气浮XY两坐标平面运动平台 【技术领域】
本发明涉及一种气浮XY两坐标平面运动平台，可用于微电子制造中IC芯片封装的精确定位，属于传动机构领域。
背景技术
在工业控制中，高速高精度运动控制作为制造及装配等领域的通用技术，一直以来都是工业界和学术界的重要研究内容，尤其在芯片(IC)封装的微电子制造领域中。当前的封装设备的典型运动平台的技术水平为：运动加速度为6～10g，定位精度5～10μm，频带宽度为200～300Hz。随着科技的发展，芯片封装尺寸不断的减小，I/O密度的增加、封装工艺材料的改进，对芯片封装装备定位精度、速度和加速度提出了更高的要求。下一代封装设备随着IC集成度日益提高，功能日益增多，I/O密度的增加，必将导致引脚间距的减小。高速度、高加速度运动是生产效率提高的基础，而高精度运动是芯片生产质量的保证。为了满足这一要求，芯片后封装设备的加速度要达到12～15g，定位精度要达到1～5μm，带宽要提高到300～400Hz。当前的XY两坐标平面运动平台都采用滚珠等作为相对运动部分的连接方式，由于摩擦产生热量使运动平台发热变形从而影响定位精度，高加速运动过程中产生很大的摩擦阻力也很难使加速度进一步提高。因此必须设计新型的XY两坐标平面运动平台来满足工业生产的要求。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种气浮XY两坐标平面运动平台，其相对运动部分用一定刚度的气膜隔开，系统无摩擦，以显著提高定位精度、速度和加速度，满足工业生产地要求。
为实现这样的目的，本发明的气浮XY两坐标平面运动平台主要由两个垂直放置的直线电机、三个可作相对运动的平台、两组限位光耦和原点光耦、两组光栅尺组成，下平台与中间平台之间沿X方向相对运动，工作平台与中间平台之间沿Y方向相对运动；下平台与中间平台、中间平台与工作平台、工作平台与推动其运动的Y方向驱动连杆之间用气浮导轨连接起来；工作平台、中间平台、下平台叠放并通过下平台固连到基座上；X方向直线电机驱动X方向驱动连杆进而推动中间平台沿X方向运动，Y方向直线电机驱动Y方向驱动连杆进而推动工作平台沿Y方向运动。
本发明的气浮XY两坐标平面运动平台具体结构为：主要由基座，下平台，中间平台，工作平台，第一组气浮导轨、第二组气浮导轨，X方向直线电机，Y方向直线电机，X方向光栅尺，Y方向光栅尺，X方向限位光耦，Y方向限位光耦，X方向原点光耦，Y方向原点光耦组成。下平台、中间平台及工作平台叠放。下平台通过螺栓与基座相连接，第一组气浮导轨通过螺栓分别与下平台和中间平台相连接，第二组气浮导轨通过螺栓分别与工作平台和中间平台相连接。X方向直线电机动子通过螺栓与X方向驱动连杆相连接，X方向驱动连杆通过螺栓与中间平台相连接；Y方向直线电机动子通过螺栓与Y方向驱动连杆相连接，Y方向驱动连杆通过螺栓与Y方向驱动连接气浮导轨相连接，Y方向驱动连接气浮导通过螺栓与工作平台相连接。X方向直线电机和Y方向直线电机的定子通过螺栓固定到基座上，X方向光栅尺、X方向限位光耦和X方向原点光耦通过固定螺栓固定到下平台上，Y方向光栅尺、Y方向限位光耦和Y方向原点光耦通过固定螺栓固定到中间平台上。
工作时，由于X方向直线电机的动子与X方向驱动连杆通过螺栓相连接，X方向驱动连杆通过螺栓与中间平台相连接，因此可通过X方向直线电机动子驱动X方向驱动连杆进而推动中间平台沿X方向运动。同理Y方向直线电机动子通过螺栓与Y方向驱动连杆相连接，Y方向驱动连杆通过螺栓与Y方向驱动连接气浮导轨相连接，Y方向驱动连接气浮导通过螺栓与工作平台相连接，因此，可通过Y方向直线电机动子驱动Y方向驱动连杆进而推动工作平台沿Y方向运动。由于Y方向驱动连杆与工作平台通过Y方向驱动连接气浮导轨相连接，所以当X方向直线电机动子和Y方向直线电机动子同时工作时，可使工作平台同时沿X方向和Y方向运动。首先气浮导轨的进气孔与一定压力的气源相连接，使气浮导轨相对运动部件被一定刚度的气膜隔开。然后，X方向的原点光耦检测中间平台相对于下平台的位移是否为零，如果不为零，根据X方向光栅尺的读数与中间平台相对于下平台的位移为零时光栅尺的读数相比较，确定中间平台相对于下平台的位移大小和方向，控制X方向直线电机动子沿X方向运动的方向和距离，使中间平台相对于下平台的位移为零；Y方向的原点光耦检测工作平台相对于中间平台的位移是否为零，如果不为零，根据Y方向光栅尺的读数与工作平台相对于中间平台的位移为零时光栅尺的读数相比较，确定工作平台相对于中间平台的位移大小和方向，控制Y方向直线电机动子沿Y方向运动的方向和距离，使工作平台相对于中间平台的位移为零。最后，根据工作平台将要达到的目标点，确定中间平台相对下平台和工作平台相对于中间平台的目标位移，从而确定X方向直线电机动子和Y方向直线电机动子所需运动的方向和距离，控制X方向直线电机动子和Y方向直线电机动子分别推动中间平台和工作平台运动，由X方向光栅尺和Y方向光栅尺反馈中间平台相对于下平台和工作平台相对于中间平台的位移，直到到达指定的目标点。X方向限位光耦用于限定中间平台相对于下平台沿X方向的运动范围，Y方向限位光耦用于限定工作平台相对于中间平台沿Y方向的运动范围。
本发明通过气浮导轨将叠放的工作平台、中间平台和下平台相连接，采用两个直线电机分别驱动X方向驱动连杆和Y方向驱动连杆从而推动中间平台和工作平台沿X方向、Y方向运动。与普通的XY两坐标平面运动平台相比，系统的电机定子都固定在机座上，从而可以显著减少系统的运动惯量。做相对运动的工作平台与中间平台之间，中间平台与下平台之间以及工作平台与驱动其沿Y方向运动的Y方向驱动连杆之间用气浮导轨相连，因此整个结构刚性大；无摩擦、无磨损，清洁，无需保养；运动过程无摩擦产生的热量和摩擦功率损耗，定位精度高。
本发明作为高速、高加速度、高精度定位的XY两坐标平面运动平台，特别适合用于绑定机，光刻机及精密测量中的扫描装置。
【附图说明】
图1是本发明气浮XY两坐标平面运动平台结构原理主视图。
图1中，基座1，下平台2，第一组气浮导轨3，中间平台4，第二组气浮导轨5，Y方向光栅尺6，工作平台7，Y方向驱动连接气浮导轨8，Y方向驱动连杆9，Y方向直线电机动子10，Y方向直线电机定子11，Y方向直线电机固定螺栓12，X方向直线电机定子13，X方向光栅尺14，X方向直线电机固定螺栓15，下平台固定螺栓16。
图2是本发明气浮XY两坐标平面运动平台结构原理俯视图。
图2中，基座1，下平台2，工作平台7，Y方向驱动连接气浮导轨8，Y方向驱动连杆9，Y方向直线电机动子10，Y方向直线电机定子11，Y方向直线电机固定螺栓12，X方向直线电机定子13，X方向驱动连杆17，X方向直线电机动子18。
图3是下平台2，第一组气浮导轨3，X方向光栅尺14，X方向限位光耦21和原点光耦23装配图。
图3中，下平台2，第一组气浮导轨3，X方向光栅尺14，X方向光栅尺固定螺栓19，X方向限位光耦固定螺栓20，X方向限位光耦21，X方向原点光耦固定螺栓22，X方向原点光耦23。
图4是中间平台4，第二组气浮导轨5，Y方向光栅尺6，Y方向限位光耦25和原点光耦27装配图。
图4中，中间平台4，第二组气浮导轨5，Y方向光栅尺6，Y方向光栅尺固定螺栓24，Y方向限位光耦25，Y方向限位光耦固定螺栓26，Y方向原点光耦27，Y方向原点光耦固定螺栓28。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1是本发明气浮XY两坐标平面运动平台结构原理主视图。
图1中，下平台2通过下平台固定螺栓16固定到基座1上。第一组气浮导轨3通过螺栓分别与下平台2和中间平台4相连接，第二组气浮导轨5通过螺栓分别与中间平台4和工作平台7相连接。Y方向直线电机动子10通过螺栓与Y方向驱动连杆9相连接，Y方向直线电机定子11通过Y方向直线电机固定螺栓12固定到基座1上，X方向直线电机定子13通过X方向直线电机固定螺15固定到基座1上。X方向光栅尺14测量中间平台4相对于下平台2的位移；Y方向光栅尺6测量工作平台7相对于中间平台4的位移。
图2是本发明气浮XY两坐标平面运动平台结构原理俯视图。
图2中，Y方向驱动连接气浮导轨8通过螺栓分别与工作平台7和Y方向驱动连杆9相连接，X方向驱动连杆17通过螺栓与中间平台4相连接，X方向直线驱动电机动子18通过螺栓与X方向驱动连杆17相连接。Y方向直线电机定子11通过Y方向直线电机固定螺栓12固定到基座1上。
图3是下平台2，第一组气浮导轨3，X方向光栅尺14，X方向限位光耦21和原点光耦23装配图。
图3中，第一组气浮导轨3通过螺栓与下平台2相连接，X方向光栅尺14、X方向限位光耦21和原点光耦23分别通过其固定螺栓19、20和22固定到下平台2上，
图4是中间平台4，第二组气浮导轨5，Y方向光栅尺6，Y方向限位光耦25和原点光耦27装配图。
图4中，第二组气浮导轨5通过螺栓与中间平台4相连接，Y方向光栅尺6，Y方向限位光耦25和Y方向原点光耦27分别通过其固定螺栓24、26和28固定到中间平台4上。
工作时，X方向直线电机动子18通过螺栓与X方向驱动连杆17相连，X方向驱动连杆17通过螺栓与中间平台4相连接，因此可通过X方向直线电机动子18驱动X方向驱动连杆17进而推动中间平台4沿X方向运动。同理，Y方向直线电机动子10通过螺栓与Y方向驱动连杆9相连接，Y方向驱动连接气浮导轨8通过螺栓分别与Y方向驱动连杆9和工作平台7相连接，因此可通过Y方向直线电机动子10驱动Y方向驱动连杆9进而推动工作平台7沿Y方向运动。Y方向驱动连杆9与工作平台7通过Y方向驱动连接导轨8相连接，可使工作平台同时沿X方向和Y方向运动。首先，气浮导轨的进气孔与一定压力的气源相连接，使气浮导轨相对运动部件被一定刚度的气膜隔开。X方向的原点光耦22检测中间平台4相对于下平台2的位移是否为零，如果不为零，根据X方向光栅尺14的读数与中间平台4相对于与下平台2的位移为零时光栅尺14的读数相比较，确定中间平台4相对于下平台2的位移大小和方向，通过控制X方向直线电机动子10的运动方向和距离，使中间平台4相对于下平台2的位移为零；Y方向的原点光耦28检测工作平台7相对于中间平台4的位移是否为零，如果不为零，根据Y方向光栅尺6的读数与工作平台7相对于中间平台4的位移为零时光栅尺6的读数相比较，确定工作平台7相对于中间平台4的位移大小和方向，通过控制Y方向直线电机动子18的运动方向和距离，使工作平台7相对于中间平台4的位移为零。然后根据工作平台7将要达到的目标点，确定中间平台4相对下平台2和工作平台7相对于中间平台4的目标位移，确定X方向直线电机动子18和Y方向直线电机动子10所需的位移，从而确定X方向直线电机动子18和Y方向直线电机动子10所需运动的方向和距离，由X方向光栅尺14和Y方向光栅尺6反馈中间平台4相对于下平台2和工作平台7相对于中间平台4的位移，直到到达指定的目标点，X方向限位光耦21用于限定中间平台4相对于下平台2的位移空间，Y方向限位光耦用于限定工作平台7相对于中间平台4的位移区间。