本發(fā)明具體涉及一種運動體的測量和初始化裝置。

背景技術：

隨著光刻機技術的發(fā)展，對工件臺系統(tǒng)的精度、速度、加速度和可靠性要求越來越高。工件臺為了實現(xiàn)曝光臺的高精度定位，提高曝光質量，需要測量系統(tǒng)提供準確的測量結果和隔離外界對曝光臺的振動干擾，但是由于工件臺長行程運動速度、加速度越高，對底部框架的反作用力就越大，過大的反作用力會反饋給測量系統(tǒng)，影響測量精度。因此現(xiàn)有的工件臺技術都是通過安裝平衡質量模塊來減少或消除工件臺長行程運動過程中對測量系統(tǒng)的影響。

如圖1所示，為現(xiàn)有一種氣浮式工件臺系統(tǒng)的結構示意圖，包括固定設置的底部框架101，與底部框架101連接的平衡質量模塊102，設于平衡質量模塊102上的Y向氣浮導軌103，以及設于Y向氣浮導軌103上的曝光臺104。其中平衡質量模塊102在氣浮墊的支撐下實現(xiàn)平面內X、Y及Rz三自由度運動，曝光臺104依靠所述Y向氣浮導軌103和自身的X向直線電機來實現(xiàn)長行程運動。根據(jù)動量守恒，平衡質量模塊102能吸收曝光臺104的反作用力以減少曝光臺104運動對測量系統(tǒng)的影響，同時通過設置氣浮墊隔離了外界振動對曝光臺104的干擾。

然而平衡質量模塊102在工作中需要依靠一套伺服及測量裝置來實現(xiàn)初始化模式、獨立模式和跟隨模式下的X、Y和Rz運動和控制?，F(xiàn)有的平面二維測量技術中采用干涉儀測量實現(xiàn)精確測量，然而該方法需要設計光路，結構復雜，成本較高；而現(xiàn)有的二維光柵尺測量法雖然結構簡單，但是安裝精度要求高， 調試難度大，針對尺寸較大的平衡質量模塊的測量精度無法保證。

針對上述問題，隨之出現(xiàn)了一種平面運動測量裝置及方法，該技術中利用三組一維相對光柵尺測量組件來完成X、Y和Rz測量，該方法成本低，安裝調試容易，卻依然存在以下三方面的不足：一、該測量組件中滾輪在槽內直線運動時，輪子外圈因壓緊產(chǎn)生較大的滑動摩擦力，加速輪子外圈磨損，導致輪子與槽產(chǎn)生間隙，從而大大降低測量精度；二、無法實現(xiàn)對平衡質量模塊在平面內運動時由于零件裝配誤差引起的Rx、Ry及Z方向的偏差的解耦；三、由于平衡質量模塊在機械極限位置時補償電機無法對向運動，導致平衡質量模塊不能實現(xiàn)初始化，降低了測量裝置的工作效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服以上不足，提供了一種既能實現(xiàn)運動體Rx、Ry及Z方向的解耦，又能實現(xiàn)運動體初始化復位，且有效提高測量精度的運動體的測量和初始化裝置。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種運動體的測量和初始化裝置，用于測量運動體在X、Y及Rz方向的位移以及對運動體進行初始化復位，包括三組二維測量機構、設于每組所述二維測量機構上的解耦機構、以及四組初始復位機構，其中兩組所述二維測量機構位于所述運動體的X方向上，另外一組二維測量機構位于所述運動體的Y方向上，每組所述二維測量機構包括與所述運動體連接的兩個相互垂直的移動副以及一個轉動副；所述解耦機構與所述轉動副和其中一個移動副連接；兩組所述初始復位機構位于運動體的X方向上，另外兩組所述初始復位機構位于運動體的Y方向上。

進一步的，每組所述二維測量機構均包括安裝基板、設于所述安裝基板上的兩組第一移動副、設于所述安裝基板上且兩端分別連接所述第一移動副的連接板、設于所述連接板上方的第二移動副、與所述運動體連接的Rz轉動副、以及與第一移動副連接的位移測量組件，所述連接板中部與所述運動體連接，所 述第二移動副和所述Rz轉動副均與所述解耦機構連接。

進一步的，每組所述第一移動副均包括第一導軌和與所述第一導軌滑動連接的第一滑塊。

進一步的，所述位移測量組件包括設于所述安裝基板上的光柵尺讀頭安裝板、與所述光柵尺讀頭安裝板固定連接的光柵尺讀頭、以及一側與其中一組第一移動副中的第一滑塊固定連接，另一側與所述光柵尺讀頭滑動連接的光柵尺。

進一步的，每組所述第二移動副均包括第二導軌和與所述第二導軌滑動連接的第二滑塊。

進一步的，所述解耦機構包括至少一塊柔性解耦片，所述柔性解耦片的厚度小于0.1mm，且兩端分別與所述第二滑塊連接。

進一步的，所述柔性解耦片設有一塊，兩端分別與第二滑塊的位置相對應，且上方設有壓板，所述壓板上方設有螺母，所述壓板、柔性解耦片和第二滑塊均設有與所述螺母相適配的螺孔。

進一步的，所述Rz轉動副包括與所述運動體連接的軸承組件安裝支架、設于所述軸承組件安裝支架上的軸承組件，所述軸承組件與所述柔性解耦片通過連接桿連接。

進一步的，所述柔性解耦片設有兩塊，其中部設有U型開口，兩塊所述柔性解耦片的U型開口沿X向相對設置，每塊所述柔性解耦片左右兩端上方設有螺母，所述柔性解耦片和第二滑塊均設有與所述螺母相適配的螺孔。

進一步的，所述Rz轉動副包括與所述運動體連接的軸承組件安裝支架、設于所述軸承組件安裝支架上的軸承組件，所述軸承組件下端穿過所述柔性解耦片的U型開口與連接板連接，所述軸承組件外圈與所述U型開口緊密貼合。

進一步的，每組所述初始復位機構均包括與所述運動體連接的磁鐵安裝板、設于所述磁鐵安裝板上的矩形磁鐵組、與所述磁鐵安裝板相對設置的可調式磁鐵安裝架、設于可調式磁鐵安裝架上方的磁鐵安裝座、以及設于磁鐵安裝座上的矩形磁鐵，所述矩形磁鐵組和所述矩形磁鐵相對一側的極性相同。

進一步的，每組所述初始復位機構均包括與所述運動體連接的線圈組、與所述線圈組連接的接近開關、與所述線圈組相對設置的可調式磁鐵安裝架、設于可調式磁鐵安裝架上方的磁鐵安裝座、以及設于磁鐵安裝座上的矩形磁鐵。

進一步的，所述磁鐵安裝板上設有與所述矩形磁鐵組相適配的凹槽，所述矩形磁鐵組設于所述凹槽內；所述磁鐵安裝座上設有與所述矩形磁鐵相適配的第二凹槽，所述矩形磁鐵設于所述第二凹槽內。

進一步的，所述可調式磁鐵安裝架上設有若干腰型孔，所述腰型孔內設有定位柱。

本發(fā)明提供的運動體的測量和初始化裝置，通過設置三組二維測量機構，并在每組所述二維測量機構上設置解耦機構，不僅可以精確測量運動體在X向和Y向的位移量，而且能有效實現(xiàn)運動體在平面內運動時由于零件裝配誤差引起的Rx、Ry及Z方向的偏差的解耦，提高了測量的精度和裝置的穩(wěn)定性；同時沿運動體的X向和Y向分別設置初始復位機構以實現(xiàn)運動體在機械限位時的初始化復位，提高了測量裝置的工作效率。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有一種氣浮式工件臺系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例1的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例1二維測量機構的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例1二維測量機構的剖面圖；

圖5是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例1初始復位機構的結構示意圖；

圖6是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例1初始復位機構的俯視圖；

圖7是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例1運動體在Y向的運動范圍示意圖。

圖8是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例2二維測量機構的結構示意圖；

圖9是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例2解耦機構的結構示意圖；

圖10是本發(fā)明運動體的測量和初始化裝置實施例2初始復位機構的俯視圖。

圖1中所示：101、底部框架；102、平衡質量模塊；103、Y向氣浮導軌；104、曝光臺；

圖2-10中所示：1、運動體；2、二維測量機構；21、安裝基板；22、第一移動副；221、第一導軌；222、第一滑塊；23、第二移動副；231、第一導軌；232、第一滑塊；24、Rz轉動副；241、軸承組件安裝支架；242、軸承組件；243、連接桿；25、位移測量組件；251、光柵尺讀頭安裝板；252、光柵尺讀頭；253、光柵尺；26、連接板；3、解耦機構；31、柔性解耦片；32、壓板；33、螺母；4、初始復位機構；41、磁鐵安裝板；42、矩形磁鐵組；43、可調式磁鐵安裝架；431、腰型孔；44、磁鐵安裝座；45、矩形磁鐵；46、第一凹槽；47、第二凹槽；48、線圈組；49、接近開關；5、安裝框架；6、補償電機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種運動體的測量和初始化裝置，用于測量運動體1在X、Y及Rz方向的位移以及對運動體1進行初始化復位，該運動體1設在安裝框架5上，該安裝框架5固定不動，運動體1相對安裝框架5沿X、Y及Rz方向運動。安裝框架5上還設有三個與運動體1連接的補償電機6，其中兩個沿X向分布，分別控制運動體1沿X、Y和Rz三個方向的運動。該裝置包括三組二維測量機構2、設于每組所述二維測量機構2上的解耦機構3、以及四組初始復位機構4，其中兩組所述二維測量機構2位于所述運動體1的X方向 上，用于測量運動體1在X方向上的位移量，另外一組二維測量機構2位于所述運動體1的Y方向上，用于測量運動體1在Y方向上的位移量，每組所述二維測量機構2包括與所述運動體1連接的兩組相互垂直的移動副以及一組轉動副，實現(xiàn)二維測量機構2隨運動體1沿X、Y及Rz方向的運動；所述解耦機構3與所述轉動副和其中一組移動副連接，用于對運動體1在Rx、Ry及Z方向上的解耦；兩組所述初始復位機構4位于運動體1的X方向上，用于實現(xiàn)運動體1在Y方向上的機械限位時的初始化復位，另外兩組所述初始復位機構4位于運動體1的Y方向上，用于實現(xiàn)運動體1在X方向上的機械限位時的初始化復位。

如圖3所示，每組所述二維測量機構2均包括安裝基板21、設于所述安裝基板21上的兩組第一移動副22、設于所述安裝基板21上且兩端分別連接所述第一移動副22的連接板26、兩組設于所述連接板26上方的第二移動副23、與所述運動體1連接的Rz轉動副24、以及與第一移動副22連接的位移測量組件25，所述連接板26中部與運動體1連接，所述第二移動副23和Rz轉動副24均與解耦機構3連接。具體的，連接板26可以隨運動體1沿X或Y方向運動，同時帶動第一移動副22和第二移動副23一起運動，位移測量組件25用于測量第一移動副22的位移量。

請繼續(xù)參照圖3，每組所述第一移動副22均包括第一導軌221和與所述第一導軌221滑動連接的第一滑塊222。具體的，兩組位于所述運動體1的X方向上的二維測量機構2的第一導軌221沿X向設置，此時連接板26隨運動體1沿X方向運動，同時帶動第一滑塊222一起相對第一導軌221沿X向運動；一組位于運動體1的Y方向上的二維測量機構2的第一導軌221沿Y向設置，此時連接板26隨運動體1沿Y方向運動，同時帶動第一滑塊222一起相對第一導軌221沿Y向運動，且第一導軌221的長度大于運動體1在Y方向上的運動行程。

請繼續(xù)參照圖3，所述位移測量組件25包括設于所述安裝基板21上的光柵 尺讀頭安裝板251、與所述光柵尺讀頭安裝板251固定連接的光柵尺讀頭252、以及一側與其中一組第一移動副22中的第一滑塊222固定連接，另一側與所述光柵尺讀頭252滑動連接的光柵尺253。具體的，針對位于所述運動體1的X方向上的二維測量機構2，光柵尺253與設于Y負方向上的第一移動副22中的第一滑塊222固定連接，當光柵尺253與第一滑塊222相對第一導軌221沿X向運動時，從光柵尺讀頭252處讀取運動體1的X向位移量；針對位于運動體1的Y方向上的二維測量機構2，光柵尺253與設于X負方向上的第一移動副22中的第一滑塊222固定連接，當光柵尺253與第一滑塊222相對第一導軌221沿Y向運動時，從光柵尺讀頭252處讀取運動體1的Y向位移量。由于沿運動體1的X方向上設置兩組二維測量機構2，當運動體1沿Rz方向旋轉時，兩組二維測量機構2得到的X向位移量不同，根據(jù)該兩個X向位移量的差值以及與Y向位移量的正切關系式得到運動體1在Rz方向旋轉的角度，進而得到運動體1在X、Y及Rz三個方向的位移量。

請繼續(xù)參照圖3，每組所述第二移動副23均包括第二導軌231和與所述第二導軌231滑動連接的第二滑塊232。具體的，第二移動副23通過解耦機構3和Rz轉動副24與運動體1連接，兩組位于所述運動體1的X方向上的二維測量機構2的第二導軌231沿Y向設置，此時第二滑塊232隨運動體1相對第二導軌231沿Y向運動；一組位于所述運動體1的Y方向上的二維測量機構2的第二導軌231沿X向設置，此時第二滑塊232隨運動體1相對第二導軌231沿X向運動；且第二導軌231的長度大于運動體1在X方向上的運動行程。

優(yōu)選的，所述解耦機構3包括至少一塊柔性解耦片31，所述柔性解耦片31的厚度小于0.1mm，本實施例中優(yōu)選為0.05mm～0.1mm，且兩端分別與所述第二滑塊222連接，具體的，柔性解耦片31材料為0Cr18Ni9型不銹鋼，由于長度與厚度的比值很大，當運動體1由于零件裝配誤差引起的Rx、Ry及Z方向的偏差時，通過柔性解耦片31發(fā)生的變形從而達到Rx、Ry和Z向解耦的目的。

如圖4所示，所述柔性解耦片31設有一塊，兩端分別與第二滑塊232的位 置相對應，且上方設有壓板32，所述壓板32上方設有螺母33，所述壓板32、柔性解耦片31和第二滑塊232均設有與所述螺母33相適配的螺孔(圖中未標出)。具體的，壓板32設于第二滑塊232的兩端，通過螺母33對柔性解耦片31與第二滑塊232進行固定。

優(yōu)選的，所述Rz轉動副24包括與所述運動體1連接的軸承組件安裝支架241、設于軸承組件安裝支架241上的軸承組件242，所述軸承組件242與所述柔性解耦片31通過連接桿243連接。具體的，軸承組件242和柔性解耦片31的中部均設有與連接桿243相適配的通孔，通過軸承組件242與運動體1一起進行Rz方向旋轉運動，同時通過連接板26使兩端的第一滑塊222發(fā)生不同的位移量，以計算運動體1的Rz旋轉量。

如圖5所示，每組所述初始復位機構4均包括與所述運動體1連接的磁鐵安裝板41、設于所述磁鐵安裝板41上的矩形磁鐵組42、與所述磁鐵安裝板41相對設置的可調式磁鐵安裝架43、設于可調式磁鐵安裝架43上方的磁鐵安裝座44、以及設于磁鐵安裝座44上的矩形磁鐵45，所述矩形磁鐵組42和矩形磁鐵45相對一側的極性相同。優(yōu)選的，磁鐵安裝板41上設有與所述矩形磁鐵組42相適配的第一凹槽46，所述矩形磁鐵組42設于所述第一凹槽內46；所述磁鐵安裝座44上設有與所述矩形磁鐵45相適配的第二凹槽47，所述矩形磁鐵45設于所述第二凹槽47內。具體的，可調式磁鐵安裝架43設于安裝框架5上，兩者的相對位置可調，矩形磁鐵組42包括若干矩形磁鐵，本實施例中矩形磁鐵的數(shù)量為3個，矩形磁鐵組42通過環(huán)氧樹脂膠粘接在所述磁鐵安裝板41的第一凹槽內46；所述矩形磁鐵45通過環(huán)氧樹脂膠粘接在磁鐵安裝座44的第二凹槽47內；當矩形磁鐵組42隨運動體1運動到X向或Y向機械限位時，矩形磁鐵組42與矩形磁鐵45的位置相靠近，由于矩形磁鐵組42和矩形磁鐵45相對一側的極性相同，因此兩者產(chǎn)生斥力，推動運動體1與機械限位分離，實現(xiàn)零位初始化復位，大大提高了裝置的工作效率。

如圖6所示，可調式磁鐵安裝架43上設有若干腰型孔431，所述腰型孔431 內設有定位柱，所述腰型孔431的內徑與所述定位柱外徑相匹配。具體的，定位柱固定設于安裝框架5上，通過調節(jié)定位柱與腰型孔431的相對位置，改變矩形磁鐵組42與矩形磁鐵45的間距d2來改變磁力的大小。

如圖7所示，設運動體1在Y方向的正常運動范圍為(-d4,d4)，機械限位范圍為(-d3-d4,d3+d4)，設矩形磁鐵45的長度為m，矩形磁鐵組42的長度為d1，則應該滿足關系：當運動體1在正常運動范圍內時，初始復位機構4對運動體1不發(fā)生作用力，當運動體1在正常范圍至機械限位范圍之間時，初始復位機構4對運動體1提供初始復位力，且越接近機械限位，該作用力越大。

實施例2

如圖9所示，與實施例1不同的是，所述柔性解耦片31設有兩塊，柔性解耦片31的中部設有U型開口，兩塊所述柔性解耦片31的U型開口沿X向相對設置，每塊所述柔性解耦片31左右兩端上方設有螺母33，所述柔性解耦片31和第二滑塊232均設有與所述螺母33相適配的螺孔(圖中未標出)，通過螺母33對柔性解耦片31與第二滑塊232進行固定。具體的，柔性解耦片31材料為0Cr18Ni9型不銹鋼，由于長度與厚度的比值很大，當運動體1由于零件裝配誤差引起的Rx、Ry及Z方向的偏差時，通過柔性解耦片31發(fā)生的變形從而達到Rx、Ry和Z向解耦的目的。

如圖8所示，所述Rz轉動副24包括與所述運動體1連接的軸承組件安裝支架241、設于軸承組件安裝支架241上的軸承組件242，所述軸承組件242下端穿過所述柔性解耦片31的U型開口311與連接板26連接，軸承組件242外圈與所述U型開口311緊密貼合，柔性解耦片31通過軸承組件242與運動體1一起進行Rz方向旋轉運動，同時通過連接板26使兩端的第一滑塊222發(fā)生不同的位移量，以計算運動體1的Rz旋轉量。

如圖10所示，每組所述初始復位機構4均包括與所述運動體1連接的線圈組48、與線圈組48連接的接近開關49、與線圈組48相對設置的可調式磁鐵安裝架43、設于可調式磁鐵安裝架43上方的磁鐵安裝座44、以及設于磁鐵安裝座44上的矩形磁鐵45。優(yōu)選的，所述磁鐵安裝座44上設有與所述矩形磁鐵45相適配的第二凹槽47，所述矩形磁鐵45設于所述第二凹槽47內。具體的，可調式磁鐵安裝架43設于安裝框架5上，兩者的相對位置可調，線圈組48包括若干線圈，本實施例中，線圈的數(shù)量為3個，且線圈組48通電之后產(chǎn)生的磁場的極性和矩形磁鐵45相對一側的極性相同，線圈組48通過環(huán)氧樹脂膠粘接在所述磁鐵安裝板41的第一凹槽內46；所述矩形磁鐵45通過環(huán)氧樹脂膠粘接在磁鐵安裝座44的第二凹槽內；當線圈組48隨運動體1運動到X向或Y向機械限位時，接近開關49檢測到信號，使線圈組48通電并產(chǎn)生磁場，與矩形磁鐵45相互作用產(chǎn)生斥力，推動運動體1完成初始化復位。

優(yōu)選的，可調式磁鐵安裝架43上設有若干腰型孔431，所述腰型孔431內設有定位柱，定位柱的外徑與腰型孔431的最小內徑相適配，兩者的相對位置可調。具體的，定位柱固定設于安裝框架5上，通過調節(jié)定位柱與腰型孔431的相對位置，改變矩形磁鐵組42與矩形磁鐵45的間距來改變磁力的大小。采取該種設計方式相比實施例1對運動體1正常工作的影響更小，且磁力的可調范圍更大。

綜上所述，本發(fā)明提供的運動體的測量和初始化裝置，通過設置三組二維測量機構2，并在每組所述二維測量機構2上設置解耦機構3，不僅可以精確測量運動體1在X向和Y向的位移量，而且能有效實現(xiàn)運動體1在平面內運動時由于零件裝配誤差引起的Rx、Ry及Z方向的偏差的解耦，提高了測量的精度和裝置的穩(wěn)定性；同時沿運動體1的X向和Y向分別設置初始復位機構4以實現(xiàn)運動體1在機械限位時的初始化復位，提高了測量裝置的工作效率。

雖然說明書中對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發(fā)明的保護范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內進行各種省 略、置換和變更均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。