定位系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月18日提交的美国临时申请no.62/599,955的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

本公开涉及定位系统的领域。

背景技术：

定位系统常常用于选择性地移动部件（例如，线性地）。定位系统包括滑动或滚动轴承和驱动元件。在定位系统的分辨能力方面的一个基本限制因素是其静摩擦系数和滑动摩擦系数之间的差异。这种差异导致在具有滑动或滚动轴承和驱动元件的常规定位系统中经历粘滞行为。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种定位系统包括：本体；第一辊，其安置在本体内；第二辊，其安置在本体内；以及带，其安置在本体内。带包括固定到本体的第一端和固定到本体的第二端。带沿着第一辊和第二辊的部分与第一辊和第二辊两者接合。第一辊和第二辊两者都轴向地和径向地受约束。致动器或马达驱动一个或两个辊的旋转以产生本体的线性运动。

根据另一个实施例，一种定位系统包括：本体；第一辊，其安置在本体内；第二辊，其安置在本体内；第三辊，其安置在本体内；以及第四辊，其安置在本体内。带与所述四个辊中的每一个接合。所述四个辊中的至少两个轴向地和径向地受约束。驱动一个或多个辊旋转地将线性运动赋予机构的本体。

根据另一个实施例，一种定位系统包括：本体；第一辊，其安置在本体内；第二辊，其安置在本体内；第三辊，其安置在本体内；以及第四辊，其安置在本体内。第一带与第一辊和第二辊两者都接合。第二带与第三辊和第四辊两者都接合。所述四个辊中的至少两个轴向地和径向地受约束。

通过考虑详细描述和附图，本公开的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1和图2图示了根据一个实施例的定位系统。

图3图示了根据另一个实施例的定位系统。

图4图示了根据另一个实施例的定位系统。

图5图示了根据另一个实施例的定位系统。

在详细解释本公开的任何实施例之前，将理解，本公开在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在以下附图中图示的部件的体现和布置的细节。本公开能够支持其他实施例并且能够以各种方式被实践或实施。而且，将理解，本文中使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。

具体实施方式

图1和图2图示了定位系统10。定位系统10包括本体14。在所图示的实施例中，本体14是大体矩形的中空笼，其具有顶壁18、底壁22、第一侧壁26和第二侧壁30。其他实施例包括与所图示的不同的形状、轮廓以及本体和壁的数量和布置。本体14可由多种不同类型的材料中的一种或多种制成，包括但不限于塑料、金属等。

定位系统10还包括至少部分地安置在本体14内的至少一条柔性带34（例如，张力带）。在所图示的实施例中，定位系统10包括单条带34。带34包括第一端38和相对的第二端42。第一端38固定（例如，利用至少一个紧固件、粘合剂等）到本体，诸如通过夹紧到顶壁18的内表面。第二端42固定（例如，利用至少一种紧固件、粘合剂等）到本体，诸如通过夹紧到底壁22的内表面。带34可由多种不同类型的材料制成，包括但不限于基本上非弹性的但柔性的材料。凸片、槽和其他特征可被添加到带设计，其中这些特征中的一些如所描述的那样被夹紧或以其他方式附接到本体且其他特征附接到一个或多个辊，由此防止带的侧到侧迁移。可选地，带可以包含、承载或整合有电迹线（类似于挠性电路板）、管道系统或真空管线、或需要输送到本体14上的已安装部件的其他设施。

继续参考图1和图2，定位系统10还包括与一条或多条带34接触的至少一个辊。在所图示的实施例中，定位系统10包括第一辊46和第二辊50。第一辊46是圆筒形的并且部分地与带34接触。第二辊50也是圆筒形的并且与带34接触。如图1中所图示的，第一辊46和第二辊50定位在本体14内，使得带34大体以“s”形轮廓压靠第一辊46和第二辊50并缠绕在其上。辊对经由带以一定的力彼此压靠，该力基本上与带上的预紧张力（tensionpreload）成比例。这沿着所述辊的长度形成线接触，该线接触用作对本体14的运动的约束自由度之一。在一些实施例中，带34至少部分地由铍铜、kapton或其他材料制成。在一些实施例中，带34和/或辊包括穿孔、沟槽和/或纹理（texturing）以（例如，有助于减少泵送损失）。在一些实施例中，带通过夹具或粘合剂附接到本体，并且预紧弹簧或类似机构可集成到该组件中。替代地，可以使一个或多个辊稍微分体（split）以便提供自然的弹簧力，该弹簧力将按需要张紧（一条或多条）带。

定位系统10还包括驱动所述辊中的一个或多个的旋转的至少一个致动器54。在所图示的实施例中，定位系统10包括驱动第一辊46的旋转的单个致动器54（示意性图示）。致动器54至少部分地（例如，完全地）嵌套在第一辊46内。在其他实施例中，致动器54完全安置在第一辊46的外部，并且利用驱动臂或其他结构联接到第一辊46。致动器54可以是多种不同类型的致动器中的任一种，包括但不限于常规马达类型（例如，dc伺服器、步进机、开环或闭环等）以及旋转音圈（例如，具有无粘滞的挠性枢轴或旋转挠曲件）、压电马达、气动件、双金属线圈、形状记忆合金等。

继续参考图1和图2，在所图示的实施例中，第一辊46和第二辊50两者都轴向地或径向地受约束而不能平移。因此，第一辊46和第二辊50的唯一自由度是分别绕第一辊46和第二辊50的旋转轴线58、62的旋转自由度。在所图示的实施例中，轴线58、62是平行的。为了防止第一辊46和第二辊50的平移，定位系统10包括：第一臂或轴件66（例如，马达轴），其从第一辊46轴向地延伸；以及第二臂或轴件70（例如，马达轴），其从第二辊50轴向地延伸。第一臂或轴件66和第二臂或轴件70联接到（例如，固定到）支撑托架74，该支撑托架本身联接到（例如，固定到）固定平台78。其他实施例包括各种其他结构，通过这些结构来轴向地和径向地约束第一辊46和第二辊50或其马达或轴件。在一些实施例中，第一辊46和第二辊50两者都各自联接到它们自身的单独的致动器54。例如，第二致动器54可安置在第二辊50中。在一些实施例中，辊46、50是反向旋转的，和/或辊46、50两者都轴向地或径向地受约束而不能平移。

参考图1和图2，在所图示的实施例中，定位系统10操作为线性致动器以使本体14沿着行进轴线82线性地来回移动。行进轴线82垂直于第一辊46和第二辊50的旋转轴线58、62。本体14总体而言在五个自由度中受约束，并且被准许仅沿着行进轴线82线性地移动。

在操作期间，对致动器54进行致动（例如，手动地或经由控制器自动地）。当被激活时，致动器54引起第一辊46绕其旋转轴线58旋转（例如，顺时针或逆时针）。带34与第一辊46接合（例如，摩擦地）。因此，第一辊46（即，从动辊）的旋转迫使带34移动。如果第二辊50也未被机动化或供以动力，则带34的运动迫使该第二辊旋转。如上所述，带34的第一端38和第二端42固定到本体14。因此，第一辊46和第二辊50的旋转迫使本体14沿着行进轴线82线性地平移。为了迫使本体14沿着行进轴线82沿相反的方向移动，将致动器54倒转。

在所图示的实施例中，本体14沿着行进轴线82的最大行进距离由以下方程式提供：

行程=2πr(δ角度º)/360

其中r＝受驱动的第一辊46的半径，并且

（δ角度°）＝受驱动的第一辊46的以度数为单位的旋转运动

这些也定义了机构的设计分辨率的方程式。

在所图示的实施例中，致动器54是音圈马达。因此，在半径r为1.0cm的第一辊46的情况下，并且在30°的音圈角范围和0.1弧秒的角分辨率（~19位）的情况下，本体14的最大行进距离为5.0mm。（其中线性分辨率为约5nm）。在其他实施例中，定位系统10具有至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少4mm、至少5mm、至少6mm、至少7mm、至少8mm、至少9mm或至少10mm的最大行进距离。其他实施例包括各种其他范围和值。附加地，并且如上所述，在所图示的实施例中，定位系统10具有约5nm的线性分辨率。在其他实施例中，线性分辨率小于10nm、小于9nm、小于8nm、小于7nm、小于6nm或小于5nm。其他实施例包括各种其他值和范围。在一些实施例中，提供线性编码。

在所图示的实施例中，第一辊46和第二辊50两者都具有相同的直径。在其他实施例中，第一辊46具有大于第二辊50的直径，或者第二辊50具有大于第一辊46的直径。尽管所图示的实施例包括单个从动辊（即，第一辊46），但是在其他实施例中，第一辊46和第二辊50两者都由一个或多个致动器54来驱动。例如，在一些实施例中，第一辊46和第二辊50由单独的致动器54以反向旋转的方式分开地来驱动。在一些实施例中，单个致动器54驱动第一辊46和第二辊50两者的旋转（例如，经由齿轮或链条）。

参考图3，图示了另一个定位系统110。定位系统110类似于上文所描述的定位系统10。因此，为相似的部件提供了相似的数字，所述数字增加了100。如图3中所图示的，定位系统110不仅包括第一辊146和第二辊150，而且包括第三辊152和第四辊156。第一辊146、第二辊150、第三辊152和第四辊156各自接合了同一条带134，该带在相对的第一端138和第二端142处固定到本体114。在定位系统110中，所述辊中的至少两个既轴向地又径向地受约束，并且所述辊中的至少一个经由致动器154来驱动。例如，在所图示的实施例中，第一辊146和第二辊150两者都轴向地和径向地受约束（类似于图1和图2），并且第一辊146由致动器154来驱动。在其他实施例中，第一辊146、第二辊150和第三辊152各自轴向地和径向地受约束。在一些实施例中，第一辊146、第二辊150、第三辊152和第四辊156各自轴向地和径向地受约束。以这种方式，本体14的运动在所有自由度中均受约束，但通过轴向地和径向地约束组件中的所述辊中的至少两个而在期望的线性自由度中受约束。在一些实施例中，第一辊146和第三辊152各自轴向地和径向地受约束。附加地，在所图示的实施例中，仅第一辊146经由致动器154来驱动。在其他实施例中，多个辊各自利用单独的（或链接的、齿轮连接的或以其他方式联接的）致动器154来驱动（因此减小了每个致动器154所需的尺寸和/或功率）。例如，在一些实施例中，第一辊146和第二辊150两者都各自经由单独的致动器154（例如，嵌套在其中）来驱动。在其他实施例中，第一辊146和第三辊152两者都各自经由单独的致动器154来驱动。例如，类似于第一辊146，致动器154可安置在第三辊152内。在又其他实施例中，单个致动器154驱动所述辊中的两个或更多个（例如，经由齿轮或链条）。其他实施例包括各种其他布置，包括除了图示之外的各种其他数量的辊和带。

参考图4，图示了另一个定位系统210。定位系统210类似于上文所描述的定位系统110。因此，为相似的部件提供了相似的数字，所述数字增加了100。如图4中所图示的，定位系统210包括第一辊246、第二辊250、第三辊252和第四辊256。第一辊246和第二辊250各自接合了同一条带234，该带在相对的第一端238和第二端242处固定到本体214。定位系统210还包括第二带236，该第二带具有固定到本体214的相对的第一端240和第二端244。第一带234和第二带236各自小于带134。第三辊252和第四辊256各自接合第二带236。在定位系统210中，所述辊中的至少两个既轴向地又径向地受约束，并且所述辊中的至少一个经由致动器254来驱动。例如，在所图示的实施例中，第一辊246和第二辊250两者都轴向地和径向地受约束（类似于图1至图3）。在其他实施例中，第一辊246、第二辊250和第三辊252各自轴向地和径向地受约束。在一些实施例中，第一辊246、第二辊250、第三辊252和第四辊256各自轴向地和径向地受约束。在一些实施例中，第一辊246和第三辊252各自轴向地和径向地受约束。附加地，在所图示的实施例中，仅第一辊246经由致动器254来驱动。在其他实施例中，多个辊各自利用单独的致动器254来驱动（因此减小了每个致动器254所需的尺寸和/或功率）。例如，在一些实施例中，第一辊246和第二辊250两者都各自经由单独的致动器254来驱动。在其他实施例中，第一辊246和第三辊252两者都各自经由单独的致动器254（例如，嵌套在其中）来驱动。在又其他实施例中，单个致动器254驱动所述辊中的两个或更多个（例如，经由齿轮或链条）。其他实施例包括各种其他布置，包括除了图示之外的各种其他数量的辊和带。

继续参考4，带234、236可彼此分离，并且两对辊246、250和252、256也彼此分离。因此，第一对辊246、250的安息角（被定义为延伸穿过辊246、250的两条旋转轴线的线258和图4中的平坦顶壁218之间的角度）可不同于第二对辊252、256的安息角（被定义为延伸穿过辊252、256的两条旋转轴线的线262和图4中的平坦顶壁218之间的角度）。

图5图示了另一个定位系统310。定位系统310类似于上文所描述的定位系统210。因此，为相似的部件提供了相似的数字，所述数字增加了100。如图5中所图示的，定位系统310包括第一辊346和第二辊350。第一辊346和第二辊350各自与带334接合，该带在相对端338和342处固定到本体314。在一些实施例中，类似于定位系统110、210，定位系统310包括附加的辊和/或附加的带。如图5中所图示的，本体314具有弓形的顶壁318和弓形的底壁322。当第一辊346和/或第二辊350经由致动器354（例如，嵌套在其中）来旋转时，第一辊346和第二辊350的旋转引起本体314弓形地（而不是线性地）移动。如果顶壁318和底壁322平行，则带中的张力将是恒定的。以这种方式，可根据简单的旋转输入来驱动复杂的轨迹设计。如果顶壁318和底壁322不平行（例如，具有不同的曲率半径），则如先前所描述的，可通过弹簧预紧机构或分体辊来容易地适应否则会在系统行程上累积的变化的带预紧力。

如果不同尺寸的辊各自由致动器来驱动，则所述致动器中的一个可致力于高速致动（一般地，驱动较大直径的辊），而另一致动器可归属于高分辨率致动（一般地，驱动较小直径的辊）。附加地，在一些实施例中，可提供离合装置55（见例如图1）（例如，在辊的内部或外部）以联接和脱离本文中所描述的致动器中的一个或多个的旋转驱动件。例如，如果一个辊由旋转音圈来驱动且另一辊由步进马达来驱动以实现长行程，则两者可交替地被离合和去离合，以实现长的行程/粗略的运动、且然后精细的致动（也许在一个更有限的范围内）。

本文中所描述的定位系统10、110、210、310可用于多种不同的应用和环境中，包括但不限于在真空环境中使用的坐标测量机、磁盘驱动器、扫描仪和/或台。在一些实施例中，定位系统10提供无损（或接近无损）的旋转-线性转换。例如，定位系统可以是基本上“无摩擦”的系统，其具有比滚珠轴承低约1.0个数量级（即，10x）的摩擦（其他实施例具有其他数量级，包括大于和小于1.0的数量级），并且几乎不需要润滑（例如，不引起重复小扫描运动的降级）、几乎不形成磨损、没有精密零件和/或没有精密预紧力。

在一些实施例中，定位系统10、110、210、310适合于高动态重复运动、具有成本效益、具有长寿命、提供清洁操作、能够经受得住漫长的跟踪/扫描操作、具有高动态性、提供纳米级分辨率和可重复性、是失速安全的、没有移动的电缆和/或为本体14、114、214、314提供长的行进距离。在一些实施例中，定位系统10可控制在一个或多个纳米之内、几乎没有颗粒产生、几乎不引起或不引起本体的迁移、是强健的、是可缩放的和可堆叠的、以及是紧凑的。

在一些实施例中，本文中所描述的定位系统10、110、210、310结合了引导和致动两者，并且具有空气轴承类的摩擦特性。在一些实施例中，定位系统继承了rolamite技术的几乎无粘滞的引导，同时增加了几乎无粘滞的旋转到线性驱动转换。因此，定位系统10、110、210、310独特地提供了高分辨率和高动态以及长的行程、紧凑的尺寸和低的制造成本。如上所述，粘滞是静（剥离）摩擦系数和滑动摩擦系数之间的差。在空气轴承的情况下，该差为零或趋近于零。因此，空气轴承需要很小的力就能开始移动或保持移动。定位系统10、110、210、310也需要很小的力就能开始移动。可能仍然会有损失（例如，空气动力学损失或泵送损失）。然而，可通过为排出的空气提供简单的路径来减轻这些损失，诸如通过对对本文中所描述的定位系统10、110、210、310的辊进行纹理化或对带进行穿孔。

在一些实施例中，定位系统还具有比等效的空气轴承低得多的质量（对于高动态而言是重要的），并且它们的速度能力高得多。例如，开发并测试了具有便宜的dc伺服马达的定位系统10的塑料原型。该原型能够具有7m/sec的速度，这将超越空气轴承的空气垫，从而限制空气轴承高速平移而不打滑和损坏的能力。

在一些实施例中，定位系统的潜在行程范围比任何挠曲件的行程范围都要长得多，并且与挠曲件不同，定位系统可没有变化的恢复力，该恢复力可以根据行程而促成可变的性能。在一些实施例中，制造定位系统的成本效益也比精密挠曲件高得多，并且不需要使用针对重复变形而优化的材料。因此，对于需要高动态、高分辨率和长行程的应用来说，定位系统10、110、210、310是理想的、通用的且使能的机构。

附加地，在一些实施例中，当定位系统10、110、210、310由无摩擦致动器和约束件（诸如，在无损旋转挠曲件中转动的音圈）致动时，压电类（纳米或亚纳米级）分辨率和可重复性是可实现的。然而，可以使用许多其他类型的致动器，包括步进马达、有刷和无刷dc伺服马达以及旋转压电马达。取决于应用，可通过对致动器类型和细节的选取来考虑多个设计变量（包括成本、尺寸、行程、分辨率和系统动态），致动器类型和细节诸如为有刷或无刷、微步进、轴向引导、磁力马达与压电马达、液压、气动等。

在一些实施例中，本文中所描述的辊46、50、146、150、152、156、246、250、252、256、346和/或350中的一个或多个是提供包装优势的圆筒形辊。例如，由于马达/辊可能不平移，因此为了紧凑起见，可将它嵌入（inset）辊内。可将两个反向旋转的致动器部署在一对圆筒件中，或者可将多个致动器分布在呈多辊构型的多个辊对当中，诸如对于尤其是长行程机构可能是期望的。

在竖直应用中，可有必要使定位系统10、110、210、310平衡，例如以防止它们在断电情况下掉落或使致动器摆脱必须克服重力来支撑负载。存在多种常规机构，诸如可为诸如这些组件之类的组件提供必要的准恒定力的气动执行器（airpot）。然而，这些元件一般地增加了摩擦。幸运的是，本文中所描述的定位系统10、110、210、310具有适合于集成时钟弹簧平衡力的辊形式。时钟弹簧（也称为钟表弹簧或恒力弹簧）可因此集成到从动或非从动辊中的一个或多个中，并且可提供基本上无摩擦的、几乎恒力的性能。它们常常在商业基础上廉价地获得，并且是可靠的。可通过缠绕或松开弹簧的设定点来调节时钟弹簧的力以适应特定的负载。因此，沿任一方向的几百度的辊旋转可看到基本上恒定的旋转偏压力，定位系统10、110、210、310自然地将该旋转偏压力转换为线性力。特别地，对于高分辨率应用，由于齿轮产生摩擦，因此这可能比使用齿轮传动马达更可取。将钟表弹簧与本文中所描述的带34、134、234、236、334中的一个进行组合也是可能的，从而减少了零件数量。

在一些实施例中，定位系统10、110、210、310可用于以下各者中：高分辨率台组件；高分辨率致动器；高分辨率并联运动机构（诸如，三脚架和六脚架）；具有支柱致动的负载的准并联运动堆叠组件、高度灵敏的力产生、感测和致动、和/或具有粗略/精细致动。

对于高分辨率台组件，定位系统10、110、210、310的被致动本体14、114、214、314提供了用于堆叠和用于致动的负载的安装表面。多轴线组件容易组装，并且可以起到与任何常规运动台相同的目的，但没有昂贵且高惯性的主轴/螺母组件、轴承、联轴器、止推轴承和其他常规部件，所有这些均促成了零件成本和组装成本。另外，除传统的机加工金属外，还可以使用非常规材料，从而促进了在具有挑战性的环境（诸如，真空和腐蚀性或爆炸性气氛）中的应用。

对于高分辨率致动器，被致动本体14、114、214、314推动、拉动或支撑负载。尽管如此，可提供可预测和可重复的指导作为该机构的固有能力。如果应用需要特别高的分辨率，则可利用无摩擦致动器（诸如，音圈），但是也可使用高质量的马达（通常为直接驱动的，以避免齿轮系摩擦）。

对于高分辨率并联运动机构（诸如，三脚架和六脚架），致动器阵列可并行地支撑工件。再次，分辨率、高动态和长行程的组合可进行组合以实现诸如光子对准和跟踪、扫描计量学和有源光学器件之类的急速（speed-hungry）应用。

对于具有支柱致动的负载的准并联运动堆叠组件，这些机构（诸如，pimicos的“spacefab”构型）通常利用由多种可能的马达驱动的三个常规xy机动化台堆叠。用本文中所描述的定位系统10、110、210、310来替换机动化平台产生了分辨率、成本和动态优势。

对于高度灵敏的力产生、感测和致动应用，由于定位系统10、110、210、310的摩擦力和质量如此之小，因此由安装到定位系统10、110、210、310的探头所赋予的力基本上被限制到由致动器产生的力。对于一些致动器（诸如，音圈），此力会非常低，这在一些超分辨率应用中是期望的。实际上，在具有高分辨率线性位置反馈元件和pi伺服控制器的简单闭环实施方式中，机构（即，包括本体、辊、带、马达等的组件）的有效弹簧力与伺服器的p项增益成比例。因此，对于非常低的p项，机构沿致动方向非常柔软，但沿正交方向很僵硬。因此，机构可以用作高分辨率传感器和力以及位置的产生器。与基于挠曲件的称重传感器（力检测器）不同，致动的行程要大得多，并且来自机构本身的与位置相关的恢复力很小或没有。这些特性进行组合以实现许多有用的应用。例如，在坐标测量机（cmm）（一种用于非常精确地绘制物体等高线的受欢迎的仪器）中，由精密台致动探针，直到观察到接触为止；因此，可以利用集成到cmm台中的位置反馈来绘制所探测的物体的表面。用于实现此目的的策略包括：致动而接触位置编码器并针对接触的偏转签名特性来观察位置编码器，或者以恒力或恒流模式进行致动并观察位置反馈。使此类机构建立在本文中所描述的定位系统10、110、210、310的使用的基础上允许非常精细地检测脆弱表面，诸如绘制微观和宏观装置的等高线、和在半导体、光子和生物应用中以及在需要微克级力检测连同亚微米等高线图分辨率的工业应用中的特征。

对于粗略/精细致动，可驱动不同尺寸的辊46、50、146、150、152、156、246、250、252、256、346和/或350，其中大的辊输送大的行程和高速，而较小的辊提供特别高的分辨率。可以将不同的致动器类型用于所述辊，并且不同的致动器类型可以甚至进行组合以驱动任何辊（例如，用于长行程的步进马达与音圈进行组合以实现高分辨率的精细驱动）。

尽管上文所描述的定位系统10、110、210、310是在旋转到线性转换的上下文中，但是定位系统10、110、210、310也可用于线性到旋转转换。例如，对于轴向地受约束以便保持固定的辊，可致动本体14、114、214、314本身，而不是使用某种旋转致动器来使圆筒形辊旋转。例如，线性马达、线性压电马达或线性螺线管或音圈可以致动本体14、114、214、314。在这种构型中，线性致动将被转换为辊46、50、146、150、152、156、246、250、252、256、346和/或350的高精度旋转运动，这再次具有低质量、高动态和高分辨率的益处。因此，连接到辊面的平台将形成可以代替常规的机动化旋转台或测角计轴线使用的高分辨率旋转台。或者，它可旋转地致动致动器，例如以呈弧形推动和拉动负载，或形成旋转地驱动的六脚架或其他并联运动机构的一条轴线。

尽管已参考某些优选实施例详细描述了本公开，但是在如所描述的本公开的一个或多个独立方面的范围和精神内，存在变化和修改。