CN102227160A - 带有减少移动质量的直驱xyz轴定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，包括：一平面电机；和一Z轴电机；所述平面电机包括一X线圈电机和一Y直线无刷电机，分别对应提供X方向和Y方向上的力，Z轴电机提供Z方向上的力。本发明不像是常规的XYZ轴定位系统，无论轴是否耦合或者解耦，其使用了平面电机代替了两个执行器，简化了设计，使它更紧凑。制作一个平面电机的成本也低于制作两个单独的执行器并且更少的材料需求。而且由于本发明所需连接件的减少，也减少了制造和装配的投入，因为在组装时的加工误差，校直误差和堆栈误差也会减少。

Description

带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统

技术领域

本发明涉及一种XYZ轴贴片系统，其用于微型装置的选择和安装，例如半导体、LED以及光学元件，特别是涉及一种带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统。

背景技术

直驱执行器(例如直线电机)近年来已经得到普及，特别是用于制造电子元件和半导体的设备。众所周知，采用直驱的优势是高加速度，高速度，高精度，减少移动质量，没有复杂传输系统的简化设计，同时移动部件与传输机制也没有任何磨损和裂缝，具有较好的可靠性。

然而，效果不太明显或不太注意的一个优点就是通过使用直驱增加了运动系统的刚性。没有传输装置例如滚珠丝杆，皮带或者联轴器，直接驱动负载改进了运动系统的刚性。更好的刚性效果导致较短的整定时间，实质上它在运动系统的性能里是一个重要的参数。例如，移动一个负载5mm的短距离并且加速度为6G，位置公差在目标位置上要在正负10微米里，如果需要17ms时间来完成运动，一个刚性系统可以使整定时间在大约在1ms，尽管一个更兼容或者更灵活的系统能使整定时间在10ms，相对于刚性系统来说要10倍的时间。一个柔性系统往往有震动，特别是在运动的结束，系统需要带有非常急剧的减速度而停下。这就是刚性系统和柔性系统性能的不同点，但也是非常重要的，并且这样的一个性能上的巨大区别最终会影响到制造业中一台机器的生产力。

因此，一个直驱的理想设计(例如一个直线电机系统)是能到达尽可能高的刚性。除了最好材料(受限于成本)的选择来实现较高的刚性，应该在设计中使用最小的部件，因为更多的连接件意味着更好的柔度和灵活度。与一个系统的刚性相关，另一个在设计中考虑的重要领域是采用通过或者关闭负载质量的重心定位力线。这会降低在高加速度和减速度之间的瞬间负荷的效果。当驱动力和负载的质心通过一个大距离互相抵消，产生一个巨大的力矩并且它会导致系统弯曲和震动，因此增加了需要运动的整定时间。一个刚性的系统会被这种力矩负载减少影响，并且一个带有更多连接件的柔性系统会有更多的不利影响。刚性并且系统在驱动力效果方面被设计的程度如何，称为系统闭环带宽。很多通常可得到的运动控制卡包括运算和功能，其允许我们作一个系统上的频率响应测试来获得系统闭环带宽。一个带有负载的刚性系统靠近重心驱动，趋向于有较高的带宽并且这样一个系统运动的整定时间也会较短。

直驱的优势例如直线电机是明确的并且令人信服的，不像滚珠丝杆驱动系统或者带滑轮的皮带驱动系统，一个直驱系统有一个不利之处就是没有任何机械上的优势，也就是说它必须直接驱动负载。直驱的限制和特点意味着移动质量应该被尽可能的减少，从而尽可能的达到更高的动态性能。

一个使用减少负载质量的方法是通过执行器的解耦。“解耦”意思是在结构里分离2个执行器，它会使2个执行器同时工作并且一个执行器的整个重量是没有被另一个支撑或者支持。有效解耦不能降低执行器的数量。这仅仅是一个较好的方法来安排执行器和引导运动的轴承。代替安装整个执行器在另一个执行器移动的支撑架上，它将意味着要支持整个重量。当另一部分安装在一个固定支承上，解耦效果执行器意味着仅仅执行器的重量部分被支撑着。很多机制在以前已开发了解耦执行器，如图1所示的，在一个XYZ轴定位系统通过3个执行器进行解耦。

在图1中，一个笛卡尔坐标系的坐标轴是带有X，Y，Z轴的记号。3个直线电机配置来提供X，Y，Z轴的运动。在后端的设备是X直线电机。X直线电机15是固定在一个基座，线圈(图中暂未表示)在X轴方向移动X工作台16(形状为长方形的)。X工作台16是为了Y轴的支撑结构，它连接Y轴到X轴。Y轴的导轨固定在X工作台16上，并且Y轴的滑块沿着这个导轨滑动，并连接到Y工作台17。Y工作台17是另一个连接件或支撑结构。它也是连接到Y轴电机线圈。Y轴直线电机定子18是固定在固定机座19上。Y轴工作台17也是支撑着Z轴导轨。固定在这些导轨上的是滑块和Z轴的Z工作台20。末端效应器21和Z电机线圈是旋转连接到Z轴工作台20。Z电机定子22是固定在固定机座19上。

每个线圈的摘要，以及它们连接件和需要驱动的部件如下面表一所示。

表一

力如何通过下一个接口/连接件从每个电机线圈来传送到末端效应器的摘要，如下面表二所示。

表二

现有技术可以减少系统的移动质量，主要是通过不移动每个电机定子。因为磁铁和磁轨板的质量，定子相对来说是比较重的。因此，有效的减少了移动部分的质量。然而，可以从表一看到，还包括很多移动部件。其中的一些部件对于质量是毫无意义的，例如X工作台，如图1所示。一个有效地梁，它需要支持Y轴整个长度的导轨。此外，利用那么多连接件，会连累到系统的刚性，特别是当大部分的部件是通常是由紧固件连接的。也可以从表二看出，每个电机线圈的力在最终到达末端效应器之前也必须通过多个连接件来传递的。进一步的观察这样的解耦设计，其很难通过负载重心的力驱动带有所有互联的部件，内在配置和执行器的位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其通过使用直驱电机来改良一个XYZ轴系统的性能。

本发明的具体技术方案如下：一种带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，包括：

一平面电机；和

一Z轴电机；

所述平面电机包括一X线圈电机和一Y直线无刷电机，分别对应提供X方向和Y方向上的力，Z轴电机提供Z方向上的力。

本发明中，所述线圈在尺寸上小于磁铁，每个轴在完成所需要的行程或移动时具有以下关系：

Sx＝Lx1-Cx1；

Sy＝Ly1-Cy1；

Sx是X轴的最大行程；

Sy是Y轴的最大行程；

Lx1是在X方向两排磁铁边缘之间的距离；

Ly1是在Y方向两个极端磁铁边缘之间的距离；

Cx1是在X方向上的X线圈的宽度；

Cy1是在Y方向上的Y线圈的长度。

本发明中，所述线圈在尺寸上小于磁铁，其必须满足以下关系：

Lx2-Cx2≥Sy；

Lx2是X磁铁每排的总长；

Cx2是在Y方向上X线圈的长度。

本发明中，所述线圈在尺寸上小于磁铁，其必须满足以下关系：

Ly2-Cy2≥Sx

Ly2是每个Y磁铁的总长度；

Cy2是在X方向上Y线圈的宽度。

本发明中，所述平面电机直接连接到所述Z轴电机。

本发明中，还包括一气浮轴承，通过所述气浮轴承引导X方向和Y方向上的运动。

本发明中，还包括一直线轴承，所述直线轴承用于引导在X方向和Y方向上所述平面电机的运动。

本发明具有的有益效果：本发明不像是常规的XYZ轴定位系统，无论轴是否耦合或者解耦，其使用了平面电机代替了两个执行器，简化了设计，使它更紧凑。制作一个平面电机的成本也低于制作两个单独的执行器并且更少的材料需求。而且由于本发明所需连接件的减少也减少了制造和装配的投入，因为在组装时的加工误差，校直误差和堆栈误差也会减少。而制造两个线圈在一个固体部分上，平面电机可以很简单的安装。

另外，为了引导这两个轴额度运动也有可能使用空气轴承，因此进一步简化了设计。仅仅需要一套气浮轴承的两个轴，实现了一个非常紧凑的设计。

自从用平面电机的两个平面电机的线圈嵌入到一块实心的金属上，通常用于连接一个电机线圈到另一个电机线圈、或者其他的移动部件的工作、或者支撑结构都可以被删除。本发明少了需要部件的数量，因此也减少移动质量。随着质量的减少，用同样数量的电机力可以实现更高的加速度，因此本发明能转化更好的性能。

更重要的是，随着连接部分的缩减，整个运动系统的刚性改善了。随着较好的刚性，可以达到更高的加速度，在运动结束后带有更短的整定时间。

此外，随着平面电机的设计，电机力作用在非常靠近整个负载质量的重心。本发明能够减少在高加速度和减速度时瞬间负荷可能引起震动。因此，使电机力靠近重心驱动能得到更好的动态性能。

附图说明

图1是现有技术的解耦执行器的结构图；

图2是本发明平面电机的切割横穿线圈部分的剖面图；

图3是本发明平面电机的等距视图；

图4是本发明XYZ轴系统的侧面图；

图5是本发明使用机械轴承来引导X和Y方向上的平面电机的结构图。

【图号对照说明】

1X线圈               2Y线圈

3磁铁                4磁铁

5末端效应器          6定子

7平面电机线圈        8滑块

9a顶部气浮轴承       9b底部气浮轴承

10导轨               11电机线圈

12定子               13X方向

14Y方向              15X直线电机

16X工作台            17Y工作台

18Y轴直线电机定子    19固定机座

20Z工作台            21末端效应器

22Z电机定子

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明所述带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，代替使用三个隔离的传动器，一个平面电机用来提供2个轴的运动，第三个执行器保持独立并且和平面电机分离的。下面的图2示出了平面电机的切割横穿线圈部分的剖面图，底部的磁轨和磁铁如所示与顶部的线圈重叠，顶部的磁轨板没有在这个说明里被显示出。

平面电机包括2套线圈在单个平面里，并且组装在单块可以是陶瓷，铝或者其它合适材料的固体材料。X线圈1包含一个单相，实际上是一个音圈电机。另一方面Y线圈2包含三相，因此实际上它是一个三相无刷电机。为了每个磁轨板(顶部和底部的)，2套磁铁3和4被装配起来。对于X轴的磁铁3包括两排，每个整排带有同样的极性，而对于Y轴的磁铁4有在Y轴的方向交替的极性。

X线圈1和Y线圈2被设计成比磁铁更小，使线圈的电阻减少到最小并且改善电机的效率。本领域技术人员也应考虑到本发明也可以设计成比磁铁更大的线圈。随着线圈小于磁铁，并且对于每个轴带有最大的行程或者移动的设计测定，可以建立以下的关系：

Sx＝Lx1-Cx1；

Sy＝Ly1-Cy1；

Sx是X轴的最大行程，Sy是Y轴的最大行程；

Lx1是在X方向两排磁铁边缘之间的距离；

Ly1是在Y方向两个极端磁铁边缘之间的距离；

Cx1是在X方向上X线圈的宽度；

Cy1是在Y方向上Y线圈的长度。

可以观察到，对于X轴，即使它2个线圈的部分比较长并且平行于Y轴，会在X方向上产生所需要的力。2个较短的线圈部分，平行于X轴也会在Y轴方向产生力。这些力是不可取的，它们会影响本发明在Y轴方向从Y线圈得到的力(增加或者减去)。然而，只要X线圈停留在X磁铁内，这个线圈的一边产生力，将会由线圈另一边产生的相反的力相互抵消了。为了确保这种情况，本发明需要确定X线圈总是在2排磁铁里，甚至在Y轴的2个极端行程。

因此，Lx2-Cx2≥Sy；

Lx2是X磁铁每排的总长；

Cx2是在Y方向上X线圈的长度。

同样地，垂直于Y轴的Y轴线圈部分当电流在其流动时会产生所需的力。另一部件平行于Y轴也产生力，但是由相反的线圈部件互相抵消。为了防止任何不合需要的会影响电机正当运作的力，本发明也会需要确定以下：

Ly2-Cy2≥Sx；

Ly2是每块Y磁铁的总长度；

Cy2是在X方向上Y线圈宽度。

应该也是被注意到，在X和Y方向上的行程可以比Sx和Sy少，允许最大行程。

图3示出了平面电机的等距视图，其描述了初期的带有一个Z轴电机的配置。与现有的工艺相比，该设计是更紧凑和简化。参考图4，图4是XYZ轴系统的侧面图，平面电机放置在几乎和末端效应器同一水平位置，定子6固定在一个平稳的水平基底上。平面电机线圈7向末端效应器延伸，并且Z轴的滑块8是直接固定在电机线圈7的末端的线圈表面上。

因此，没有X工作台和Y工作台(附加的支撑结构)使用在设计中。四个气浮轴承垫用来引导X轴和Y轴的运动。顶部气浮轴承9a和底部气浮轴承9b允许线圈在X轴和Y轴的2个方向滑动，而制约了它在Z方向的移动。这允许我们为了2个运动轴只使用一套轴承。无触点激光反馈传感器是用于X轴和Y轴方向的定位反馈，并且一个闭环运动控制卡用来控制运动。X电机闭环控制将会确保线圈总是在所设计的行程内并且同样适用于Y电机。硬限位作为限位来防止万一控制器出问题或者电源发生故障时任何超出的行程，虽然这些并没有在图纸上显示出。Z轴的导轨10也是直接安装在Z轴的直线电机线圈11上，并且这个导轨指引安装在平面直线电机线圈7的滑块8。Z轴的定子12是安装在一个稳定的支承上。

如图4所示，CG1表明了Z轴负载的重心(负载包括末端效应器5、导轨10以及Z电机线圈11)，而CG2表明了整个移动重量的重心。整个移动质量包括末端效应器5，导轨10，Z电机线圈11，滑块8和平面电机线圈11。可以观察到，力Fz的作用路线从Z轴电机线圈通过到CG1，这意味本发明有效的在Z方向通过负载质量的重心驱动力。同样地，从X方向上的平面电机线圈来的力Fx的作用路线，几乎也是驱动在同样的CG2所在的位置。位于Y线圈中心的力Fy的作用路线和CG2有点小偏差。因此，以这个设计，本发明能尽可能地设置驱动力靠近负载的重心。

以上述的配置，本发明不仅是移动质量减少了，移动部件的数量，尤其是那些所需要的支撑和连接也明显的减少了。

力如何通过下一个接口/连接件从每个电机线圈来传送到末端效应器的摘要，如下面的表三所示。

表三

随着为了X和Y的移动支持结构的排除，从每个电机线圈来的力更直接的传递到了负载，导致了更高刚性的系统，更少瞬间负载和更低的移动质量，允许更高加速度和较短的整定时间。

更好的是使用气浮轴承来引导在X和Y方向上的运动，因为它简单并且是无摩擦运动，也可能使用机械轴承来引导X和Y方向上的平面电机。如图5所示，平面电机线圈7是由2套直线轴承，13是引导在X方向上的，14是引导在Y方向上的。利用该方法，在移动负载的重心没有任何明显改变，并且平面电机线圈仍然直接驱动Z轴负载就像在先前改良的方案里描述的。

应该注意到，平板电机和Z电机的排列是本发明的例子。其他可想象的组合是可能的，例如将平板电机放置在一个垂直的平面上，并且具有第三轴与平板电机垂直，在不同的方法里来提供XYZ轴运动。而且，这样的变化和修改属于本发明描述的本质和范围。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其特征在于，包括：

一平面电机；和

一Z轴电机；

所述平面电机包括一X线圈电机和一Y直线无刷电机，分别对应提供X方向和Y方向上的力，Z轴电机提供Z方向上的力。

2.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其特征在于，所述线圈在尺寸上小于磁铁，每个轴在完成所需要的行程或移动时具有以下关系：

Sx＝Lx1-Cx1；

Sy＝Ly1-Cy1；

Sx是X轴的最大行程；

Sy是Y轴的最大行程；

Lx1是在X方向两排磁铁边缘之间的距离；

Ly1是在Y方向两个极端磁铁边缘之间的距离；

Cx1是在X方向上的X线圈的宽度；

Cy1是在Y方向上的Y线圈的长度。

3.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其特征在于，所述线圈在尺寸上小于磁铁，其必须满足以下关系：

Lx2-Cx2≥Sy；

Lx2是X磁铁每排的总长；

Cx2是在Y方向上X线圈的长度。

4.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位，其特征在于，所述线圈在尺寸上小于磁铁，其必须满足以下关系：

Ly2-Cy2≥Sx

Ly2是每个Y磁铁的总长度；

Cy2是在X方向上Y线圈的宽度。

5.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其特征在于，所述平面电机直接连接到所述Z轴电机。

6.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其特征在于，还包括一气浮轴承，通过所述气浮轴承引导X方向和Y方向上的运动。

7.根据权利要求1所述的带有减少移动质量的直驱XYZ轴定位系统，其特征在于，还包括一直线轴承，所述直线轴承用于引导在X方向和Y方向上所述平面电机的运动。

Images