CN101924450B - 一种固定音圈电机直驱式x-y微动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线电机直驱的二维微动平台，为一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，包括基座、音圈直线电机、X向运动平台、Y向运动平台、解耦部件和光栅尺等。音圈直线电机直接驱动X-Y二维微动平台；X方向和Y方向音圈直线电机均固接于底座，通过解耦部件实现X向和Y向的运动；利用光栅尺来检测电机位置。本发明为提高运动速度和运动精度，屏弃了传统的旋转电机传动机构，采用直线电机直接驱动；为降低运动惯量，设计了解耦部件，X、Y向直线电机均固定来实现X-Y二维运动；为实现高精度、高稳定性的运动，使用了光栅尺作为反馈元件；体现了高速、高加速度、高精度和高稳定性，可应用在高速自动化设备、电子与半导体加工设备和激光加工设备等领域。

Description

一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台

技术领域

本发明涉及一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台。该微动平台具有运动部件解耦的特点使其快速响应、准确定位和高可靠性的性能较一般联动式X-Y微动平台更加优越，可应用于电子与半导体加工设备和激光加工设备及其高速自动化加工设备等领域。

技术背景

近年来，随着精密制造技术、微电子技术和数控技术等先进制造技术迅速发展，高速度、高精度的需求日益紧迫，成为当前先进制造技术发展的主要趋势。以X-Y二维微动平台为例，在实际应用中多数采用联动式的X-Y二维微动平台，即旋转电机-丝杠-螺母机构、旋转电机-齿轮齿条机构等形式，这些中间传动机构通常都有结构复杂、传动间隙大、摩擦力大、传动效率低、速度和加速度较小等问题，旋转电机-丝杠-螺母机构最大加速度受到限制。而采用高精度、高速度的直线电机，不仅可以省去了中间传动环节，避免了中间传动环节带来的诸多问题，而且直接驱动还可以获得高精度、高速度和高稳定性的位移运动，最大加速度是旋转电机-丝杠-螺母机构的2-3倍以上。另一方面，常见的联动式X-Y二维电机驱动平台通常是一台(维)电机静止，另一台(维)电机是随运动平台随动的，这样无疑会增加X-Y二维电机驱动平台的运动惯量，影响到高速度、高精度和高稳定性等性能。而通过部件解耦，采用两直线电机都固定的方式，即在X-Y二维直线电机驱动平台运动过程中X-Y二维直线电机各自都是处于静止不动的，仅是二维直线电机各自的动子作直线运动，这样能够显著地降低X-Y二维直线电机驱动平台的运动惯量，降低了其对X-Y二维微动平台高速度、高精度和高稳定性的影响。

发明内容

本发明提出了一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，该微动平台结构简单，减小了微动平台的运动惯量，改善了微动平台的动态特性，并且具有效率高、精度高、响应速度快的特点。

本发明提供的一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，其特征在于，它主要包括底座、X向音圈直线电机、Y向音圈直线电机、X向运动平台、Y向运动平台、解耦部件、X向直线光栅尺尺带、X向光栅读头、Y向直线光栅尺尺带、Y向光栅读头；

X向运动平台由X向运动平台基板和两个直线导轨副组成，两个直线导轨副平行于X轴向安装；Y向运动平台由Y向运动平台基板和两个直线导轨副组成，两个直线导轨副平行于Y轴向安装；解耦部件由解耦部件基板和两个直线导轨副组成，两个直线导轨副平行于X轴向安装；

X向音圈直线电机和Y向音圈直线电机都固定安装在底座上；X向运动平台通过支撑座固定安装在底座上，其中X向运动平台基板与支承座和直线导轨副中的导轨固结；第一联轴器联接X向推力板和X向音圈直线电机，X向推力板与连接板固接；X向运动平台只能在X向做往复运动；

Y向运动平台通过Y向运动平台基板安装在X向运动平台上，直线导轨副中的导轨与连接板固结，滑块与Y向运动平台基板固结；解耦部件位于Y向运动平台上方，直线导轨副的导轨与工件平台固结，滑块与解耦部件基板固结，工作平台与连接板固结；第二联轴器联接Y向推力板和Y向音圈直线电机，Y向推力板固接在解耦部件基板上；

X向音圈直线电机的轴末端安装X向直线光栅尺尺带和X向光栅读头，Y向音圈直线电机的轴末端安装Y向直线光栅尺尺带和Y向光栅读头。

在X-Y微动平台运动过程中X向和Y向音圈电机均固定不动的，音圈直线电机直接驱动工作台，有两个自由度，即X方向和Y方向的直线往返运动，行程范围为±5mm。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)采用音圈直线电机直接驱动X-Y微动平台，省去了旋转电机驱动方式的中间传动环节，简化了机械结构，提高了X-Y微动平台的效率、响应速度和精度。

(2)采用解耦部件，保证了X向和Y向音圈直线电机在X-Y微动平台运动过程中是静止的，只有电机轴在相应方向做往返直线运动。与传统X-Y工作平台相比，减小了微动平台的运动惯量，改善了微动平台的动态特性。

(3)采用直线光栅作为位置反馈元件，实时检测X-Y微动平台的位置，形成闭环控制，保证了X-Y微动平台的高速、高精度运动。

附图说明

图1是固定音圈电机直驱式X-Y微动平台俯视结构图；

图2是固定音圈电机直驱式X-Y微动平台侧视结构图；

图3是X向光栅尺安装结构框图；

图4是X向光栅尺支架和支架安装示意图，其中，(4.1)为装配前，(4.2)为装配后。

具体实施方式

本发明所提出的固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，如图1所示，主要包括底座7、X向音圈直线电机13、Y向音圈直线电机3、X向运动平台10、Y向运动平台8、解耦部件6、X向直线光栅尺尺带14、X向光栅读头15、Y向直线光栅尺尺带1、Y向光栅读头2等组成。如图2所示，X向运动平台10由X向运动平台基板9和两个直线导轨副17组成，两个直线导轨副17平行于X轴向安装；Y向运动平台8由Y向运动平台基板18和两个直线导轨副19组成，两个直线导轨副19平行于Y轴向安装；解耦部件6由解耦部件基板20和两个直线导轨副21组成，两个直线导轨副21平行于X轴向安装。

X向音圈直线电机13和Y向音圈直线电机3都固定安装在底座7上，即在X-Y微动平台运动过程中X向音圈直线电机13和Y向音圈直线电机3都是固定不动的，只有X向音圈直线电机13和Y向音圈直线电机3的电机轴在相应的方向做直线往返运动。与传统X-Y工作平台相比，两台直线电机都固定，X-Y向运动是相互独立的，这在一定程度上降低了X-Y微动平台的运动惯量，改善了X-Y微动平台的动态特性。

X向运动平台10通过支撑座16固定安装在底座7上，其中X向运动平台基板9与支承座16和直线导轨副17中的导轨固结。第一联轴器12联接X向推力板11和X向音圈直线电机13，X向推力板11与连接板23固接。X向运动平台只能在X向做往复运动。

Y向运动平台8通过Y向运动平台基板18安装在X向运动平台10上，直线导轨副19中的导轨与连接板23固结，滑块与Y向运动平台基板18固结。解耦部件6位于Y向运动平台8上方，直线导轨副21的导轨与工件平台22固结，滑块与解耦部件基板20固结，工作平台22与连接板23固结。第二联轴器4联接Y向推力板5和Y向音圈直线电机3，Y向推力板5固接在解耦部件基板20上。Y向运动平台8既可随X向运动平台10在X向做往返运动，也可以在Y向方向做往返运动。

X向音圈直线电机13的轴末端安装X向直线光栅尺尺带14和X向光栅读头15，Y向音圈直线电机3的轴末端安装Y向直线光栅尺尺带1和Y向光栅读头2，从而实现了精确的位置检测。

下面列举一种优选的方式具体说明X向光栅尺14和X向光栅读头15的安装方式：

如图3所示，X向音圈直线电机13定子的两处偏心位置分别装有直线轴承24和光栅读头支架27，导向轴25与直线轴承24配合。X向光栅读头15安装在光栅读头支架27上。光栅尺支架26固定安装在X向音圈直线电机13的电机轴和导向轴25上，X向光栅尺尺带14固定安装在光栅尺支架26上，以保证X向直线电机13的动子部分在向直线运动时不发生旋转运动；同时选择合适的偏心位置使得光栅尺和光栅读头安装在规定的配合范围之内，可实现电机运动的精确测量。

为了使光栅尺支架26与X向音圈直线电机13的电机轴和导向轴25可靠连接，采用抱紧方式。如图4.1所示，光栅尺支架26由夹杆28、29组成，夹杆28上端有安装光栅尺的凹槽，夹杆28和夹杆29由两个螺钉30和螺钉31夹紧(如图4.2所示)。光栅尺支架26上有两个比电机轴和导向轴略小的孔，用来抱紧X向音圈直线电机13的电机轴和导向轴25，实现可靠连接。

Y向光栅尺尺带1和Y向光栅读头2的优选安装方式与X向光栅尺尺带14和X向光栅读头15的安装方式相同。

如图1和图2所示，X向音圈直线电机13通过X向推力板11和连接板23推动工作平台22、X向运动平台10和Y向运动平台8在X轴向做往复直线运动。与此同时，工作平台22带动直线导轨副21中的导轨在滑块中沿X向做往复直线运动，而滑块保持静止，因此解耦部件基板20、Y向推力板5和Y向音圈直线电机3都可保持静止状态。当Y向音圈直线电机3通过Y向推力板5推动Y向运动平台8在Y轴向做往复直线运动时，直线导轨副19中的导轨在滑块中沿Y方向滑动，直线导轨副19中的滑块保持静止(因为受到X向运动平台10中直线导轨副17滑块的限制，不能再Y方向运动)，从而实现Y向运动平台8在Y向的往复直线运动。当X向音圈直线电机13和Y向音圈直线电机3同时运动时，按照上述运动过程，就可实现X-Y方向的运动。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，其特征在于，它包括底座(7)、X向音圈直线电机(13)、Y向音圈直线电机(3)、X向运动平台(10)、Y向运动平台(8)、解耦部件(6)、X向直线光栅尺尺带(14)、X向光栅读头(15)、Y向直线光栅尺尺带(1)、Y向光栅读头(2)；

X向运动平台(10)由X向运动平台基板(9)和X向运动平台的两个直线导轨副(17)组成，X向运动平台的两个直线导轨副(17)平行于X轴向安装；Y向运动平台(8)由Y向运动平台基板(18)和Y向运动平台的两个直线导轨副(19)组成，Y向运动平台的两个直线导轨副(19)平行于Y轴向安装；解耦部件(6)由解耦部件基板(20)和解耦部件(6)的两个直线导轨副(21)组成，解耦部件(6)的两个直线导轨副(21)平行于X轴向安装；

X向音圈直线电机(13)和Y向音圈直线电机(3)都固定安装在底座(7)上；X向运动平台(10)通过支撑座(16)固定安装在底座(7)上，其中X向运动平台基板(9)与支承座(16)和X向运动平台的直线导轨副(17)中的导轨固结；第一联轴器(12)联接X向推力板(11)和X向音圈直线电机(13)，X向推力板(11)与连接板(23)固接；X向运动平台只能在X向做往复运动；

Y向运动平台(8)通过Y向运动平台基板(18)安装在X向运动平台(10)上，Y向运动平台的直线导轨副(19)中的导轨与连接板(23)固结，滑块与Y向运动平台基板(18)固结；解耦部件(6)位于Y向运动平台(8)上方，解耦部件(6)的直线导轨副(21)的导轨与工件平台(22)固结，滑块与解耦部件基板(20)固结，工作平台(22)与连接板(23)固结；第二联轴器(4)联接Y向推力板(5)和Y向音圈直线电机(3)，Y向推力板(5)固接在解耦部件基板(20)上；

X向音圈直线电机(13)的轴末端安装X向直线光栅尺尺带(14)和X向光栅读头(15)，Y向音圈直线电机(3)的轴末端安装Y向直线光栅尺尺带(1)和Y向光栅读头(2)。

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