮台3的减速速度，提高了定位准确性，且摩擦接触的方式相较于现有技术的板体限位方案，避免了气浮台3急停时撞击造成的零件损伤以及震动干涉，导致定位不准。

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 (3)

1.一种大行程气浮式纳米定位平台，包括：基台（1），所述基台（1）上设有直线电机（2），所述直线电机（2）连接有气浮台（3），所述气浮台（3）下方设有承重台（4），

其特征是，所述基台（1）嵌设有多个减震组件（5），所述减震组件（5）间隔设置于所述承重台（4）下方，

所述减震组件（5）包括底板（50），所述底板（50）上端对称设有减震柱（51），所述减震柱（51）内配合设置有活塞（52），所述活塞（52）底端与所述减震柱（51）内壁形成空腔，所述活塞（52）上端固定有滑杆（53），所述滑杆（53）顶端连接有装配头（54），所述装配头（54）上设有顶板（55），所述顶板（55）连接于所述承重台（4）的底端，所述装配头（54）与所述减震柱（51）之间设有减震弹簧（56），所述减震弹簧（56）套设于所述滑杆（53），

所述装配头（54）包括装配架（540），所述装配架（540）固定于所述滑杆（53）顶部，所述装配架（540）具有向上的锥形曲面，所述锥形曲面环绕开设有槽体（541），所述槽体（541）内转动设置有滚柱（542），所述装配架（540）上方配合设置有装配罩（543），所述装配罩（543）顶部与所述承重台（4）底端固定，所述装配罩（543）内壁与所述锥形曲面配合设置，所述装配罩（543）能接触所述滚柱（542），

所述承重台（4）上端间隔设有安装孔（40），所述安装孔（40）内设有辅助气浮件（6），所述辅助气浮件（6）包括由上至下依次连接的多孔板（60）、柱体（61）和挡板（62），所述多孔板（60）与所述挡板（62）分别与所述安装孔（40）配合设置，所述安装孔（40）在下方连通有同一个进气管路（41），所述进气管路（41）开设于所述承重台（4）内且对外连通，所述进气管路（41）连接有第一气泵，所述安装孔（40）内设置有挡圈（63），所述柱体（61）与所述挡圈（63）配合设置，所述安装孔（40）位于所述挡圈（63）上下方的壁体之间连通有辅助气路（64），所述柱体（61）内开设有出气通道，所述出气通道连通所述柱体（61）的顶部与侧壁，

所述辅助气路（64）位于所述挡圈（63）下方的端口位于所述挡板（62）侧方，所述辅助气路（64）位于所述挡圈（63）上方的端口位于所述多孔板（60）下方。

2.根据权利要求1所述的一种大行程气浮式纳米定位平台，其特征是：所述基台（1）上端面向下开设有多个方形槽（10），所述方形槽（10）与所述减震组件（5）数量相等且位置对应布设，所述底板（50）设于所述方形槽（10）底端。

3.根据权利要求1所述的一种大行程气浮式纳米定位平台，其特征是：所述承重台（4）在两个末端位置设有限位件（7），所述限位件（7）包括嵌设于所述承重台（4）的安装套（70），所述安装套（70）内设有滑移柱（71），所述滑移柱（71）顶部固定有橡胶头（72），所述安装套（70）底部开设孔体，所述滑移柱（71）在所述孔体内配合设置且能滑移，所述承重台（4）开设有限位气路，所述限位气路与所述安装套（70）底部连通，所述限位气路对外连接有第二气泵。