專利名稱：一種多自由度運動和定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多自由度運動和定位裝置，它用于實現(xiàn)水平、高度的精確定位，并按預定軌跡運動，在檢修時實現(xiàn)平移、提升、旋轉(zhuǎn)分離多自由度運動。特別是在光刻設備制造中，用于支撐光刻機掩模臺并使掩模臺按預定軌跡運動。
背景技術(shù)：
目前使用的運動定位裝置多用在建筑、船舶等重型設備中或用于光學細微定位設備中。在重型設備中其結(jié)構(gòu)多是在油缸或者鏈條作用下沿固定軸平移、旋轉(zhuǎn)。如果用于實現(xiàn)集成電路制造設備光刻機的掩模臺運動、定位、提升支撐及旋轉(zhuǎn)分離，上述裝置表現(xiàn)出裝置結(jié)構(gòu)復雜，占用空間大，需要專用的系統(tǒng)控制運動，并需要外部動力源維持裝置位置，而且不能按預定軌跡運動，不易實現(xiàn)裝置的準確、快速運動，且裝置的水平和高度定位精確低，無法滿足掩模臺對裝置高度和水平可調(diào)定位的要求，以及無法滿足光刻設備掩模臺維修時為避免干涉而要求的提升旋轉(zhuǎn)的功能及運動的準確位置。
細微調(diào)節(jié)設備的結(jié)構(gòu)多是通過導桿平移以及千分螺母微量調(diào)節(jié)定位的。這種可調(diào)裝置功能單一，無法實現(xiàn)多自由度運動，支撐面積和承載能力小，且不具有緩沖功能，無法支撐光刻設備掩模臺400～500Kg的重量及長行程電機瞬時加速度產(chǎn)生的沖擊力，而且無法滿足光刻設備掩模臺提升旋轉(zhuǎn)功能及準確的運動位置要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述運動和定位裝置的不足，本發(fā)明的目的是提供了一種多自由度運動和定位裝置，解決上述運動和定位裝置的不足，其結(jié)構(gòu)緊湊，支承荷載大，可減輕沖擊，高度、水平可調(diào)節(jié)，具有多個自由度，并且能按預定軌跡準確運動，且運動平穩(wěn)，可靠性高，并能實現(xiàn)機構(gòu)的提升、旋轉(zhuǎn)及分離。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種多自由度運動和定位裝置，其特征在于它由調(diào)平軸、柔性塊、軌跡板和由立柱框架、提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)、導軌、導軌平臺、電機平臺、運動平臺共同構(gòu)成的支撐機構(gòu)所組成；其中，該調(diào)平軸旋合在立柱框架上，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)平軸來精確調(diào)整其支撐的調(diào)整平臺；該軌跡板固定在立柱框架上，而軌跡銷則固定在運動平臺上，該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)的主軸通過壓緊螺母固定在導軌平臺底部。
該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)由圓錐滾子軸承、蝸輪箱、蝸桿、蝸輪、螺紋軸、螺紋套、圓筒、鋼球、密植滾珠保持架、上主軸、導筒、壓緊螺母、圓柱銷和導向槽構(gòu)成，蝸輪箱上設有蝸桿，在與蝸桿軸線垂直方向上設有蝸輪組成蝸輪蝸桿傳動，與蝸輪通過鍵連接的螺紋軸，在蝸輪箱與螺紋軸之間安裝用于定位螺紋軸并承受軸向載荷的圓錐滾子軸承，與螺紋軸螺紋配合連接的螺紋套，與螺紋套公差配合并限制其圓周方向運動的圓柱銷，圓柱銷在圓筒上的導向槽中滑動，螺紋套上設有可產(chǎn)生與上主軸實現(xiàn)點(或線)接觸并自動分離的鋼球，上主軸與導筒之間設有讓上主軸運動自如的密植滾珠保持架，上主軸穿過調(diào)整平臺并使用壓緊螺母固定在導軌平臺上。
一支撐墊裝配在調(diào)平軸環(huán)形凹槽里，柔性塊安裝支撐在支撐墊上。
該柔性塊具有球面結(jié)構(gòu)朝上的冠狀結(jié)構(gòu)。
一拖桿與運動平臺固定，與線性推進間隙配合可以在其中平穩(wěn)自如滑動。
該調(diào)平軸具有內(nèi)通孔外螺紋結(jié)構(gòu)，外螺紋采用螺距小的細牙螺紋。
上述多自由度運動和定位裝置各部分的作用和工作原理是當在非工作狀態(tài)時，裝置處在靜止支撐狀態(tài)，由于三點構(gòu)成一個平面，故可通過三個調(diào)平軸及三個柔性塊來定位整個裝置的水平、高度。調(diào)平軸具有內(nèi)通孔外螺紋結(jié)構(gòu)，外螺紋采用螺距小的細牙螺紋易實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)定位，故通過調(diào)整三個調(diào)平軸可使裝置的水平和高度都易于精確定位，同時調(diào)平軸的中間通孔結(jié)構(gòu)可以使螺釘能穿過調(diào)平軸預緊，從而增加了連接的可靠性。調(diào)平軸具有環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)，易于調(diào)平軸調(diào)整時旋轉(zhuǎn)靈活，也易于支撐墊承載、限位。柔性塊具有冠狀結(jié)構(gòu)能有效利用自身彈性變形來抵消外部的瞬時沖擊力，同時柔性塊的球面結(jié)構(gòu)使其與調(diào)平軸始終保持球面接觸，保證支撐的接觸面積，從而可避免應力集中又簡化結(jié)構(gòu)。裝置支撐機構(gòu)由立柱框架、導軌、平臺、提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)等組成。立柱框架起主要支撐作用。導軌不僅起支撐作用也同時形成一個方向平移的自由度。拖桿一端被約束在支撐機構(gòu)中滑動平移，可以防止裝置平移提升時由于傾覆力矩導致裝置傾覆。
在工作狀態(tài)時裝置需實現(xiàn)提升旋轉(zhuǎn)功能。提升機構(gòu)主要由蝸桿、蝸輪、螺紋軸、蝸輪套及圓柱銷構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)主要由鋼球、上主軸、密植滾珠保持架及壓緊螺母構(gòu)成。采用傳動穩(wěn)定的蝸桿、蝸輪傳動使旋轉(zhuǎn)軸方向改變90°。為實現(xiàn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，在螺紋套與蝸輪上的螺紋軸之間采用螺紋連接，并用只能在圓筒的導向槽中滑動的圓柱銷限制其圓周方向運動。在螺紋套與上主軸之間用鋼球聯(lián)接，鋼球與上主軸之間為點(或線)接觸可實現(xiàn)上主軸自由旋轉(zhuǎn)，同時能實現(xiàn)非工作狀態(tài)與螺紋套自動分離便于機構(gòu)定位。在導筒與上主軸之間用密植滾珠保持架導向使上主軸運動靈活。
在本裝置運動軌跡的實現(xiàn)方法中，將運動軌跡直接體現(xiàn)在軌跡板上，然后通過軌跡銷與軌跡板的相對運動實現(xiàn)了裝置按預定軌跡運動。首先通過軌跡槽形式將預定運動軌跡直接反映在軌跡板上，再將軌跡板固定在立柱框架上處于靜止狀態(tài)，然后將軌跡銷聯(lián)結(jié)在運動平臺上固定，當運動平臺按預定軌跡運動時會帶動軌跡銷一起運動，并且由于軌跡銷約束在軌跡槽中相對滑動，故約束了運動平臺按預定軌跡運動。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，重復定位精度高，能按運動軌跡準確運動，裝置變形量小，運動平穩(wěn)，能滿足在常溫下光刻機設備的嚴格要求，同時光刻設備在工作狀態(tài)即檢修時實現(xiàn)提升旋轉(zhuǎn)，非工作狀態(tài)時實現(xiàn)機構(gòu)的自動脫離以便準確定位。


圖1是本發(fā)明多自由度運動和定位裝置的主視圖。
圖2是本發(fā)明多自由度運動和定位裝置的左視圖。
圖3是本發(fā)明中提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明中軌跡板和軌跡銷運動位置關(guān)系圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明多自由度運動和定位裝置作進一步的描述。
如圖1-4所示，該裝置由調(diào)平軸2、柔性塊5、軌跡板102和由立柱框架1、提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)3、導軌8、導軌平臺7、電機平臺9、運動平臺12共同構(gòu)成的支撐機構(gòu)所組成。其中，該調(diào)平軸2旋合在立柱框架1上，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)平軸2來精確調(diào)整其支撐的調(diào)整平臺6；該軌跡板102固定在立柱框架1上，而軌跡銷101則固定在運動平臺12上，該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)3的上主軸310通過壓緊螺母312固定在導軌平臺7底部。
如圖1，該調(diào)平軸2旋合在立柱框架1上，調(diào)平軸2與立柱框架1之間是螺紋聯(lián)接，該調(diào)平軸2具有內(nèi)通孔外螺紋結(jié)構(gòu)，外螺紋采用螺距小的細牙螺紋易實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)定位，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)平軸2來精確調(diào)整其支撐的調(diào)整平臺6的水平定位及高度定位并支撐調(diào)整平臺6，在調(diào)平軸2側(cè)面大圓柱面上有4個φ6的通孔可以便于旋轉(zhuǎn)調(diào)平軸2。支撐墊4裝配在調(diào)平軸2環(huán)形凹槽里，其環(huán)形結(jié)構(gòu)易于支撐和限位。柔性塊5安裝支撐在支撐墊4上，其球面結(jié)構(gòu)朝上使得調(diào)整平臺6在調(diào)整時始終保持球面接觸，其冠狀結(jié)構(gòu)使得支撐在其上的調(diào)整平臺6在受到外部沖擊力時能利用柔性塊5自身變形起緩沖作用。在非工作狀態(tài)即不運動時，圖中立柱框架1、調(diào)整平臺6、導軌8、導軌平臺7、電機平臺9共同構(gòu)成了支撐機構(gòu)，此時機構(gòu)被鎖緊不能運動。在工作狀態(tài)即運動時，則由提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)3、導軌8、導軌平臺7、電機平臺9共同構(gòu)成了支撐機構(gòu)，此時機構(gòu)可做多自由度運動。此支撐機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，承載力大，可以在一個方向上平移，易于實現(xiàn)裝置在工作和非工作狀態(tài)下的機構(gòu)分離，從而實現(xiàn)了在不同的狀態(tài)下使用不同的支撐機構(gòu)。
在圖2中，拖桿10與運動平臺12固定，與線性推進11間隙配合可以在其中平穩(wěn)自如滑動，當運動平臺12平移時帶動拖桿10在線性推進11中平移，由于運動平臺12向前平移產(chǎn)生了傾覆力矩，此時拖桿10的一端支撐在調(diào)整平臺6中，從而防止了裝置傾覆。
圖3是提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)3的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示蝸輪箱302上設有蝸桿303，在與蝸桿303軸線垂直方向上設有蝸輪304組成蝸輪蝸桿傳動，與蝸輪304通過鍵連接的螺紋軸305，在蝸輪箱302與螺紋軸305之間安裝用于定位螺紋軸305并承受軸向載荷的圓錐滾子軸承301，與螺紋軸305螺紋配合連接的螺紋套306，與螺紋套306公差配合并限制其圓周方向運動的圓柱銷314，圓柱銷314在圓筒307上的導向槽313中滑動，螺紋套306上設有可產(chǎn)生與上主軸310實現(xiàn)點(或線)接觸并自動分離的鋼球308，上主軸310與導筒311之間設有讓上主軸310運動自如的密植滾珠保持架309，上主軸310使用壓緊螺母312固定在導軌平臺7上。所述螺紋軸305與螺紋套306之間為螺紋配合連接，同時圓柱銷314限制螺紋套306圓周方向運動，因此當螺紋軸305作旋轉(zhuǎn)運動時，螺紋套306沿螺紋軸305的軸向作上下運動。鋼球308與上主軸310之間為點(或線)接觸，因此除可頂起上主軸310上述運動外，上主軸310還可以繞軸線自由旋轉(zhuǎn)，同時當螺紋套306下降一定高度后，上主軸310可快速與鋼球308脫離接觸便于調(diào)整平臺6調(diào)整。
該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)的動作過程是當光刻設備處于檢修工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)動手柄(附圖未顯示)帶動蝸桿303轉(zhuǎn)動，經(jīng)蝸桿蝸輪傳動使蝸輪304轉(zhuǎn)動，螺紋軸305與蝸輪304用鍵連接，故螺紋軸305轉(zhuǎn)動。螺紋套306與螺紋軸305之間是螺紋連接，同時圓柱銷314只能在導向槽313中滑動限制螺紋套306圓周方向的轉(zhuǎn)動，故螺紋套306只能上下運動，通過調(diào)整手柄(附圖未顯示)的旋轉(zhuǎn)方向可使螺紋套306作上升運動從而提升鋼球308及上主軸310，又上主軸310用壓緊螺母312固定在導軌平臺7上，故導軌平臺7作上升運動。由于上主軸310與鋼球308之間是點(或線)接觸，導軌平臺7上升到規(guī)定的高度后可作旋轉(zhuǎn)運動，旋出導軌平臺7。非工作狀態(tài)時，反方向轉(zhuǎn)動手柄(附圖未顯示)使導軌平臺7下降，由于導軌平臺7下降到一定位置后就支持在調(diào)整平臺6上不再下降，而安裝在導軌平臺7的上主軸310與鋼球308是點(或線)接觸，故可實現(xiàn)上主軸310與鋼球308自動脫離，從而便于三點調(diào)整。
在本裝置運動軌跡的實現(xiàn)方法中，如圖4所示通過軌跡銷101在軌跡板102上的軌跡槽中相對滑動，可以實現(xiàn)裝置按預定軌跡運動。軌跡板102上有反映運動路線軌跡(I→II→III→IV→V→VI)的軌跡槽。在本裝置中，軌跡銷101用螺釘安裝固定在可運動平臺12上，軌跡銷101頭部具有凸出光滑圓柱面結(jié)構(gòu)，可以被約束在軌跡槽中滑動。軌跡板102安裝固定在立柱框架1上，處于固定狀態(tài)。當運動平臺12運動時，帶動軌跡銷101一起運動，由于軌跡銷101被約束在軌跡槽中運動，故運動平臺12隨著軌跡銷101按預定軌跡運動。首先運動平臺12沿軌跡I→II被提升，接著沿II→III平移，再沿III→IV被提升，然后沿IV→V平移，最后沿V→VI被提升，從而不需外部控制信號即可完成裝置按預定軌跡運動，避免了在運動過程中與其它零部件發(fā)生干涉。
綜上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種多自由度運動和定位裝置，其特征在于它由調(diào)平軸(2)、柔性塊(5)、軌跡板(102)和由立柱框架(1)、提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)(3)、導軌(8)、導軌平臺(7)、電機平臺(9)、運動平臺(12)共同構(gòu)成的支撐機構(gòu)所組成；其中，該調(diào)平軸(2)旋合在立柱框架(1)上，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)平軸(2)來精確調(diào)整其支撐的調(diào)整平臺(6)；該軌跡板(102)固定在立柱框架(1)上，而軌跡銷(101)則固定在運動平臺(12)上，該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)(3)的上主軸(310)通過壓緊螺母(312)固定在導軌平臺(7)底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度運動和定位裝置，其特征在于該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)(3)由圓錐滾子軸承(301)、蝸輪箱(302)、蝸桿(303)、蝸輪(304)、螺紋軸(305)、螺紋套(306)、圓筒(307)、鋼球(308)、密植滾珠保持架(309)、上主軸(310)、導筒(311)、壓緊螺母(312)、圓柱銷(314)和導向槽(313)構(gòu)成，蝸輪箱(302)上設有蝸桿(303)，在與蝸桿(303)軸線垂直方向上設有蝸輪(304)組成蝸輪蝸桿傳動，與蝸輪(304)通過鍵連接的螺紋軸(305)，在蝸輪箱(302)與螺紋軸(305)之間安裝用于定位螺紋軸(305)并承受軸向載荷的圓錐滾子軸承(301)，與螺紋軸(305)螺紋配合連接的螺紋套(306)，與螺紋套(306)公差配合并限制其圓周方向運動的圓柱銷(314)，圓柱銷(314)在圓筒(307)上的導向槽(313)中滑動，螺紋套(306)上設有可產(chǎn)生與上主軸(310)實現(xiàn)點(或線)接觸并自動分離的鋼球(308)，上主軸(310)與導筒(311)之間設有讓上主軸(310)運動自如的密植滾珠保持架(309)，上主軸(310)穿過調(diào)整平臺(6)并使用壓緊螺母(312)固定在導軌平臺(7)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度運動和定位裝置，其特征在于一支撐墊(4)裝配在調(diào)平軸(2)環(huán)形凹槽里，柔性塊(5)安裝支撐在支撐墊(4)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多自由度運動和定位裝置，其特征在于該柔性塊(5)具有球面結(jié)構(gòu)朝上的冠狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度運動和定位裝置，其特征在于一拖桿(10)與運動平臺(12)固定，與線性推進(11)間隙配合可以在其中平穩(wěn)自如滑動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的多自由度運動和定位裝置，其特征在于該調(diào)平軸(2)具有內(nèi)通孔外螺紋結(jié)構(gòu)，外螺紋采用螺距小的細牙螺紋。
全文摘要
一種多自由度運動和定位裝置，它由調(diào)平軸、柔性塊、軌跡板和由立柱框架、提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)、導軌、導軌平臺、電機平臺、運動平臺共同構(gòu)成的支撐機構(gòu)所組成；該調(diào)平軸旋合在立柱框架上，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)平軸來精確調(diào)整其支撐的調(diào)整平臺；該軌跡板固定在立柱框架上，而軌跡銷則固定在運動平臺上，該提升旋轉(zhuǎn)分離機構(gòu)的上主軸通過壓緊螺母固定在導軌平臺底部。其結(jié)構(gòu)緊湊，支承荷載大，可減輕沖擊，高度、水平可調(diào)節(jié)，具有多個自由度，并且能按預定軌跡準確運動，且運動平穩(wěn)，可靠性高，并能實現(xiàn)機構(gòu)的提升、旋轉(zhuǎn)及分離。特別是在光刻設備制造中，用于支撐光刻機掩模臺并使掩模臺按預定軌跡運動。
文檔編號G03F7/20GK1658074SQ20051002417
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者劉育, 郭麒, 朱岳彬 申請人:上海微電子裝備有限公司