專利名稱：一種運(yùn)動解耦的xy向精密定位平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于二自由度并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)的XY向平面運(yùn)動定位平臺，采用音圈 直線電機(jī)直接驅(qū)動，適合于芯片封裝、激光加工及光電檢測等精密定位工程領(lǐng)域所需的 高速、高加速和高精度定位的要求，屬于傳動機(jī)構(gòu)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
目前，在芯片封裝、激光加工及光電檢測等工業(yè)領(lǐng)域，隨著對產(chǎn)品的使用性能、質(zhì) 量及制造周期等方面要求的提高，直接與生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的高速度、高加速 度和高精度的運(yùn)動控制系統(tǒng)的重要性也日益突出，這迫切需要能夠在微米級、亞微米級， 甚至在納米級精度上進(jìn)行定位及操作的系統(tǒng)和裝備。這類系統(tǒng)和裝備的顯著特點(diǎn)是，其 運(yùn)動定位機(jī)構(gòu)除了要求具有高速度、高加速度及高精度的定位性能之外，同時(shí)還要求其 工作范圍大、運(yùn)動部件質(zhì)量輕、高可靠性及低功耗等。比如在微電子制造的芯片封裝中， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，IC封裝的主流方向是輕、薄、短、小、高密度及細(xì)間距等，這對 芯片封裝裝備的定位精度、速度和加速度提出了更高的要求。但是,設(shè)備定位精度與速 度的提高是相互矛盾的。運(yùn)動速度、加速度的提高,使得定位機(jī)構(gòu)的慣性力增大，慣性力 變化的頻率也隨之加大，系統(tǒng)易于產(chǎn)生彈性變形和振動現(xiàn)象，既破壞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度，又 影響構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，并加劇運(yùn)動副間的磨損。因此，機(jī)構(gòu)形式和驅(qū)動方式是影響定位 機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能的重要因素。
當(dāng)前廣泛應(yīng)用的XY向兩坐標(biāo)平面運(yùn)動平臺采用的是滾珠絲杠等作為相對運(yùn)動部分 的串聯(lián)方式，即電機(jī)-絲杠-螺母機(jī)構(gòu)形式，在傳統(tǒng)的滾珠絲杠驅(qū)動方式下，伺服電機(jī)的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲杠轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動，由于存在中間傳動環(huán)節(jié)，使得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副間存在著 運(yùn)動間隙，運(yùn)動部件的慣量大，由此限制了設(shè)備的定位精度、速度和加速度的進(jìn)一步提 高。因此，開發(fā)基于新的驅(qū)動方式和機(jī)構(gòu)形式(如低摩擦機(jī)構(gòu)、運(yùn)動解耦機(jī)構(gòu))的高速 精密定位系統(tǒng)己成為芯片封裝、激光加工及光電檢測等精密工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)XY向定位平臺中滾珠絲杠(齒輪、齒條)傳動中的反向 間隙、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn)，而提供了一種基于二自由度并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)，并采用快 速、精密的音圈直線電機(jī)直接驅(qū)動的運(yùn)動解耦的XY向精密定位平臺。該定位平臺具有結(jié) 構(gòu)緊湊、低阻尼及運(yùn)動解耦等特點(diǎn)，本發(fā)明適合于芯片封裝、激光加工及光電檢測等精密定位工程領(lǐng)域所需的高速、高加速和高精度定位的XY運(yùn)動定位平臺。 本發(fā)明采用如下解釋方案
一種運(yùn)動解耦的XY向精密定位平臺的運(yùn)動原理基于一種二自由度并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu) (2-PP構(gòu)型)。
本發(fā)明的一種運(yùn)動解耦的XY向精密定位平臺由基座、第一音圈直線電機(jī)、第二音 圈直線電機(jī)、第一連接法蘭、第二連接法蘭、第一直線軸承組件、第二直線軸承組件、 工作平臺和支撐平臺組件組成，第一、第二音圈直線電機(jī)以正交的方式分別通過第一連 接法蘭、第一直線軸承組件和第二連接法蘭、第二直線軸承組件與工作平臺連接，所述 的第一音圈直線電機(jī)與第一連接法蘭連接，第一連接法蘭與第一直線軸承組件中的第一 軸承體連接，第一直線軸承組件中的第一軸承座與工作平臺連接，第二音圈直線電機(jī)與 第二連接法蘭連接，第二連接法蘭與第二直線軸承組件中的第二軸承體連接，第二直線 軸承組件中的第二軸承座與工作平臺連接，工作平臺由支撐平臺組件支撐，支撐平臺組 件和第一、第二音圈直線電機(jī)均固定在基座上。
支撐平臺組件由支撐板、連接螺柱、導(dǎo)向板、渦流傳感器、空氣軸承和氣缸組成， 空氣軸承和氣缸固定在支撐板上，渦流傳感器安裝在導(dǎo)向板上，支撐板和導(dǎo)向板通過所 述的連接螺柱相連，在導(dǎo)向板上設(shè)有導(dǎo)向窗口，導(dǎo)向窗口位于空氣軸承的上方，在導(dǎo)向 板上設(shè)有供氣缸活塞桿進(jìn)出的導(dǎo)向孔。
直線軸承組件由軸承座、導(dǎo)桿和軸承體組成，軸承座固定安裝在工作臺上，軸承體 與連接法蘭相連。
本發(fā)明的XY向精密定位平臺在驅(qū)動方式上直接采用高速、高精度的音圈直線電機(jī) 驅(qū)動，兩個(gè)音圈直線電機(jī)以正交的方式，采用螺栓分別固定安裝在基座上，音圈直線電 機(jī)的輸出軸與連接法蘭以鍵的傳遞方式相連，通過對兩個(gè)音圈直線電機(jī)的控制來驅(qū)動定 位平臺，音圈直線電機(jī)的驅(qū)動方式可以根據(jù)定位的需要，進(jìn)行單電機(jī)的運(yùn)動或雙電機(jī)的 聯(lián)動，進(jìn)而驅(qū)動工作平臺沿XY向做平面運(yùn)動。音圈直線電機(jī)驅(qū)動的直線運(yùn)動簡化了傳 動定位的中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了 "零傳動"，具有較高的精度和動態(tài)性能，在定位平臺實(shí)際 的應(yīng)用中，可根據(jù)需要選取不同規(guī)格要求的音圈直線電機(jī)(如根據(jù)定位精度等級、推力、 行程等)。另外，在支撐平臺組件的中間部件是一個(gè)真空載荷空氣軸承，為防止音圈直 線電機(jī)輸出軸的徑向微小變形，工作平臺靜止時(shí)，由安裝在支撐板上的氣缸進(jìn)行支撐； 工作平臺運(yùn)動時(shí)，為減小工作臺的運(yùn)動摩擦，氣缸排氣卸壓，工作臺采用空氣軸承支撐， 空氣軸承支撐面與工作臺底面間的空氣間隙由安裝在導(dǎo)向板上的渦流傳感器檢測，進(jìn)行氣壓的反饋控制。
本發(fā)明的XY向精密定位平臺在機(jī)構(gòu)構(gòu)型方式上依據(jù)的是一種二自由度并聯(lián)解耦機(jī)
構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、位置精度高、響應(yīng)快等許多串聯(lián)機(jī)構(gòu)所沒有的 優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊。 一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)各支鏈間存在耦合的現(xiàn)象，這使得機(jī)構(gòu)的 控制復(fù)雜，而本發(fā)明的精密定位平臺基于一種并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)，定位平臺的各支鏈運(yùn)動解 耦、控制方式簡單、工作空間連續(xù)。
本發(fā)明的XY向精密定位平臺的所有部件均通過螺栓固定安裝在基座上，平臺可單獨(dú) 整體使用，也可改裝在專用設(shè)備上使用。整個(gè)定位平臺構(gòu)件間連接可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、傳 動關(guān)系簡單、拆卸方便。適合用于芯片封裝、激光加工及光電檢測等精密定位工程領(lǐng)域 所需的高速、高加速和高精度定位的XY運(yùn)動平臺。
本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下
機(jī)構(gòu)形式和驅(qū)動方式是影響定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能的重要因素，目前，XY向兩坐標(biāo)平面 運(yùn)動平臺廣泛應(yīng)用在芯片封裝的關(guān)鍵設(shè)備(鍵合機(jī)、裝片機(jī)等)中，除了傳統(tǒng)的以電機(jī) -滾珠絲杠-螺母組成串聯(lián)機(jī)構(gòu)的方式以外，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)方式為主，采用直線電機(jī)驅(qū)動的 XY向氣浮定位平臺的研究已有一些成果，但多數(shù)的定位平臺機(jī)構(gòu)仍存在一些不足，比如 運(yùn)動氣浮部件加工工藝復(fù)雜、成本高、運(yùn)動部件慣量大等。本發(fā)明在機(jī)構(gòu)形式和驅(qū)動方 式及平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，在機(jī)構(gòu)形式上基于的是一種完全解耦的二自由度 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)XY向支鏈的完全解耦控制，使得電機(jī)的控制方式簡單；采用了音圈 直線電機(jī)直接驅(qū)動的方式，使得平臺結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間的"零間隙"，另外， 在平臺運(yùn)動時(shí)，以空氣軸承作為定位平臺的Z向支撐，實(shí)現(xiàn)了工作平臺與支撐平臺間的 低阻尼運(yùn)動。本發(fā)明除了具有結(jié)構(gòu)緊湊、低阻尼及運(yùn)動解耦等特點(diǎn)外，在平臺的制造成 本上也可以得到一些控制，其關(guān)鍵部件如空氣軸承、直線空氣軸承組件可選購知名企業(yè) 的成型產(chǎn)品，也可委托加工，可避免自行加工造成工件成本提高、累計(jì)誤差增大等不足。
四

圖1是XY向精密定位平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)型原理圖。
圖2是XY向精密定位平臺的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖3是直線軸承組件的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖4是連接法蘭的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖5和圖6是支撐平臺組件的立體結(jié)構(gòu)圖。
五具體實(shí)施例方式
5本發(fā)明涉及一種基于二自由度并聯(lián)解耦機(jī)構(gòu)的XY向平面運(yùn)動定位平臺，該平臺由 基座、第一音圈直線電機(jī)、第二音圈直線電機(jī)、第一連接法蘭、第二連接法蘭、第一直 線軸承組件、第二直線軸承組件、工作平臺和支撐平臺組件組成。
下面參照說明書附圖，并在兼顧考慮平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造工藝等因素的基礎(chǔ)上，對 本發(fā)明做出更為詳細(xì)的描述
圖1是本發(fā)明XY向精密定位平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)型原理圖，并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為多支鏈傳動機(jī) 構(gòu)，由定平臺、動平臺和多個(gè)(兩個(gè)及以上)支鏈組成，在一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，各支鏈 間存在著耦合約束，不利于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制和標(biāo)定，而完全解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)則可以使得 各支鏈完全解耦，并可簡化機(jī)構(gòu)的控制和標(biāo)定，提高運(yùn)動精度。本發(fā)明基于的是一種完 全解耦二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)支鏈間的兩個(gè)移動輸入相互垂直，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺與 支鏈的一個(gè)移動副(軸承體D13/D23)相連，支鏈的另一移動副和移動輸入(直線電機(jī)) 相連。具體運(yùn)行時(shí)，X或Y向的直線電機(jī)軸的輸出力通過連接法蘭傳遞給軸承體D13/D23， 再傳遞給工作臺，在正交垂直力的作用下，工作臺即可沿固連的直線軸承組件的導(dǎo)桿 D12/D22在XY向做快速直線運(yùn)動，若同時(shí)驅(qū)動電機(jī)，工作平臺即可做平面復(fù)合運(yùn)動。
圖2是本發(fā)明XY向精密定位平臺的立體結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明由基座、第一音圈直線電 機(jī)、第二音圈直線電機(jī)、第一連接法蘭、第二連接法蘭、第一直線軸承組件、第二直線 軸承組件、工作平臺和支撐平臺組件組成，第一、第二音圈直線電機(jī)以正交的方式分別 通過第一連接法蘭、第一直線軸承組件和第二連接法蘭、第二直線軸承組件與工作平臺 連接，所述的第一音圈直線電機(jī)與第一連接法蘭連接，第一連接法蘭與第一直線軸承組 件中的第一軸承體連接，第一直線軸承組件中的第一軸承座與工作平臺連接，第二音圈 直線電機(jī)與第二連接法蘭連接，第二連接法蘭與第二直線軸承組件中的第二軸承體連 接，第二直線軸承組件中的第二軸承座與工作平臺連接，工作平臺由支撐平臺組件支撐， 支撐平臺組件和第一、第二音圈直線電機(jī)均固定在基座上。
圖3是本發(fā)明XY向精密定位平臺中的直線軸承組件D的立體結(jié)構(gòu)圖，直線軸承組 件Dl/D2由軸承座Dll/D21、導(dǎo)桿D12/D22和軸承體D13/D23組成，軸承座D11/D21固 定安裝在工作臺E上，軸承體D13/D23套裝在導(dǎo)桿D12/D22上，軸承體D13/D23與連接 法蘭C1/C2相連。
圖4是連接法蘭的立體結(jié)構(gòu)圖，連接法蘭Cl/C2的一端通過緊固螺釘與軸承體 D13/D23相連，另一端與音圈直線電機(jī)Bl/B2的輸出軸相連，具體運(yùn)行時(shí)，連接法蘭Cl/C2 承擔(dān)電機(jī)輸出軸與工作臺E間力的轉(zhuǎn)換。圖5和圖6是支撐平臺組件F的立體結(jié)構(gòu)圖，圖5是支撐平臺組件F的結(jié)構(gòu)裝配圖， 圖6是支撐平臺組件F的立體爆炸視圖。支撐平臺組件F由支撐板Fl、連接螺柱F2、 導(dǎo)向板F3、渦流傳感器F4、空氣軸承F5和氣缸F6組成，支撐板Fl通過螺栓與基座A 相連接，空氣軸承F5和氣缸F6通過螺栓固定在支撐板Fl上，渦流傳感器F4固定在導(dǎo) 向板F3上，支撐板Fl和導(dǎo)向板F3通過四個(gè)連接螺柱F2相連。支撐平臺組件F裝配時(shí)， 首先預(yù)估算出工作平臺E的荷重，選擇相應(yīng)的空氣軸承F5，并根據(jù)空氣軸承F5的特性 參數(shù)(剛度、承載、尺寸等)，計(jì)算出空氣軸承F5的承載間隙值，然后，調(diào)定四個(gè)緊湊 型氣缸F6的活塞桿的外伸長度，進(jìn)行工作平臺E的初始定位。
定位平臺E啟動時(shí)，先由控制系統(tǒng)發(fā)指令，氣源驅(qū)動空氣軸承F5，同時(shí)發(fā)電信號到 渦流傳感器F4，進(jìn)行氣隙檢測，待氣隙檢測值與設(shè)定值相等時(shí)，氣源驅(qū)動氣缸F6排氣 卸壓，活塞桿縮回，控制系統(tǒng)驅(qū)動音圈直線電機(jī)動作，進(jìn)而驅(qū)動工作平臺E沿XY向做 平面運(yùn)動。
定位平臺E停止時(shí)，先由控制系統(tǒng)發(fā)指令，氣源驅(qū)動氣缸F6充氣增壓，活塞桿伸 出，停滯設(shè)定時(shí)間(如2秒)后，氣源驅(qū)動空氣軸承F5卸壓，渦流傳感器F4停止氣隙 檢測。
本發(fā)明XY向精密定位平臺所涉及的一些部件如空氣軸承F5、直線軸承部件D均可 選用知名廠家成型產(chǎn)品，或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)需要由生產(chǎn)廠家進(jìn)行配做，以減少零件 加工的累積誤差。
本發(fā)明XY向精密定位平臺需購買一定量的標(biāo)準(zhǔn)件如螺栓、螺釘?shù)?，另外，還需購 置一定壓力的氣源設(shè)備(氣泵)和氣閥(換向閥、節(jié)流閥等)。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動解耦的XY向精密定位平臺，其特征在于平臺由基座(A)、第一音圈直線電機(jī)(B1)、第二音圈直線電機(jī)(B2)、第一連接法蘭(C1)、第二連接法蘭(C2)、第一直線軸承組件(D1)、第二直線軸承組件(D2)、工作平臺(E)和支撐平臺組件(F)組成，第一、第二音圈直線電機(jī)(B1、B2)以正交的方式分別通過第一連接法蘭(C1)、第一直線軸承組件(D1)和第二連接法蘭(C2)、第二直線軸承組件(D2)與工作平臺(E)連接，所述的第一音圈直線電機(jī)(B1)與第一連接法蘭(C1)連接，第一連接法蘭(C1)與第一直線軸承組件(D1)中的第一軸承體(D12)連接，第一直線軸承組件(D1)中的第一軸承座(D11)與工作平臺(E)連接，第二音圈直線電機(jī)(B2)與第二連接法蘭(C2)連接，第二連接法蘭(C2)與第二直線軸承組件(D2)中的第二軸承體(D22)連接，第二直線軸承組件(D2)中的第二軸承座(D21)與工作平臺(E)連接，工作平臺(E)由支撐平臺組件(F)支撐，支撐平臺組件(F)和第一、第二音圈直線電機(jī)(B1、B2)均固定在基座(A)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動解耦的XY向精密定位平臺，其特征在于支撐平臺組件(F) 由支撐板(Fl)、連接螺柱(F2)、導(dǎo)向板(F3)、渦流傳感器(F4)、空氣軸承(F5) 和氣缸(F6)組成，空氣軸承(F5)和氣缸(F6)固定在支撐板(Fl)上，渦流傳 感器(F4)安裝在導(dǎo)向板(F3)上，支撐板(Fl)和導(dǎo)向板(F3)通過所述的連接 螺柱(F2)相連，在導(dǎo)向板(F3)上設(shè)有導(dǎo)向窗口，導(dǎo)向窗口位于空氣軸承(F5) 的上方，在導(dǎo)向板(F3)上設(shè)有供氣缸(F6)活塞桿進(jìn)出的導(dǎo)向孔。
全文摘要
一種運(yùn)動解耦的XY向精密定位平臺，平臺由基座、第一、第二音圈直線電機(jī)、第一、第二連接法蘭、第一、第二直線軸承組件、工作平臺和支撐平臺組件組成，第一、第二音圈直線電機(jī)以正交方式分別通過第一連接法蘭、第一直線軸承組件和第二連接法蘭、第二直線軸承組件與工作平臺連接，第一音圈直線電機(jī)與第一連接法蘭連接，第一連接法蘭與第一直線軸承組件的第一軸承體連接，第一直線軸承組件的第一軸承座與工作平臺連接，第二音圈直線電機(jī)與第二連接法蘭連接，第二連接法蘭與第二直線軸承組件的第二軸承體連接，第二直線軸承組件的第二軸承座與工作平臺連接，工作平臺由支撐平臺組件支撐，支撐平臺組件和第一、第二音圈直線電機(jī)在基座上。
文檔編號H01L21/68GK101556933SQ20091002799
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者史金飛, 張志勝, 俊 柳, 鄭建勇, 芳 陳 申請人:東南大學(xué)