TWI310328B - Gantry positioning system - Google Patents

Description

1310328 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種移動式的拱架（gantry )系統，在該系統上裝配 ' 有器件以在工作區內完成操作，本發明特別是涉及一種用於精確地控 • 制移動式拱架的位置的系統。 【先前技術】 ' 拱架系統被廣泛地應用於各種場合，從裝配和電子製造到視覺系 統和工業自動化。在半導體裝配和封裝中，使用拱架的定位系統在工 • 作空間橫跨預先確定的區域的場合中是有用的，並且在該區域內的各 種位置精確地定位器件是必要的。 此處關於拱架系統將會被理解爲包括多軸線定位系統，藉此器件 被要求在一個二維平面或三維空間中定位。在典型的二維佈置中，器 件被一托架所支撐，該托架可沿著拱架架梁（gantry beam)在第一方 向上前後移動。該拱架架梁可在第二方向上前後移動，該第二方向通 常垂直於第一方向。該拱架架梁一般在兩端被一對托架所支撐。如果 需要在三維空間上移動，該器件可移動地支撐於該托架上，以便於器 件在第三方向上移動，該第三方向一般都垂直於第一方向和第二方向 。通常而言，三個方向是正交的ΠΖ座標軸。 鲁在拱架系統的設計中需要考慮的相關因素爲：移動距離、速度、 加速度、放置精度和可靠性。對於要求高的應用而言，放置精度和可 重復性尤其重要，在這些應用中工具或器件必須被精確地定位，僅僅 具有很小的誤差。傳統上，拱架系統採用滾珠絲杆式（ball screw -based)的機構和AC伺服馬達以驅動拱架。但是，滾珠絲杆具有固 有的缺點，例如相對慢的速度和低的精確度。 最近以來，線性馬達被引入來驅動拱架系統，和現有的滾珠絲杆 系統相比，它們具有値得注目的改良性能、速度和可靠性。一個實例 是專利號爲6, 798, 088，發明名稱爲“對稱設置的線性馬達操作的工具 機器結構”的美國專利。該拱架結構包含有兩個平行豎立的支撐壁和 一能沿著位於支撐壁上的滑動軌道進給的移動的拱架。該移動的拱架 1310328 由對稱設置的高輸出線性馬達所驅動。這種結構的缺點是其不適合於 馬達驅動架梁的操作和可能的非同步操作中的熱膨脹。由於拱架的結 構非常剛性，當馬達驅動拱架一段不相稱的距離或一不相稱的力時， 滑動軌道將會遇到應力。定位精度將會受到影響並且滑動軌道也出現 多餘的負載和更大的磨損。 • 爲了解決這個問題，可引入—些彈性到線性導架和移動拱架之間 . 的介面，働_專利號爲6, 852,娜，發明名稱爲“平版印刷裝置中使 用的定位系統”的美國專利所述。其描述了一種定位系統，該系統被 ' 用來在三個自由度上定位移動的目標台。該移動的拱架剛性地藕接到 滑體上，該滑體至少在兩個軸線上被裝配在平行的邊側架梁上以在水 鲁平的X-Y平面中形成一個剛性體。推力軸承（thrust bearing)相對 於邊側架梁可旋轉地被裝配到至少一個滑體上，以在可移動的拱架和 邊側架梁之間在X-Y平面上傳遞力，和垂直於各個邊側架梁。 如果移位該拱架以影響架梁的側滑位置，那麽相應地滑體的線性 馬達將會相對於它們的軌迹旋轉。這補償了熱膨脹和非同步操作，可 另一方面，其帶來了各種結構的複雜性。而且，該結構給拱架帶來了 額外的自由度，以通過在兩端提供額外的自由旋轉度而減輕側滑期間 線性導架上的高應力。不幸的是，額外的自由旋轉度導致拱架系統具 有有限的剛度來反抗滾動和顛簸（pitch)移動，該剛度應該高以便於 實現必要的精度和動態性能。 •通過使用較少的部件裝配系統來維持拱架系統的整體結構盡可能 的簡單是令人期望的，並同時還能實現拱架的高定位精度。 【發明内容】 本發明的目的在於提供一種拱架定位系統，其避免了前述現有技 術中的一部分缺點’以便於實現簡單化和放置精度。 因此，本發明提供一種拱架系統，其包括有：拱架架梁，其具有 第一區段和第二區段；第一馬達和第二馬達，其協同來在平行的方向 上分別驅動第一區段和第二區段，以沿著線性軸線定位拱架架梁；以 及柔性體’其連接於第一區段和第二區段之間，該第二區段圍繞該柔 性體相對於第一區段偏斜。 1310328 參閱後附的描述本發明實施例的附圖，隨後來詳細描述本發明是很 方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發明的限制，本發明的 特點限定在申請專利範圍中。 【實施方式】 圖1是根據本發明較佳實施例所述的拱架系統10的立體示意圖。拱 架系統10通常包含有：支撐座體12，其包括垂直的側壁；拱架架梁Μ， 其具有分離的區段14a、14b，並由每個垂直的側壁支撐於其各個端部； 線性導架如引導軌道16，用於引導拱架架梁14的一個區段14a沿著一垂 直的側壁移動；軸承，例如空氣軸承，用於沿著另一個垂直的側壁支 撐拱架架梁14的另一個區段14b。 還存在有一對馬達，其可以是線性馬達18、18’的形式，每個馬 達以平行的方向大體同時驅動第一區段14a和第二區段14b各自的一端 ，以沿著線性軸線（如圖1中的Y軸）定位拱架架梁14。每個線性馬達 18、18,包含有磁性元件19、19，，該磁性元件包括成行的磁體，其 和線圈支座（coil bracket) 20、20,協同工作，該線圏支座包括可 相對於磁性元件19、19,移動的線圈繞組。該磁性元件19、19,被裝 配到支擦座體12上，而線圈支座20、20’被裝配到拱架架梁14上。 拱架架梁14較佳地是由鋁或鋁合金製成。通過容納有柔性體22而 將拱架架梁14的彈性引入，該柔性體將拱架架梁14分隔成兩個區段。 較佳地，柔性體22設置定位離引導軌道16比離空氣軸承基本上近。停 靠在引導軌道16上的第一區段14a具有的內在剛度（inherent rigidity)高於停留在空氣軸承上的另一區段14b，其是因爲引導軌道 16剛硬地引導其沿著線性γ軸移動。柔性體22允許第二區段圍繞柔性體 22相對於第一區段偏斜（deflectable)。 通過從拱架架梁上切割材料和使之成型以産生柔性體22的外形， 柔性體22可和拱架架梁14的其餘部分整體形成。另外，柔性體22也可 以包括是分離的部件，其被裝配到拱架架梁14的各個獨立的區段上。 柔性體22較佳地在橫斷於拱架架梁14沿著X-Y平面的移動方向的 方向上被垂直設置和切割，以便於在平行於線性軸線的方向上具有雖 然有限的移動自由度，沿著該線性軸線拱架架梁I4被線性馬達18、18’ 所驅動。這種有限的自由度適合於各個線性馬達18、18’的非同步操 1310328 作。同時，柔性體22是剛性的並限制了其他方向上的移動自由度以限 制顛簸或滾動動作。 在彎曲方面，該柔性體22被設計來給出一個合理的低頻的基礎模 式，而同時爲更高頻模式提供足夠高的動態硬度。另外，在容納最大 的應力水平充分在所使用材料的忍受水平以下的同時，其也被設計來 • 具有足夠的負荷運載能力。該柔性體較佳地由鋁、鋁合金、鋼或鈦合 金製成，其中它包含有獨立的部件。但是，其他的高強度材料同樣也 是合適地。 用於裝配器件，如鍵合或拾取放置器件的安裝支座24可滑動地被 安裝在拱架架梁14上，並沿著平行於拱架架梁14的長度方向軸線（如 圖1中的X軸線）移動。安裝支座24較佳地被另一個線性馬達26所驅動。 • 爲方便起見，安裝支座24所沿著滑動移動的軸線被當作爲X軸，而引導 軌道16所沿著引導拱架架梁14的軸線被當作爲Y軸。値得注意地是，由 各個線性馬達所驅動的安裝支座24在X和Y軸上的移動組合被用來定位 裝配在安裝支座24上的器件到X-Y平面上的不同位置。 拱架架梁14的、與由引導軌道16所導引的端部相對的一端由具有 高硬度的空氣軸承所支撐，但是其支承第二區段14b沿著線性軸線進行 移動比引導軌道16相對更加缺少剛性，以便於第二區段14b相對於第一 區段14a偏斜。空氣軸承包含有相互面對的空氣軸承支撐表面28和空氣 軸承墊（air bearing pad) 30，在表面之間産生的間隙被在表面之間 噴射壓縮空氣以將二者分離。爲了增強空氣軸承的硬度，預裝的磁性 • 子元件32被設置以便於其被吸弓丨到佈置於空氣軸承支撐表面28上的磁 性預載帶（pre-load strip) 34，該磁性預載帶通常和預載的磁性子 元件32的移動路徑對齊定位。在任一給定的時間沿著Y軸存在一位置編 碼器系統36以確定拱架架梁14的位置。 圖2是拱架系統10的平面示意圖。爲了表達簡單起見，設置在拱架 架梁14的各個端部的線性馬達18、18’已經被去除。該視圖表明：安 裝支座24沿著拱架架梁14在X軸上移動，而拱架架梁14沿著引導軌道16 在Y軸上移動。拱架架梁14在一端通過一組線彳生引導塊17被支撐在引導 軌道16上，該線性引導塊容置有重新迴圈的滾動元件（re-circulating rolling elements)例如球體或滾筒，拱架架梁在另一端被空氣軸承 所支撐，該空氣軸承包含有空氣軸承支撐表面28和空氣軸承墊30。 1310328 圖3是從圖2中A方向所視拱架系統的側視示意圖。其表明了拱架架 梁14由線性弓丨導塊17支撐於引導軌道16上。同時其也表明了支撐於空 氣軸承上的引導軌道14，該空氣軸承包含有形成於空氣軸承支撐表面 28和空氣軸承墊30之間的氣隙31。通過由空氣軸承墊30朝向空氣軸承 支撐表面28噴射壓縮空氣而形成空氣氣隙31。爲了增強空氣軸承的剛 • 度，通過採用磁性預載帶34吸引預載的磁性子元件32的方式産生一預 • 載力。 圖4是拱架架梁14的平面示意圖，該架梁平行於拱架系統10的X軸 ' 定位。拱架架梁14在+Y和-Y方向上被各個端部的第一和第二線性馬達 18、18’被驅動。在動作期間，較佳地說，拱架架梁14的兩端被同時 φ 驅動一段相同的距離，以便於架梁保持與X軸平行。可是，如果在線性 馬達18、18’之間存在不同步，由一個線性馬達18’驅動的端部可能 比由另一線性馬達18驅動的另一端部驅動得更遠。 圖5是拱架架梁14的平面示意圖，該架梁在一個方向偏置，此時該 架梁的相對兩端錯位。在這種情形下，如果拱架架梁14在X-Y平面上是 剛性的，那麽將會在引導拱架架梁14移動的線性導架上産生應力。但 是，由於柔性體22內置在拱架架梁14中，所以基於支提於空氣軸承上 的拱架架梁14的端部有限的移動程度，拱架架梁14的一區段14b被允許 偏斜和旋轉。在拱架架梁14相對一端的另一區段14a保持相對固定。因 此，可以看到，雖然由弓丨導軌道16所弓丨導的拱架架梁14的端部在旋轉 Φ 軸線上是相對剛性的，但是，由空氣軸承所支撐的拱架架梁14的區段 在+Y方向上轉動，在此出現了線性馬達18’的額外移動，藉此減少了 系統10上的應力。 但是値得注意的是，爲了闡述的目的，圖5中移動範圍是言過其辭 的。在使用神奇（state-of-the-art)的高精度馬達和位置編碼器的 實際操作中，旋轉度將被局限在幾個弧秒內是可能的。這種偏差將會 立即被在拱架架梁14的空氣軸承側使用線性馬達18 ’和位置編碼器系 統36的閉環控制系統修正。 類似地’如果由第二線性馬達18’驅動的端部比由第一線性馬達 18驅動的端部在-Y方向上移動得更遠，那麽由空氣軸承所支撐的拱架 架梁14的區段14b可產出現反方向的旋轉。圖6是拱架架梁14的平面示 1310328 意圖，該架梁以一個反方向被旋轉’此時該架梁14的相對兩端錯位。 由於前述方向上的自由度的限制’基於線性馬達18、18’的不同步而 在引導軌道16上産生的應力能被減少到微不足道的程度。 値得欣賞的是，根據本發明較佳實施例所述的拱架定位系統簡化 了拱架的裝配結構，同時保證了放置精度、快速的動態反應，以及增 強了拱架系統的免維護的壽命。 此處描述的本發明在所具體描述的內容基礎上很容易産生變化、 修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括 在本發明的上述描述的精神和範圍內。 1310328 【圖式簡單說明】 根據本發明所述的拱架系統較佳實施例的範例現將參考附圖加以 描述，其中： 圖1是根據本發明較佳實施例所述的拱架系統的立體示意圖。 圖2是拱架系統的平面示意圖。 圖3是從圖2中A方向所視拱架系統的側視示意圖。 - 圖4是拱架架梁的平面示意圖，該架梁平行於拱架系統的X軸定位。 圖5是拱架架梁的平面示意圖，該架梁以一個方向旋轉，此時該架 ' 梁的相對兩端錯位。 圖6是拱架架梁的平面示意圖，該架梁以一個反方向旋轉，此時該 • 架梁的相對兩端錯位。 【主要元件符號說明】 10 拱架系統 12 支撐座體 14 拱架架梁 14a 分離的區段 14b 分離的區段 16 引導軌道 17 線性引導塊 18 第一線性馬達 18, 第二線性馬達 19 磁性元件 19, 磁性元件 20 線圈支座 20, 線圈支座 22 柔性體 24 安裝支座 26 線性馬達 28 磁性預載帶 30 空氣軸承墊 11 1310328 31 氣隙 32 磁性子元件 34 磁性預載帶 36 位置編碼器系統

Claims (1)

1310328 正吳） 卜吟修陕: 十、申請專利範圍： 一一― 1、 一種拱架系統，其包括有： 拱架架梁，其具有第一區段和第二區段； 第一馬達和第二馬達，其協同來在平行的方向上分別驅動第一區 段和第二區段，以沿著線性軸線定位拱架架梁；以及 柔性體，其連接於第一區段和第二區段之間，該第二區段圍繞該 柔性體相對於第一區段偏斜。 2、 如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，該系統還包含有： 線性導架，其用於沿著線性軸線剛性地引導第一區段移動； 軸承，其用於相對較少剛性地支撐第二區段沿著線性軸線進行移 動，以便於第二區段相對於第一區段偏斜。 3、 如申請專利範圍第2項所述的拱架系統，其中，該線性導架 包括引導軌道。 4、 如申請專利範圍第3項所述的拱架系統，其中，該第一區段 通過容置有重新迴圈的滾動元件的線性引導塊支撐於引導軌道上。 5、 如申請專利範圍第2項所述的拱架系統，其中，該軸承包含 有空氣軸承。 6、 如申請專利範圍第5項所述的拱架系統，其中，該空氣軸承 包含有空氣軸承支撑表面和空氣軸承墊，通過在其中噴射壓縮空氣而 在其表面之間産生間隙。 7、 如申請專利範圍第6項所述的拱架系統，其中，空氣軸承支 撐表面和空氣軸承墊還分別包括：預載帶和預載的磁性子元件，該預 載帶和預載的磁性子元件被配置來將空氣軸承墊朝向空氣軸承支撐表 面吸引。 8、 如申請專利範圍第2項所述的拱架系統，其中，該柔性體被 設置定位離線性導架比離軸承大體上近。 9、 如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，第一馬達和 第二馬達包括線彳生馬達。 10、如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，該柔性體通過 使用從拱架架梁上切割和使之成型的方式，和拱架架梁一體形成。 π、如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，該柔性體爲裝 配到第一區段和第二區段的獨立部件。 I2、如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，該柔性體被配 置來在平行於線性軸線的方向上彎曲，拱架架梁沿著該線性軸線被驅 13 1310328 動但其爲剛性，並限制其他方向上的移動自由。 13、如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，在彎曲方面， 該柔性體被配置來給出一個低頻的基礎模式，而同時爲更高頻模式提 供足夠高的動態硬度。 14、如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，該柔性體由選 自下述組群中的材料製成，該組群包括：鋁、鋁合金、鋼和鈦合金。 15、如申請專利範圍第1項所述的拱架系統，其中，該拱架架梁由 •鋁或鋁合金製成。

14