專利名稱：高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納制造技術領域，涉及一種二自由度位移工作臺，特別是 一種高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺，該運動工作臺可 實現(xiàn)平面二維方向寬范圍、精密位移定位，主要用于微納壓印裝置、集成電 路光刻機、精密測量掃描裝置等。
背景技術：
在集成電路(IC)、微機電系統(tǒng)(MEMS)制造等領域，對運動執(zhí)行機構具有 系統(tǒng)精度高、運動速度快、工作平穩(wěn)等特點的定位系統(tǒng)的需求日益迫切。目 前，在微納制造領域內(nèi)精密工作平臺主要采用直線電機、滾珠絲杠和磁懸浮 等結構形式來實現(xiàn)精密定位。然而直接使用直線電機驅動方式，其結構簡單， 但需要精密直線電機，控制也非常復雜，磁懸浮技術還不成熟，工業(yè)應用還 需要解決許多問題。在工業(yè)應用中廣泛采用精密滾珠絲杠配合高分辨率光柵 尺的結構形式來實現(xiàn)位移精密定位，而運用滾珠絲杠實現(xiàn)X、 Y二維方向的精 密定位主要采用十字交叉迭加型結構，此結構等同于懸臂梁結構，存在Z向 的撓度，直接導致微納光刻壓印微納米級特征尺寸圖形的不均一性。隨著氣 體軸承技術日益成熟，氣浮工作臺也逐漸開始應用在各個領域，氣浮導軌是 氣體軸承的一種應用形式，半懸浮氣體導軌是氣浮導軌的一種特殊形式，它 具有速度快、精度高、剛度大、摩擦磨損小、摩擦力恒定等特點，現(xiàn)已在國 外廣泛的應用。發(fā)明內(nèi)容針對微納光刻壓印圖形的微納米級特征尺寸圖形的不均一性以及現(xiàn)有 十字交叉迭加型滾珠絲杠位移定位結構Z向撓度的問題，本發(fā)明的目的在于， 提供一種高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺，將現(xiàn)有十字 交叉迭加型滾珠絲杠位移定位結構進行改進設計，使得工作臺與兩運動軸的 導向面為同一高度平面，不存在Z向撓度，并于位置檢測過程中不產(chǎn)生阿貝 誤差。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術解決方案 一種高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺，包括基座，其特征在于在基座上安裝有X軸運動模塊、Y軸運動模塊和X、 Y向位置檢測裝置，其中，X軸運動模塊位于Y軸運動模塊之內(nèi)；Y軸運動模塊由Y向旋轉電機驅動，并由固定于基座之上的直線導軌導 向；X軸運動模塊由X向旋轉電機驅動，Y軸運動模塊和X軸運動模塊為內(nèi)外兩 層分布，同一運動平面；X、 Y向位置檢測裝置用于分別實時控制X軸運動模塊與Y軸運動模塊的位置信號；并由各自的行程開關控制運動模塊運動范圍；所述的x軸運動模塊主要由柔性鉸鏈連接板，連接板，螺母，絲杠支撐 支座，絲杠固定支座，聯(lián)軸器，x軸旋轉電機，滾珠絲杠，電機固定支架，預壓彈簧，工作臺，右擋板，左擋板，進氣孔，負壓腔，氣膜腔，第一行程開關，頂板，底板構成；X軸旋轉電機通過安裝在Y軸左滑塊架上的電機固定 支架固定，X軸滾珠絲杠由絲杠固定支座、絲杠支撐支座采用一端固定一端 游動支撐方式固定在Y軸運動模塊上；預壓彈簧一端固定在左滑塊架上，另 一端固定工作臺上；Y軸運動模塊主要由Y軸右滑塊架，Y軸左滑塊架，導軌外側架，導軌內(nèi) 側架，左直線導軌，右直線導軌，預壓彈簧，Y軸旋轉電機，電機固定支架， 聯(lián)軸器，絲杠支撐支座，絲杠固定支座，Y軸滾珠絲杠，螺母，連接板，第 二行程開關，X軸左滑動導軌，X軸右滑動導軌構成；旋轉電機通過電機固定 支架安裝于基座上；Y軸滾珠絲杠由絲杠固定支座、絲杠支撐支座采用一端 固定一端游動支撐方式固定在基座上；X、 Y向位置檢測裝置主要由X向光柵尺，X向光柵讀數(shù)頭，Y向光柵尺，
向光柵讀數(shù)頭構成；其中，Y向光柵尺固定在基座上，Y向光柵讀數(shù)頭固定于 Y軸右滑塊架下側；X向光柵尺固定在導軌內(nèi)側架上，Y向光柵讀數(shù)頭固定工 作臺左側；所述的第一行程開關固定在導軌外側架的兩側；工作臺與基座采用大基 面作為半懸浮工作面，工作臺底板與基座之間形成一層氣膜，以減小載荷對 基座的壓力；所述的第二行程開關固定在基座的兩側；導軌外側架和導軌內(nèi)側架內(nèi)側 分別安裝固定有X軸右滑動導軌和X軸左滑動導軌，預壓彈簧一端固定在基座 上，另一端固定在導軌外側架上，以消除模塊運動過程中絲杠可能產(chǎn)生的間 隙。本發(fā)明的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺分別采 用旋轉電機與滾珠絲杠同步驅動X、Y軸運動模塊實現(xiàn)兩坐標精確定位以及精密運動。該工作臺可用于半導體與超精密加工的光刻技術、微制造、表面形 貌測量及超精密坐標測量等方面。其最大行程可到達250mmX250mm，定位精 度可以達到5;/m，重復定位精度可達l/zm，最大速度為O. 25m/s。本發(fā)明公開的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面工作臺，其Y軸 運動模塊采用單邊絲杠螺母驅動，避免雙邊驅動所導致的同步驅動控制一致 性問題。并采用高精密滾動導軌機構。減少機構間隙與蠕動誤差。X軸運動 模塊采用傳統(tǒng)的滑動導軌導向，以高精度研磨的不銹鋼棒作為滑動導軌，在 導軌的滑動表面進行表面處理，復合一層低摩擦系數(shù)的薄膜降低滑動摩擦 力，以消除機構低速運動可能產(chǎn)生的爬行運動。本發(fā)明公開的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面工作臺，其X軸 運動模塊采用氣壓半懸浮導軌結構，工作臺在與基座接觸界面進行表面處 理，降低接觸界面間摩擦系數(shù)。工作臺與基座采用大基面作為半懸浮工作面， 工作臺底板開有進氣孔，負壓腔，氣膜腔，通過控制氣壓、流量對工作臺載 荷進行卸載，從而降低界面間滑動摩擦力和變形程度，提高承載能力和剛度。
本發(fā)明公開的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺，采用共基面結構，使工作臺與兩運動軸等高度，極大地減小X、 Y兩向位置檢測 過程中阿貝誤差的影響，消除了原有十字交叉迭加型結構存在的Z向撓度。 采用氣壓半懸浮大平面導軌結構有效的提高了工作臺的剛度與承載能力。精 密的直線光柵實時回饋工作臺的位置信號，實現(xiàn)定位系統(tǒng)的全閉循環(huán)位置控 制。本工作臺基座采用花崗巖制造，具有耐磨性強、彈性模量大、剛度好， 線膨脹系數(shù)小、抗振性好等特點，非常適合作為精密工作臺的支撐材料。


附圖l 圖6(a、 b)為氣壓半懸浮精密工作臺結構示意圖。其中 圖l是本發(fā)明精密工作臺的整體結構示意圖。 圖2是本發(fā)明工作臺的俯視圖。 圖3是圖2的A-A視圖。圖4a是圖3中I視圖——氣壓半懸浮導軌局部放大視圖。 圖4b是圖3中J視圖——Y軸運動模塊位置檢測裝置局部放大視圖。 圖4c是X軸運動模塊柔性鉸鏈連接板示意圖。 圖5是圖2的B-B視圖。 圖6a是X軸運動模塊滑動導軌示意圖。圖6b是圖5中H視圖，g卩X軸運動模塊位置檢測裝置局部放大視圖。 附圖中的符號分別表示1. X軸運動模塊，101.柔性鉸鏈連接板，102.連接板，103.螺母，104a. 絲杠支撐支座，104b.絲杠固定支座，104c.深溝球軸承，104d.圓錐滾子軸 承，105.聯(lián)軸器，106.X軸旋轉電機，107.滾珠絲杠，108.電機固定支架， 109.預壓彈簧，110.工作臺，111a.右擋板，lllb.左擋板，112a.進氣孔112b. 負壓腔112c.氣膜腔，113.行程開關，114.頂板，115.底板；2. Y軸運動模塊，201.Y軸右滑塊架，202.Y軸左滑塊架，203.導軌外側 架，204.導軌內(nèi)側架，205&左直線導軌，205b.右直線導軌，205c.右滑塊，205b.左滑塊，206.預壓彈簧，207.Y軸旋轉電機，208.電機固定支架，209. 聯(lián)軸器，210a絲杠支撐支座，210b.絲杠固定支座，211.Y軸滾珠絲杠，212. 螺母，213.連接板，214.行程開關，215&左滑動導軌，215b.右滑動導軌； 3.基座；4a,X向光柵尺，4b.X向光柵讀數(shù)頭，4c.Y向光柵尺，4d.Y向光柵讀數(shù)頭。以下結合附圖對本發(fā)明的作更進一步的詳細描述。
具體實施方式
參見附圖。圖l為精密工作臺的整體結構示意圖、圖2為工作臺的俯視圖、 圖3為圖2的A-A視圖、圖4A為氣壓半懸浮導軌局部放大視圖、圖4B為Y軸運動 模塊位置檢測裝置局部放大視圖、圖4C為X軸運動模塊柔性鉸鏈連接板示意 圖、圖5為圖2的B-B視圖、圖6A為X軸運動模塊滑動導軌示意圖、圖6B為X軸 運動模塊位置檢測裝置局部放大視圖。本發(fā)明的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面工作臺，其Y軸運動 模塊2和X軸運動模塊1安裝在同一基座3之上，組成兩運動軸等高的二自由度 平面運動工作臺。其Y軸運動模塊2采用單邊絲杠螺母驅動，避免雙邊驅動所 導致的同步驅動控制一致性問題。X軸運動模塊1采用傳統(tǒng)滑動導軌與氣壓半 懸浮導軌相結合的結構，減小摩擦界面間的滑動摩擦力，消除低速爬行現(xiàn)象， 提高工作臺的承載能力與剛度。該工作臺內(nèi)外兩層，工作臺與運動軸等高的 結構具有更好的動力學性能、更高的定位精度。本工作臺的基本工作原理為X向旋轉電機106與Y向旋轉電機207分別作 為兩軸驅動器，通電后根據(jù)運動控制卡分別控制其運動。旋轉電機傳遞扭矩 給絲杠，絲杠驅動分別與X、 Y軸運動模塊聯(lián)接的預壓螺母，進而控制兩運動 模塊在運動行程內(nèi)運動；X、 Y向位置檢測裝置4內(nèi)設置的X向光柵尺4a，光柵 讀數(shù)頭4b與Y向光柵尺4c ， Y向光柵讀數(shù)頭4d分別實時控制X軸運動模塊1與Y 軸運動模塊2的位置信號，實現(xiàn)系統(tǒng)大行程、高速、高加速度微米精度定位。參見圖l所示本發(fā)明是一種高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面
運動工作臺，包括基座3、 X軸運動模塊l、 Y軸運動模塊2和X、 Y向位置檢測 裝置4。 Y軸運動模塊2由Y向旋轉電機通過Y向絲杠螺母驅動，并由直線導軌 導向，直線導軌固定于基座3之上。X軸運動模塊1位于Y軸運動模塊2之內(nèi)， 由X向旋轉電機通過X向絲杠螺母驅動，工作臺110的底面緊貼基座3。兩運動 模塊為內(nèi)外兩層分布，同一運動平面。參見圖2、圖4b、圖5、圖6a所示Y軸運動模塊主要由Y軸右滑塊架201， Y軸左滑塊架202，導軌外側架203，導軌內(nèi)側架204，左直線導軌205a，右直 線導軌205b，預壓彈簧206， Y軸旋轉電機207，電機固定支架208，聯(lián)軸器209， 絲杠支撐支座210a，絲杠固定支座210b， Y軸滾珠絲杠211，螺母212，連接 板213，行程開關214， X軸左滑動導軌215a， X軸右滑動導軌215b構成。旋轉 電機207通過電機固定支架208安裝于基座3上，Y軸滾珠絲杠211由絲杠固定 支座210b、絲杠支撐支座210a采用一端固定一端游動支撐方式固定在基座3 上。Y向光柵尺4c固定在基座3上，Y向光柵讀數(shù)頭4d固定于Y軸右滑塊架201 下側。行程開關214固定在基座3的兩側。預壓彈簧206—端固定在基座3上， 一端固定于導軌外側架203，主要用于消除模塊運動過程中絲杠可能產(chǎn)生的 間隙。導軌外側架203，導軌內(nèi)側架204內(nèi)側分別安裝固定有X軸右滑動導軌 215b、 X軸左滑動導軌215a。 Y軸運動模塊由Y向光柵尺4c、讀數(shù)頭4d實時控 制Y向運動位置，并由行程開關214限制其最大運動范圍。參見圖3、圖4a、圖4c、圖5、圖6b所示，X軸運動模塊l主要由柔性鉸鏈 連接板IOI，連接板102，螺母103，絲杠支撐支座104a，絲杠固定支座104b， 聯(lián)軸器105， X軸旋轉電機106，滾珠絲杠107，電機固定支架108，預壓彈簧 109，工作臺IIO，右擋板llla，左擋板lllb，進氣孔112a，負壓腔112b，氣 膜腔112c，行程開關113，頂板114，底板115構成。X軸旋轉電機106通過安 裝在Y軸左滑塊架202上的電機固定支架108固定，X軸滾珠絲杠107由絲杠固 定支座104b、絲杠支撐支座104a采用一端固定一端游動支撐方式固定在Y軸 運動模塊上。預壓彈簧109—端固定在左滑塊架202上， 一端固定工作臺IIO
上，主要用于消除工作臺運動過程中絲杠可能產(chǎn)生的間隙。X向光柵尺4a固 定在導軌內(nèi)側架204上，Y向光柵讀數(shù)頭4b固定工作臺110左側。行程開關113 固定在導軌外側架203的兩側。工作臺110與基座3采用大基面作為半懸浮工 作面，工作臺底板115開有進氣孔112a，負壓腔112b，氣膜腔112c，工作臺 運動過程中可以通過控制氣壓、流量對工作臺載荷進行卸載，當工作臺靜止 的時候可以關閉進氣孔112a，打開負壓腔112b，使氣膜腔內(nèi)形成負壓，使工—作臺進入鎖死狀態(tài)，阻止工作臺可能產(chǎn)生的蠕動現(xiàn)象。其中工作臺iro底座右擋板llla，左擋板lllb，頂板114，底板115順次連接構成。由工作臺IIO 通過柔性鉸鏈連接板IOI，連接板102與滾珠絲杠107，預壓螺母103相聯(lián)接。 柔性鉸鏈連接板101是垂直交叉和沿縱向軸強度高的雙軸柔性鉸鏈，其特點 是縱向強度高，而另外兩方向柔性強，這即有效的避免了絲杠安裝、運動中 可能產(chǎn)生的誤差，又保證了縱向絲杠精度。X軸運動模塊由Y向光柵尺4a、讀 數(shù)頭4b實時控制X向運動位置，并由行程開關113限制其最大運動范圍。本發(fā)明的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面工作臺，其Y軸運動 模塊采用單邊絲杠螺母驅動，避免雙邊驅動所導致的同步驅動控制一致性問 題。并采用高精密滾動導軌機構，減少機構間隙與蠕動誤差。X軸運動模塊 采用傳統(tǒng)的滑動導軌與氣壓半懸浮導軌相結合的結構，減小摩擦界面間的滑 動摩擦力，消除低速爬行現(xiàn)象，提高工作臺的承載能力與剛度。工作臺最大 行程可到達250mmX250mm，定位精度可以達到5/zm ，重復定位精度可達l;/m ， 最大速度為0.25m/s。該工作臺內(nèi)外兩層分布，使工作臺與運動軸等高的結 構具有更好的動力學性能、更高的定位精度。
權利要求
1.一種高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺，包括基座(3)，其特征在于，在基座(3)上安裝有X軸運動模塊(1)、Y軸運動模塊(2)和X、Y向位置檢測裝置(4)，其中X軸運動模塊(1)位于Y軸運動模塊(2)之內(nèi)；Y軸運動模塊(2)由Y向旋轉電機(207)驅動，并由固定于基座(3)之上的直線導軌導向；X軸運動模塊(1)由X向旋轉電機(106)驅動，Y軸運動模塊(2)和X軸運動模塊(1)為內(nèi)外兩層分布，同一運動平面；X、Y向位置檢測裝置(4)用于分別實時控制X軸運動模塊(1)與Y軸運動模塊(2)的位置信號；并由各自的行程開關控制運動模塊運動范圍；所述的X軸運動模塊(1)主要由柔性鉸鏈連接板(101)，連接板(102)，螺母(103)，絲杠支撐支座(104a)，絲杠固定支座(104b)，聯(lián)軸器(105)，X軸旋轉電機(106)，滾珠絲杠(107)，電機固定支架(108)，預壓彈簧(109)，工作臺(110)，右擋板(111a)，左擋板(111b)，進氣孔(112a)，負壓腔(112b)，氣膜腔(112c)，第一行程開關(113)，頂板(114)，底板(115)構成；X軸旋轉電機(106)通過安裝在Y軸左滑塊架(202)上的電機固定支架(108)固定，X軸滾珠絲杠(107)由絲杠固定支座(104b)、絲杠支撐支座(104a)采用一端固定一端游動支撐方式固定在Y軸運動模塊上；預壓彈簧(109)一端固定在左滑塊架(202)上，另一端固定工作臺(110)上；Y軸運動模塊(2)主要由Y軸右滑塊架(201)，Y軸左滑塊架(202)，導軌外側架(203)，導軌內(nèi)側架(204)，左直線導軌(205a)，右直線導軌(205b)，預壓彈簧(206)，Y軸旋轉電機(207)，電機固定支架(208)，聯(lián)軸器(209)，絲杠支撐支座(210a)，絲杠固定支座(210b)，Y軸滾珠絲杠(211)，螺母(212)，連接板(213)，第二行程開關(214)，X軸左滑動導軌(215a)，X軸右滑動導軌(215b)構成；旋轉電機(207)通過電機固定支架(208)安裝于基座(3)上；Y軸滾珠絲杠(211)由絲杠固定支座(210b)、絲杠支撐支座(210a)采用一端固定一端游動支撐方式固定在基座(3)上；X、Y向位置檢測裝置(4)主要由X向光柵尺(4a)，X向光柵讀數(shù)頭(4b)，Y向光柵尺(4c)，Y向光柵讀數(shù)頭(4d)構成；其中，Y向光柵尺(4c)固定在基座(3)上，Y向光柵讀數(shù)頭(4d)固定于Y軸右滑塊架(201)下側；X向光柵尺(4a)固定在導軌內(nèi)側架(204)上，Y向光柵讀數(shù)頭(4b)固定工作臺(110)左側；所述的第一行程開關(113)固定在導軌外側架(203)的兩側；工作臺(1 10)與基座(3)采用大基面作為半懸浮工作面，工作臺底板(115)與基座(3)之間形成一層氣膜，減小載荷對基座(3)的壓力；所述的第二行程開關(214)固定在基座(3)的兩側；導軌外側架(203)和導軌內(nèi)側架(204)內(nèi)側分別安裝固定有X軸右滑動導軌(215b)和X軸左滑動導軌(215a)，預壓彈簧(206)一端固定在基座(3)上，另一端固定在導軌外側架(203)上，以消除模塊運動過程中絲杠可能產(chǎn)生的間隙。
2. 如權利要求l所述的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工 作臺，其特征在于，所述的工作臺(110)底面緊貼基座(3)，由安裝在Y 運動模塊上的X向光柵尺(4a)、讀數(shù)頭(4b)實時控制。X向運動位置工作臺(110)底座由右擋板(111a)，左擋板(111b)， 頂板(114)，底板(115)順次連接構成；工作臺(110)通過柔性鉸鏈連 接板(101)，連接板(102)與滾珠絲杠(107)，預壓螺母(103)相聯(lián)接。
3. 如權利要求l所述的高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面工作 臺，其特征在于，所述的工作臺底板(115)有進氣孔(112a)，負壓腔(112b)， 氣膜腔(112c)，工作臺運動過程中通過控制氣壓、流量對工作臺載荷進行 卸載，或者關閉進氣孔(112a)，使氣膜腔內(nèi)形成負壓，產(chǎn)生預加載效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速大行程的氣壓半懸浮二自由度共基面運動工作臺，包括基座、X軸運動模塊、Y軸運動模塊和X、Y位置檢測裝置。Y軸運動模塊由Y向旋轉電機通過Y向絲杠螺母驅動，并由直線導軌導向，直線導軌固定于基座之上。X軸運動模塊位于Y軸運動模塊之內(nèi)，由X向旋轉電機通過X向絲杠螺母驅動，工作臺底面緊貼基座。其Y軸運動模塊和X軸運動模塊安裝在同一基座之上，組成工作臺與兩運動軸等高的二自由度共基面的運動工作臺。X、Y運動模塊運用精密的直線光柵實時回饋運動工作臺在二維平面內(nèi)的位置信號，實現(xiàn)定位系統(tǒng)的全閉循環(huán)位置控制，可用于半導體與超精密加工的光刻技術、微制造、表面形貌測量及超精密坐標測量等方面。
文檔編號G03F7/20GK101118377SQ200710018229
公開日2008年2月6日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權日2007年10月26日
發(fā)明者丁玉成, 劉紅忠, 艷 占, 盧秉恒, 陳小明 申請人:西安交通大學