CN102951607A

CN102951607A - 磁悬浮式定位平台

Info

Publication number: CN102951607A
Application number: CN2012104946348A
Authority: CN
Inventors: 马树元; 谢虎; 王伟明; 闪明才; 黄杰; 宋谦
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: CN102951607B

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮式定位平台结构，它包括磁悬浮式平台基座，两组上定子绕组，两组下定子绕组线圈，运动平台，四块永磁阵列，三个柔性支撑，工作平台，永磁涡流阻尼器。两块永磁阵列安装在移动平台的下方，对称布置，与两组下定子绕组线圈作用，构成一组斥力型直线电机。另外两块永磁阵列安装在移动平台的上方，对称布置，位置同下方的两块永磁阵列错开九十度，与两组上定子绕组线圈作用，构成一组吸力型直线电机，两组电机同时作用实现平台的六自由度的运动。与直线电机直接作用的移动平台通过三个柔性支撑同工作平台连接。永磁涡流阻尼器安装在移动平台下方。本发明主要适用于大行程的纳米加工、定位、测量以及组装等微纳米制造领域。

Description

磁悬浮式定位平台

技术领域

本发明涉及一种纳米级定位平台，尤其涉及采用磁悬浮式直线电机驱动的纳米定位平台，属于微纳米制造领域。

背景技术

纳米技术的发展给人们的生产、生活和安全方面带来的变化将是无法估量的，它已经并将继续对信息技术、计算机技术、生物医学以及国防领域等方面产生巨大的影响。在国家数控机床发展战略中，对超精密装备给予了高度重视，要求集成电路光刻机具有22nm的曝光系统，运动平台的定位误差小于2-3nm，光学镜面精度为1-3nm，硅片表面粗糙度小于0.5A。这些技术的实现都需要大行程纳米精度定位平台。针对目前纳米定位采用压电陶瓷只能实现微小范围定位的问题，提出采用Halbach磁阵列构建夹层结构磁悬浮平台，实现大行程二维定位的方案。

二维移动平台所采用的结构形式主要是柔性支撑式运动平台、气浮式运动平台、磁悬浮式运动平台和导轨加柔性支撑的二级驱动机构。最常见的是以压电陶瓷PZT作为驱动部件的柔性支撑机构微动平台，然而，要实现大范围(指毫米量级运动范围)纳米级精度的运动时，柔性支撑和压电陶瓷结合的机构难以满足要求，不能同时实现纳米级精度和大运动范围。而导轨加柔性支撑的二级驱动机构可以实现大行程定位，但由于是二级控制，要对控制进行级间切换，降低了定位速度，并且要实现二维运动，仍然无法避免两轴之间的机械结构误差和阿贝误差带来的影响。磁悬浮纳米定位机构方面的研究证明可以实现纳米级定位精度，但目前也没有同时具有大运动范围和纳米级定位精度的成熟成果。大行程的磁悬浮高精度定位平台主要采用直线电机作为水平驱动，结构上一般采用悬浮力和水平推力由同一部件提供的方式。

另外，磁悬浮平台虽然具有非接触，无摩擦等优点，但整个系统的阻尼比很小，因此需要加入阻尼装置提高磁悬浮平台系统的阻尼比。阻尼装置可分为接触摩擦型和非接触无摩擦两种。典型的非接触无摩擦阻尼装置为涡流阻尼器，因其原理简单、无摩擦和高可靠性等优点而在不同领域得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁悬浮式定位平台，不仅能拥有毫米级的移动范围，同时还能达到纳米级的定位及制造要求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明利用上下两组定子绕组线圈与移动平台上下两表面内嵌的永磁阵列相互作用产生电磁力，将移动平台和与之通过柔性支撑连接构成夹层结构的工作平台，一起悬浮并产生共六个自由度的运动。同时，为了克服磁悬浮平台惯性大，振动强的不足，利用永磁体与铜片之间的涡流阻尼作用，设计了永磁涡流阻尼器，实现运动平台的平稳运动。

本发明包括平台基座，两组上定子平台及绕组线圈，两组下定子平台及绕组线圈，移动平台，三个柔性支撑，测量平台，四组永磁阵列，一块铜片，四块永磁体，一个永磁涡流阻尼器基底。在移动平台的上表面沿Ｘ方向分别内嵌第一永磁阵列和第二永磁阵列，在移动平台的下表面沿Ｙ方向分别内嵌第三永磁阵列和第四永磁阵列，在第一、第二永磁阵列的上方有与之相互作用的上定子绕组线圈，并固定在上定子平台中，在第三、第四永磁阵列的下方有与之相互作用的下定子绕组线圈，并固定在下定子平台中。移动平台通过三个以平台为中心呈120度均匀分布的柔性支撑与上方的工作平台连接。移动平台的下方固定一块铜片，铜片的下方是四块均匀分布的固定在永磁涡流阻尼器底座上的四块永磁体，永磁涡流阻尼器底座内嵌在磁悬浮式纳米定位平台的基座内。

附图说明

图1是磁悬浮式定位平台总体结构示意图（前视图）。

图2是移动平台示意图（上视图）。

图3是移动平台和工作平台通过柔性支撑连接的示意图（前视图）。

图4是永磁涡流阻尼器的示意图（前视图）。

图5是磁悬浮式定位平台总体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，磁悬浮式定位平台包括平台基座1，两块下定子平台10，两组下定子绕组线圈13，两块上定子平台3，两组上定子绕组线圈4，移动平台2，工作平台5，三个柔性支撑6，两组上永磁阵列7，两组下永磁阵列11，铜片9，涡流阻尼器永磁体8，永磁涡流阻尼器底座12。移动平台2在两对上定子绕组线圈4和上永磁阵列7的作用，以及下定子绕组线圈13和下永磁阵列11的作用下可以产生六自由度的运动，工作平台5通过3个以平台圆心为中心呈120度均匀分布的柔性支撑6连接；为了实现整体结构的小型化，将系统的运动机构和测量机构分开，移动平台完成六自由度运动的功能，工作平台完成纳米级测量、装配及定位的功能，移动平台和工作平台通过柔性支撑构成了夹层结构的磁悬浮纳米定位平台。

如图2所示，十字形状的移动平台上表面X方向上内嵌两个永磁阵列7，下表面Y方向上内嵌了两个永磁阵列11。移动平台是直接产生运动的部件，上表面的两个永磁阵列7对应着位于上定子平台3上的上定子绕组线圈4，永磁阵列产生的磁场和带电的定子绕组线圈相互作用产生电磁力，解耦之后分解，一个是推动移动平台沿着Y方向平动的水平驱动力F_y，同时产生沿Z方向向上的吸力F_z1，为移动平台的磁悬浮状态提供吸力，构成两个吸力型直线电机。下表面的两个永磁阵列11对应着位于下定子平台10的下定子绕组线圈13，同样相互作用并解耦之后分解，一个是推动移动平台沿着X方向平动的水平驱动力F_x，同时产生沿着Z方向向上的斥力F_z2，为移动平台的磁悬浮状态提供斥力，构成两个斥力型直线电机。在上方吸力和下方斥力的共同作用下，移动平台保持磁悬浮的状态，调整上下定子绕组线圈中电流的大小即可以改变悬浮的高度，实现Z方向的运动。上面的吸力型直线电机负责一个方向的水平运动，下面的斥力型直线电机负责另一个方向的水平运动。

如图3所示，移动平台2和工作平台5之间通过柔性支撑6连接，组成磁悬浮式纳米定位平台的运动部件。工作平台5通过3个以平台圆心为中心呈120度均匀分布的柔性支撑6连接，随移动平台一起运动；由于采用上吸下斥磁悬浮方式，为实现纳米精度和毫米行程的测量和装配，通过柔性支撑将移动平台和测量平台连接起来，保证测量平台能够同步的实现六自由度的运动，并且由于永磁阵列和定子绕组线圈组成的直线电机工作产生大量的热，能够通过移动平台不均匀的分布开来，为了减小这种热效应产生的热应力导致的变形不均匀，消除移动平台和工作平台之间的变形误差，采用柔性支撑对称布置连接移动平台和测量平台，起温度补偿作用。

如图4所示，永磁涡流阻尼器由薄铜片9，永磁体8和基底12组成。将薄铜片9固定在移动平台2下方中心处，薄铜片的下方为四块均匀分布的放在永磁涡流阻尼器基底上的四块正方体永磁体。当薄铜片随着移动平台在永磁体产生的磁场中做相对运动时，薄铜片中的电子受到洛伦兹力的作用，将在薄铜片中产生电动势，而薄铜片内感应电流将与所在区域内的磁场发生相互作用，产生与薄铜片运动方向相反的力，即涡流阻尼力。磁悬浮平台基本属于无阻尼系统，平台在定位过程中容易发生振荡，且绕组会产生高次谐波，影响系统的控制品质，永磁涡流阻尼器可以改善磁悬浮系统的控制特性。

如图5所示，磁悬浮式定位平台可以产生六自由度的运动，具体为沿Z方向的平动，沿X方向的平动，沿Y方向的平动，绕Z轴的转动，绕X轴的转动和绕Y轴的转动。实现方法为：

1)沿Z方向的平动：将上定子平台3中的绕组线圈4通电，产生的电磁场同两组永磁阵列7产生的磁场相互作用产生电磁力，增大绕组线圈中的电流，则上面两个吸力型直线电机沿Z方向的吸力F_z1增大，同时，将下定子平台10中的绕组线圈13通电，产生的电磁场同两组永磁阵列11产生的磁场相互作用产生电磁力，增加绕组线圈中的电流，则下面两个斥力型直线电机沿Z方向的斥力F_z2增大，在两方面的共同作用下，夹层结构的平台沿Z轴正方向运动。反之，F_z1和F_z2同时减小，平台沿Z轴反方向运动。

2)沿X方向的平动：将两组定子平台中的绕组线圈通电，控制上定子平台3中的绕组线圈4中电流的大小和方向，使两个吸力型直线电机只产生吸力F_z1，控制下定子平台10中的绕组线圈13中的电流，使其大小和方向一致，在两个斥力型直线电机产生斥力F_z2的同时，产生同一方向（沿X方向）的水平驱动力F_x，在F_x的驱动下，平台沿X方向运动。若改变绕组线圈13中的电流方向，平台将沿其反方向运动。

3)沿Y方向的平动：将两组定子平台中的绕组线圈通电，控制下定子平台10中的绕组线圈13中电流的大小和方向，使两个斥力型直线电机只产生斥力F_z2，控制下定子平台3中的绕组线圈4中的电流，使其大小和方向一致，在两个吸力型直线电机产生吸力F_z1的同时，产生同一方向（沿Y方向）的水平驱动力F_y，在F_y的驱动下，平台沿Y方向运动。若改变绕组线圈4中的电流方向，平台将沿其反方向运动。

4)绕Z轴的转动：将四个定子平台中的绕组线圈通电，控制电流的方向，若通电绕组线圈和永磁阵列相互作用产生的四个电磁力为顺时针方向，则平台绕Z轴顺时针转动，控制电流的大小，可以控制转动的角度大小。反之，若产生的四个电磁力为逆时针方向，则平台绕Z轴逆时针转动，同样控制电流的大小也可以控制转动角度的大小。

5)绕X轴的转动：将上定子平台3中的绕组线圈4通以相同的电流，使其产生吸力F_z1，同时，将下定子平台10中的绕组线圈13通以不同的电流，则两个斥力型直线电机产生的斥力不同，使平台绕X轴产生转动。

6)绕Y轴的转动：将下定子平台10中的绕组线圈13通以相同的电流，使其产生斥力F_z2，同时，将下定子平台3中的绕组线圈4通以不同的电流，则两个吸力型直线电机产生的吸力不同，使平台绕Y轴产生转动。

Claims

1.磁悬浮式定位平台，其特征在于工作平台和移动平台构成夹层结构。目的在于减小磁悬浮式定位平台空间体积，实现平台小型化。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮式定位平台，其特征在于：移动平台只是实现磁悬浮式定位平台的运动，移动平台的运动通过柔性支撑传递给工作平台，实现工作平台的运动，而工作平台实现工件的定位及制造功能。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮式定位平台，其特征在于：移动平台和工作平台之间通过三个柔性支撑连接，三个柔性支撑以平台中心为圆心呈120度均匀分布。目的在于减小永磁阵列和绕组线圈所组成的直线电机产生的热量导致热应力引起的变形误差。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮式定位平台，其特征在于：移动平台的上表面X方向上对称布置的一堆永磁阵列同上定子平台上的绕组线圈相互作用，产生沿Z方向的吸力和沿Y方向的推力，构成吸力型直线电机。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮式定位平台，其特征在于：移动平台下表面的Y方向上对称布置的另一堆永磁阵列同下定子平台中的绕组线圈相互作用，产生Z方向的斥力和沿X方向的推力，构成斥力型直线电机。

6.根据权利要求4和5所述的磁悬浮式定位平台，其特征在于：移动平台受到吸力型直线电机和斥力型直线电机的共同作用，在下方的斥力和上方的吸力作用下保持平衡，同时不和下定子平台以及上定子平台接触，处于悬浮状态，并在两组推力的作用下沿X方向和Y方向进行运动。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮式定位平台，其特征在于：在移动平台的下方有一个永磁涡流阻尼器，由固定在基座中心且均匀布置了四块正方体永磁体和固定在移动平台下表面中心处的一块铜片组成，移动平台运动时产生涡流效应，增加系统的阻尼比。