專利名稱：一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置及其控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及光刻設備的運動裝置，特別涉及光刻設備的平衡質(zhì)量運動裝置。
技術(shù)背景光刻機生產(chǎn)過程是一系列的極為復雜、昂貴、耗時的光刻工藝過程，而光 刻機的光刻精度和產(chǎn)率高低直接決定了光刻設備的設計和制造。隨著市場對光 刻產(chǎn)率需求的提高，且同時要求改善和提高系統(tǒng)的曝光質(zhì)量和曝光精度。在此 技術(shù)需求背景下，國外主要光刻設備生產(chǎn)企業(yè)均采用了平衡質(zhì)量控制技術(shù)來克 服和突破光刻機的工件臺運動時的反作用力外引方式對產(chǎn)率和系統(tǒng)精度的制 約。平衡質(zhì)量控制技術(shù)使得工件臺長行程模塊的負載質(zhì)量、速度、加速度都相 應地得到較大幅度地增加。借助平衡質(zhì)量控制技術(shù)，工件臺運動反作用于基礎 框架的力會大幅降低，這在很大程度上減少了光刻機系統(tǒng)的減振難度，避免了 負載運動的反作用力對系統(tǒng)曝光的干擾。然而，平衡質(zhì)量技術(shù)的引入使得系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)設計趨于復雜。目前，工件臺平衡質(zhì)量系統(tǒng)存在雙層和單層平衡質(zhì)量兩種結(jié)構(gòu)，其定位控 制的執(zhí)行器系統(tǒng)也主要有兩種方式。
一種是采用平衡質(zhì)量直線電機直接驅(qū)動控制方式；另一種是采用旋轉(zhuǎn)電機，借助機構(gòu)運動傳遞來實現(xiàn)平衡質(zhì)量的X、 Y、 Rz自由度的控制。對于多自由度的定位臺驅(qū)動控制采用直線電機控制，則需要開發(fā)具有側(cè)向 間隙和位移的直線電機，普通直線電機不具有這種功能。這種控制方式的優(yōu)點 是三個直線電機可以對X, Y， Rz三個自由度的獨立控制，不存在運動耦合問 題，系統(tǒng)無需解耦，其執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)設計相對簡單，控制策略和控制 架構(gòu)方案易于制定。而采用普通旋轉(zhuǎn)電機通過機構(gòu)運動組合控制平衡質(zhì)量的X， Y， Rz自由度定位，系統(tǒng)需解耦，其執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)設計相對復雜些，控制策略和控 制架構(gòu)設計要求相對要高些。但是其硬件方案易于實現(xiàn)，成本較低，系統(tǒng)設計 和軟件設計可以通過各種手段得到彌補或降低開發(fā)難度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置及其控制方 法，以實現(xiàn)機構(gòu)運動的完全解耦，提髙平衡質(zhì)量的運動控制精度，保證垂直軸 向精度達到微弧度精度。為了達到上述的目的，本發(fā)明提供一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，包括平衡質(zhì)量；平衡質(zhì)量框架；氣浮系統(tǒng)；運動限位裝置和平衡質(zhì)量系統(tǒng)運 動糾偏與防漂裝置；該平衡質(zhì)量通過該平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置連接 到該平衡質(zhì)量框架上；該平衡質(zhì)量框架置于該氣浮系統(tǒng)上；該運動限位裝置位 于該平衡質(zhì)量系統(tǒng)框架的四個頂角點位置上。該平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置包括執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。該執(zhí)行 器系統(tǒng)包4舌兩組五才干才凡構(gòu)和四組;旋轉(zhuǎn)電才幾。該兩組五斥干才凡構(gòu)分別包4舌兩個雙曲 柄和兩個連桿，每個雙曲柄兩頭分別連接一組旋轉(zhuǎn)電機和一根連桿，該兩組五 桿機構(gòu)關(guān)于該平衡質(zhì)量對偶分布。該測量系統(tǒng)由四組旋轉(zhuǎn)編碼器通過機構(gòu)運動構(gòu)成。本發(fā)明還提供一種使用該裝置的方法，該方法可以是獨立運動模式，也可 以是跟隨運動模式。該獨立運動模式中，該平衡質(zhì)量根據(jù)自身獨立的運動軌跡實現(xiàn)平面正交方 向及垂直軸向的自由度的單軸運動。該跟隨運動^t式中，該平衡質(zhì)量根據(jù)上層主運動部件的運動軌跡實現(xiàn)平面 正交方向、垂直軸向及平面旋轉(zhuǎn)方向的自由度的多軸運動，包括以下步驟(1) 對上層主運動部件的運動基于平衡質(zhì)量進行絕對測量；(2) 將主運動的設定值規(guī)劃輸出經(jīng)過乘反向質(zhì)量比增益作為該平衡質(zhì)量平 面正交方向的運動參考位置，將主運動設定值前饋引入到該平衡質(zhì)量平面正交 方向跟隨控制的前饋環(huán)路中；(3 )將該平衡質(zhì)量垂直軸向的恒值定位的設定值位置作為該平衡質(zhì)量垂直軸向的運動參考位置，將該平衡質(zhì)量垂直軸向的設定值加速度輸入作為該平衡
質(zhì)量垂直軸向控制的前饋輸入；
(4)將該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的恒值定位的設定值規(guī)劃作為該平衡質(zhì)量 平面旋轉(zhuǎn)方向的運動參考位置，將該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的前饋位置和加速 度輸入作為該平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向控制的前饋輸入；
(5 )該平衡質(zhì)量的執(zhí)行器通過增益平衡解偶實現(xiàn)該平衡質(zhì)量在水平正交方 向、垂直軸向及平面凝j爭方向上的運動。
該執(zhí)行器通過增益平衡解偶實現(xiàn)平衡質(zhì)量在水平正交方向、垂直軸向及平 面旋轉(zhuǎn)方向上的運動的方法包括如下步驟
(1) 將傳感器測量轉(zhuǎn)角和測量系統(tǒng)輸出換算成五桿機構(gòu)本身的轉(zhuǎn)動角度；
(2) 將控制器輸出轉(zhuǎn)換為鉸支點的力輸出；
(3 )根據(jù)五桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度將鉸支點輸出力轉(zhuǎn)換成曲柄端點的受力輸
出；
(4)根據(jù)連桿轉(zhuǎn)角和傳感器接口測量到的四個旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角，將曲柄端 點的受力換算成電機的轉(zhuǎn)矩輸出；
(5 )根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器位數(shù)限制對執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為數(shù)模輸出所需要的數(shù)字 量進行鉗位限制；
(6)對每個執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩進行數(shù)模輸出轉(zhuǎn)換為馬達電壓位輸出。 使用該裝置的方法中測量系統(tǒng)通過五桿機構(gòu)對該平衡質(zhì)量進行間接測量， 包括如下步驟
(1) 測量系統(tǒng)在初始化過程中讀入旋轉(zhuǎn)編碼器初始值以及轉(zhuǎn)換因子和偏移
量；
(2) 在運動控制過程中，測量接口讀入編碼器測量值，并根據(jù)初始測量位 置傳感器偏差及其轉(zhuǎn)換因子計算出旋轉(zhuǎn)電機物理軸轉(zhuǎn)動角度；
(3) 將電機軸轉(zhuǎn)角換算成曲柄運動位置；
(4) 將曲柄位置換算成鉸支點的運動位置；
(5 )將兩個鉸支點的運動位置換算成平衡質(zhì)量的邏輯軸運動位移和偏轉(zhuǎn)， 即平衡質(zhì)量相對于基礎框架坐標系的位移和轉(zhuǎn)角。
在本發(fā)明中，提出了兩組雙曲柄五桿機構(gòu)和四個高精度旋轉(zhuǎn)電機以及限位裝置構(gòu)建其糾偏和防漂裝置系統(tǒng)，來實現(xiàn)底層平衡質(zhì)量的XA7Rz自由度運動控 制。其中，旋轉(zhuǎn)電機的支撐架固聯(lián)于基礎框架的兩側(cè)。旋轉(zhuǎn)電機通過驅(qū)動機構(gòu) 運動實現(xiàn)防漂裝置補償平衡質(zhì)量系統(tǒng)在X、 Y和Rz向的位置漂移。四個電機實 現(xiàn)三個自由度的運動解耦控制，能夠達到較^的控制精度。本發(fā)明在基于機構(gòu)運動學基礎之上，作出了兩點重要改進和優(yōu)化設計第 一，根據(jù)驅(qū)動電機耗散功率最小化原則，給出了一套五桿機構(gòu)的最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺 寸參數(shù)和配合，使得每個電機的效能達到最優(yōu)；第二，根據(jù)電機驅(qū)動力矩均衡 分配原則，采用了結(jié)構(gòu)對偶設計和分布，解除結(jié)構(gòu)的復雜耦合，使得結(jié)構(gòu)的運 動學解耦由多解實現(xiàn)單解的簡化計算，為系統(tǒng)的控制解耦和更準確、快而穩(wěn)定 的控制提供了 一個更優(yōu)的解決方案。在本系統(tǒng)中，采用四個旋轉(zhuǎn)電機的冗余拖動控制，系統(tǒng)耦合性強，穩(wěn)定度 高，能更有效的支持大慣量高速運動控制。因而工件臺系統(tǒng)中采用雙層平衡質(zhì) 量或者增大平衡質(zhì)量，可以盡量地提高平衡質(zhì)量比系數(shù)，有利于提高硅片承載 臺的控制精度和隔振效果；平衡質(zhì)量可以獨立平衡不同的自由度運動。從而， 大幅度地提升硅片承載臺大行程運動的加速度和減速度。針對提出的上述結(jié)構(gòu)和解耦方法，系統(tǒng)設計了相應的控制策略。在控制策 略中解決以下問題(1)平衡質(zhì)量不能準確按照預定的質(zhì)心守恒定律運動，它 是由于運動負載質(zhì)心偏移引起Rz向的附加轉(zhuǎn)矩運動原因?qū)е碌模?2 )氣浮擾動、 摩擦、線纜應力擾動等原因引起的定位跟蹤。因此，控制策略中采用了基于運 動解耦和前饋補償?shù)姆绞絹斫鉀Q系統(tǒng)平衡質(zhì)量本身的運動漂移補償控制，保證 系統(tǒng)的定位跟蹤精度；(3)控制策略中給出平衡質(zhì)量獨立運動和跟隨運動兩種 控制策略方式，從而滿足平衡質(zhì)量定位系統(tǒng)復雜的運動控制需求。此外，基于本系統(tǒng)具有高精度的優(yōu)化的解耦方法，系統(tǒng)采用四個旋轉(zhuǎn)電機 本身的編碼器測量系統(tǒng)來構(gòu)建整個系統(tǒng)的測量方案，以在實現(xiàn)系統(tǒng)較高的控制 精度的同時，減少系統(tǒng)開發(fā)的成本，從而避免要求采購昂貴的三軸測量系統(tǒng)。本發(fā)明在工件臺雙層平衡質(zhì)量系統(tǒng)中，引入經(jīng)過優(yōu)化的雙曲柄五連桿結(jié)構(gòu) 的運動執(zhí)行裝置，用以實現(xiàn)工件臺平衡質(zhì)量系統(tǒng)的跟隨運動控制補償和獨立運 動的初始化回零?；谶@種優(yōu)化的這種雙曲柄五連桿機構(gòu)制定平衡質(zhì)量運動的 執(zhí)行器系統(tǒng)方案、測量系統(tǒng)方案、控制策略，通過結(jié)構(gòu)對偶方法使得運動易于實現(xiàn)解耦。能夠使得硅片承載臺作大行程運動時提高速度和加速度，并保證精 確的反向定位和嚴格地質(zhì)心守恒及動量守恒，并能很好的補償和抵消因硅片承 載臺的偏心運動產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩。


圖1為一種基于五桿機構(gòu)的工件臺平衡質(zhì)量定位控制策略示意圖2為一種基于五桿機構(gòu)運動的執(zhí)行器系統(tǒng)示意圖3為一組基于五桿機構(gòu)運動的測量系統(tǒng)示意圖4為一種改進型平衡質(zhì)量的糾偏和防漂的五桿機構(gòu)運動執(zhí)行裝置示意圖5為一組基于五桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的對比數(shù)據(jù)示意圖6為一種工件臺雙層平4釺質(zhì)量定位系統(tǒng)示意圖。
附圖中109、增益平衡模塊；111、 X向長行程編碼傳感器；112、 X平衡 質(zhì)量塊測量系統(tǒng)；113、 X長行程編碼器測量值；114、旋轉(zhuǎn)編碼器11測量值； 115、旋轉(zhuǎn)編碼器12測量值；116、旋轉(zhuǎn)編碼器21測量值；117、旋轉(zhuǎn)編碼器22 測量值；118、長行程模塊相對X平衡塊X向位移；119、長行程模塊絕對位移； 110、線形運動到旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換模塊；101、長行程X向設定值發(fā)生器；102、 X 平衡質(zhì)量塊X向設定值發(fā)生器；103、 X平衡質(zhì)量塊Y向設定值發(fā)生器；104、 X平衡質(zhì)量塊Rz向設定值發(fā)生器；125、 X平衡質(zhì)量塊X向絕對測量值；126、 X平衡質(zhì)量塊Y向絕對測量值；127、 X平衡質(zhì)量塊Rz向絕對測量值；120、長 行程X向功率放大器；121、功率放大器A11; 122、功率放大器A12; 123、功 率放大器A21; 124、功率放大器A22; 105、長行程X軸控制器；106、 X平衡 質(zhì)量X軸控制器；107、 X平衡質(zhì)量Y軸控制器；108、 X平衡質(zhì)量Rz軸控制 器；128、前饋設定值；129、測量接口和測量系統(tǒng)反饋值；201、傳感器接口； 201、測量系統(tǒng)；203、伺服控制器；204、連桿轉(zhuǎn)角；205、控制點到鉸支點的 輸出轉(zhuǎn)換；206、鉸支點到曲柄輸出轉(zhuǎn)換；207、曲柄到馬達輸出轉(zhuǎn)換；208、飽 和限幅環(huán)節(jié)；209、執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)換；210、旋轉(zhuǎn)編碼器輸出；211、測量系統(tǒng)輸 出；212、控制器輸出；213、連桿轉(zhuǎn)角；214、鉸支點輸出力；215、曲柄輸出 力；216、執(zhí)行器系統(tǒng)輸出；217、飽和限幅輸出；218、馬達電壓位輸出；301、 旋轉(zhuǎn)電機絕對編碼器測量采樣值；302、傳感器測量轉(zhuǎn)換；303、馬達到曲柄位置的轉(zhuǎn)換；304、曲柄到鉸支點位置的轉(zhuǎn)換；305、鉸支點到控制點的位置轉(zhuǎn)換； 306、初始測量位置傳感器偏差及其轉(zhuǎn)換因子；307、旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)角；308、曲柄 位置坐標；309、 4交支點位置坐標；310、控制點位置輸出；401、平衡質(zhì)量；403、 》走轉(zhuǎn)電才幾11; 404、 S走轉(zhuǎn)電才幾12; 412、 i走專爭電才凡21; 413、 S走轉(zhuǎn)電才凡22; 402、 雙曲柄五桿機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)曲柄11; 405、雙曲柄五桿機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)曲柄12; 410、雙 曲柄五桿機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)曲柄21; 411、雙曲柄五桿才幾構(gòu)的旋轉(zhuǎn)曲柄22; 406、雙曲 柄五4干才幾構(gòu)的連桿11; 407、雙曲柄五才干才幾構(gòu)的連斥干12; 408、 乂又曲柄五4干才幾構(gòu) 的連桿21; 409、雙曲柄五桿機構(gòu)的連桿22; 1、基礎框架；2、 X向平衡塊X; 3a、 Y向直線電才幾的導軌；3b、 Y向直線電4幾的導軌；4a、 Y向平衡塊；4b、 Y 向平衡塊；5a、 Y向直線電機的定子；5b、 Y向直線電機的定子；6、硅片臺； 101a、 Y向直線電^li的動子；101b、 Y向直線電^L的動子；102a、主柔性塊；102b、 副柔性塊；103a、橫梁；104a、 X向直線電機的動子；105a、緩沖器；105b、緩 沖器；106a、接觸開關(guān)；106b、接觸開關(guān)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的說明。 如圖1所示，基于優(yōu)化的雙曲柄五連桿機構(gòu)運動執(zhí)行裝置，設計了平衡質(zhì) 量定位控制系統(tǒng)的控制策略。本發(fā)明提供了兩種控制模式獨立運動模式和跟 隨運動模式。在獨立運動模式，平衡質(zhì)量能夠根據(jù)自身獨立的軌跡規(guī)劃實現(xiàn) X/Y/Rz自由度的單軸運動。圖中模塊112將實現(xiàn)底層平衡質(zhì)量的絕對坐標測量， 模塊111實現(xiàn)長行程負載相對底層平衡質(zhì)量的相對位移測量。模塊101為長行 程X向設定值發(fā)生器通過控制器105實現(xiàn)對硅片承載臺的X向運動控制；平衡 質(zhì)量塊則由模塊102/103/104給出各自獨立的設定值規(guī)劃，根據(jù)系統(tǒng)需求實現(xiàn)平 衡質(zhì)量的X/Y/Rz自由度運動控制。平衡質(zhì)量塊的各個軸的設定值分別通過控制 器106/107/108調(diào)節(jié)輸出后， 一起按照模塊109的轉(zhuǎn)換算法實現(xiàn)三個邏輯軸到四 個電機軸的控制解耦轉(zhuǎn)換。其中，IIO模塊需要平衡質(zhì)量測量系統(tǒng)的邏輯測量值 和傳感器輸出值129參與線性運動到旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換計算，最后進入功率放大 器驅(qū)動電機按照預定邏輯軸需求旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)平衡質(zhì)量定位系統(tǒng)的獨立運動 控制。在跟隨運動模式下，控制策略方式切換到跟隨狀態(tài)模式。此時，上層被平 衡部件為主運動，平衡質(zhì)量為從運動，跟隨運動控制起到糾偏補償作用。上層主運動部件的測量系統(tǒng)由相對測量118切4炎到絕對測量119方式，平衡質(zhì)量的 運動參考位置輸入切換到主運動的設定值規(guī)劃輸出，并且主運動設定值前饋也 引入到平衡質(zhì)量跟隨控制的前饋環(huán)路中。系統(tǒng)為了糾偏，同時還要將平衡質(zhì)量 Rz軸控制的前饋輸入切換為主運動設定值前饋位置和加速度128輸入，從而使 得上層主運動可以快速的通過大質(zhì)量平衡質(zhì)量的轉(zhuǎn)矩控制來進行糾偏。如圖2所示，執(zhí)行器系統(tǒng)通過增益平衡解耦實現(xiàn)平衡質(zhì)量X/Y/Rz軸運動。 首先，204模塊將傳感器測量轉(zhuǎn)角210和測量系統(tǒng)輸出211換算成五桿機構(gòu)本身 的轉(zhuǎn)動角度213，同時205模塊實現(xiàn)控制器輸出212轉(zhuǎn)換為鉸支點的力輸出214; 206模塊根據(jù)五桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度213將鉸支點輸出力214轉(zhuǎn)換成曲柄端點的受 力輸出215;然后，207模塊根據(jù)連桿轉(zhuǎn)角213和傳感器接口測量到的四個旋轉(zhuǎn) 編碼器轉(zhuǎn)角210，將曲柄端點的受力215換算成電機的轉(zhuǎn)矩輸出216; 208模塊 則根據(jù)DAC位數(shù)限制對執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩216轉(zhuǎn)換為D/A所需要的數(shù)字量217進行4甘 位限制，以使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量不能超出DAC數(shù)字位數(shù)達到飽和。最后，209模 塊對每個執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩217進行D/A輸出轉(zhuǎn)換為218。如圖3所示，測量系統(tǒng)通過五桿機構(gòu)運動學解耦原理實現(xiàn)平衡質(zhì)量邏輯軸 的間接測量。首先，測量系統(tǒng)在初始化過程中讀入旋轉(zhuǎn)編碼器初始值以及轉(zhuǎn)換 因子和偏移量306，在運動控制過程中，測量接口 302讀入編碼器測量值并根據(jù) 306計算出旋轉(zhuǎn)電機物理軸轉(zhuǎn)動角度307。然后，測量系統(tǒng)模塊303則將電機軸 轉(zhuǎn)角換算成曲柄運動位置308， 304模塊將曲柄位置又換算成鉸支點的運動位置 309，最后模塊305將兩個鉸支點的運動位置換算成平衡質(zhì)量的邏輯軸運動位移 和偏轉(zhuǎn)310,該值是平衡質(zhì)量相對于^出框架坐標系的位移和轉(zhuǎn)角。如圖4所示，平衡質(zhì)量塊401的XA7Rz自由度控制通過兩組雙曲柄五連桿 機構(gòu)由四個旋轉(zhuǎn)電才幾拖動來控制。雙曲柄402/405/410/411和連桿 406/407/408/409均為對偶結(jié)構(gòu)設計，其長度尺寸、電機軸心位置、控制點位置 和角度均根據(jù)控制對偶原理按照系統(tǒng)靜力學守恒和運動學守恒原理進行了優(yōu)化 計算。從而實現(xiàn)了三邏輯軸(XA7Rz)到四個電才幾軸(物理軸)403/404/412/413 的解耦，其算法結(jié)構(gòu)滿足對偶原理，容易實現(xiàn)，并通過小角度運動克服非線性運動帶來的精度損失，實現(xiàn)線性運動精度達到微米級，旋轉(zhuǎn)運動達到微弧度級。
如圖5所示，優(yōu)化不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機的選型要求是不一樣的。因此，
根據(jù)本系統(tǒng)的設計目標和要求，通過對偶法設計本系統(tǒng)中的優(yōu)化參數(shù)，從而有 利于電機的選型和控制解耦方法的確立。本系統(tǒng)采用四個高精度旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動
兩組雙曲柄五桿機構(gòu)來補償?shù)讓悠胶赓|(zhì)量在X/Y/Rz的運動的控制方式，使得系 統(tǒng)的解耦難度僅僅集中于底層平衡質(zhì)量的補償裝置，然而通過兩組雙曲柄五連 桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)對偶法優(yōu)化，根據(jù)電機的耗散功率為閾值評價指標，可使得機構(gòu) 運動的解耦難度大大降低。在其他高剛性結(jié)構(gòu)設計中采用直線電機驅(qū)動，盡管 減少了機械系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，但是電機本身運動系統(tǒng)的振動衰減特性低、 高加減速運動時容易引起振動，從而阻礙了運動系統(tǒng)的高性能化。而且由于沒 有阻尼和中間傳動環(huán)節(jié)，直線電機推力波動、負載波動、線纜應力波動等擾動 也直接作用于運動部件上，沒有任何的衰減，容易導致系統(tǒng)產(chǎn)生對期望值的跟 蹤誤差。
如圖6所示，本發(fā)明的一個實施用例即基于這種五桿機構(gòu)和控制方案的工 件臺平衡質(zhì)量定位系統(tǒng)，它主要包括基礎框架、X向平衡質(zhì)量塊及框架、Y向 平衡質(zhì)量塊及框架、由三個直線電機構(gòu)成的H型長行程驅(qū)動模塊、由四個旋轉(zhuǎn) 電機和雙曲柄五連桿才幾構(gòu)組成的平衡質(zhì)量運動補償執(zhí)行裝置、以及氣浮系統(tǒng)組 成0
X向平衡塊2通過氣浮浮在基礎框架上，具有XIYIRz自由度。Y向平衡塊 4al4b通過氣浮軸承和平衡質(zhì)量2連接。Y向平衡塊只有Y向自由度。Y向直線 電機的定子5和Y向平衡塊4剛性聯(lián)接。橫梁103a的兩端與Y向直線電機的動 子101a和101b聯(lián)接。X向直線電機104a氣浮在橫梁103a上，驅(qū)動硅片承載臺 6作X向運動。當硅片臺承載臺運動時，Y向直線電機驅(qū)動橫梁作Y方向運動， 電機產(chǎn)生的Y向反作用力由Y向平衡塊抵消，同樣，X向直線電機推動硅片臺 作X向的運動，產(chǎn)生的X向反作用力由中間層Y平4紆質(zhì)量塊和底層X平衡質(zhì)量 塊構(gòu)成X向的總體平衡質(zhì)量來抵消。
當硅片承載臺偏離中心位置的時候，驅(qū)動質(zhì)心位置發(fā)生變化，此時X和Y 向電機驅(qū)動不僅產(chǎn)生X向和Y向反作用力，同時由于兩個Y向電機的有效負栽 發(fā)生變化還產(chǎn)生Rz向的附加轉(zhuǎn)矩。因此，要通過調(diào)整H型剛性結(jié)構(gòu)的兩個Y向電機來補償這個旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，Y向電機的反作用力將這個附加轉(zhuǎn)矩傳遞到Y(jié)向 平衡質(zhì)量。Y向平衡質(zhì)量通過其補償電機將這部分轉(zhuǎn)矩傳遞給X平衡質(zhì)量。X 平衡質(zhì)量具有Rz自由度，因此，硅片承載臺產(chǎn)生的Rz向附加轉(zhuǎn)矩將由X平衡 質(zhì)量塊來平衡補償。
權(quán)利要求
1. 一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，其特征在于，包括平衡質(zhì)量；平衡質(zhì)量框架；氣浮系統(tǒng)；運動限位裝置；和平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置；所述平衡質(zhì)量通過所述平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置連接到所述平衡質(zhì)量框架上；所述平衡質(zhì)量框架置于所述氣浮系統(tǒng)上；所述運動限位裝置位于所述平衡質(zhì)量系統(tǒng)框架的四個頂角點位置上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，其特征在于 所述平衡質(zhì)量系統(tǒng)運動糾偏與防漂裝置包括執(zhí)行器系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，其特征在于 所述執(zhí)行器系統(tǒng)包括兩組五桿才幾構(gòu)和四組旋轉(zhuǎn)電才幾。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，其特征在于 所述兩組五桿4幾構(gòu)分別包括兩個雙曲柄和兩個連桿，每個雙曲柄兩頭分別連接r 一組旋轉(zhuǎn)電機和一才艮連桿，所述兩組五桿機構(gòu)關(guān)于所述平4軒質(zhì)量對偶分布。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置，其特征在于 所述測量系統(tǒng)由四組旋轉(zhuǎn)編碼器通過機構(gòu)運動構(gòu)成。
6、 一種使用權(quán)利要求1所述的基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置的方法， 其特征在于所述方法可以是獨立運動模式，也可以是跟隨運動模式。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述獨立運動模式中，所述 平衡質(zhì)量根據(jù)自身獨立的運動軌跡實現(xiàn)平面正交方向及垂直軸向的自由度的單 軸運動。
8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述跟隨運動模式中，所述 平衡質(zhì)量根據(jù)上層主運動部件的運動軌跡實現(xiàn)平面正交方向、垂直軸向及平面 旋轉(zhuǎn)方向的自由度的多軸運動，包括以下步驟(1)對上層主運動部件的運動基于平衡質(zhì)量進行絕對測量；(2 )將主運動的設定值規(guī)劃輸出經(jīng)過乘反向質(zhì)量比增益作為所述平衡質(zhì)量平面正交方向的運動參考位置，將主運動設定值前饋引入到所述平衡質(zhì)量平面正交方向跟隨控制的前饋環(huán)路中；(3 )將所述平衡質(zhì)量垂直軸向的恒值定位的設定值位置作為所述平衡質(zhì)量 垂直軸向的運動參考位置，將所述平衡質(zhì)量垂直軸向的設定值加速度輸入作為 所述平衡質(zhì)量垂直軸向控制的前饋輸入；(4)將所述平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的恒值定位的設定值規(guī)劃作為所述平衡 質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的運動參考位置，將所述平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向的設定值加 速度輸入作為所述平衡質(zhì)量平面旋轉(zhuǎn)方向控制的前饋輸入；(5 )所述平衡質(zhì)量的執(zhí)行器通過增益平衡解偶實現(xiàn)所述平衡質(zhì)量在水平正 交方向、垂直軸向及平面》走轉(zhuǎn)方向上的運動。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述執(zhí)行器通過增益平衡解 偶實現(xiàn)平衡質(zhì)量在水平正交方向、垂直軸向及平面旋轉(zhuǎn)方向上的運動的方法包 括如下步驟(1) 將控制器輸出轉(zhuǎn)換為鉸支點的力輸出；(2) 根據(jù)五桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度將鉸支點輸出力轉(zhuǎn)換成曲柄端點的受力輸出；(3) 根據(jù)連桿轉(zhuǎn)角和傳感器接口測量到的四個旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角，將曲柄端 點的受力換算成電機的轉(zhuǎn)矩輸出；(4 )根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器位數(shù)限制對執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為數(shù)模輸出所需要的數(shù)字 量進行鉗位限制；(5 )對每個執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩進行數(shù)模輸出轉(zhuǎn)換為馬達電壓位輸出。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述方法中測量系統(tǒng)通過 五桿機構(gòu)對所述平衡質(zhì)量進行間接測量，包括如下步驟(1) 測量系統(tǒng)在初始化過程中讀入旋轉(zhuǎn)編碼器初始值以及轉(zhuǎn)換因子和偏移量；(2) 在運動控制過程中，測量接口讀入編碼器測量值，并根據(jù)初始測量位 置傳感器偏差及其轉(zhuǎn)換因子計算出旋轉(zhuǎn)電機物理軸轉(zhuǎn)動角度；(3) 將電機軸轉(zhuǎn)角換算成曲柄運動位置；(4) 將曲柄位置換算成鉸支點的運動位置；(5) 將兩個鉸支點的運動位置換算成平衡質(zhì)量的邏輯軸運動位移和偏轉(zhuǎn), 即平衡質(zhì)量相對于基礎框架坐標系的位移和轉(zhuǎn)角。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于五桿機構(gòu)的平衡質(zhì)量運動裝置及其控制方法，在工件臺雙層平衡質(zhì)量系統(tǒng)中，通過控制四個力矩電機來實現(xiàn)工件臺雙層平衡質(zhì)量系統(tǒng)的跟隨運動補償和獨立運動回零功能，采用對偶結(jié)構(gòu)設計方法來改進雙曲柄五連桿運動執(zhí)行裝置，實現(xiàn)機構(gòu)運動的完全解耦；根據(jù)結(jié)構(gòu)對偶設計方法制定相應的執(zhí)行器系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和系統(tǒng)整體控制，并通過優(yōu)化解耦算法來提高平衡質(zhì)量水平方向的運動控制精度，保證Rz向精度達到微弧度精度。
文檔編號G05B11/32GK101290478SQ200810037800
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者洋 呂, 吳立偉, 袁志揚, 鄒恒杉, 銳 陳 申請人:上海微電子裝備有限公司