CN103066894B - 一种六自由度磁悬浮工件台 - Google Patents

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Abstract

一种六自由度磁悬浮工件台，该装置包括底座、一个旋转驱动装置、一个平面运动装置、角度测量装置和位移测量装置。其中位移测量装置包括四个直线电机、四个PSD组件。在旋转驱动装置作用下，和旋转驱动装置环形永磁阵列动子由轴连接的平面运动装置永磁阵列定子进行旋转，使得平面运动装置永磁阵列动子和平面运动装置线圈阵列定子之间形成相位差，从而磁悬浮工件台动子即平面运动装置永磁阵列动子在水平面内实现360°旋转。同时平面运动装置永磁阵列动子在洛伦兹力作用下进行大范围的平面运动，并可进行小幅度绕X轴和Y轴转动及沿Z轴运动，实现磁悬浮工件台动台的六自由度运动。

Description

一种六自由度磁悬浮工件台
技术领域
本发明设计一种半导体制造过程中使用的六自由度磁悬浮工件台。
背景技术
在传统工件台中，实现运动平台的平面运动并同时进行360°旋转采用的是串联结构，即由两个或多个直线电机进行结构叠加实现运动平台的平面运动，在直线堆叠成的平面运动结构上再串联直驱电机，直驱电机可进行360°旋转，从而实现在运动平台平面运动的同时进行旋转运动。但这种结构比较复杂，占地空间大，在结构堆叠过程中出现传递误差，工件台精度较难提高。
发明内容
本发明提供一种六自由度磁悬浮工件台，可以同时进行360°旋转和大范围平面运动，目的在于减小工件台占地空间，减少传递误差，提高运动精度。
本发明的技术方案如下：
一种六自由度磁悬浮工件台，其特征在于：该工件台包括一个底座，一个旋转驱动装置，一个平面运动装置，角度测量装置和位移测量装置；旋转驱动装置包括旋转驱动装置环形线圈阵列定子和旋转驱动装置环形永磁阵列动子；平面运动装置包括平面运动装置线圈阵列定子、平面运动装置永磁阵列动子和直线电机；旋转驱动装置环形线圈阵列定子固定在底座上，旋转驱动装置环形永磁阵列动子同轴悬空于旋转驱动装置环形线圈阵列定子之上；平面运动装置线圈阵列定子和旋转驱动装置环形永磁阵列动子进行轴连接，平面运动装置永磁阵列动子在磁浮作用下悬空于平面运动装置线圈阵列定子之上；角度测量装置位于旋转驱动装置环形永磁阵列动子之上；位移测量装置PSD组件包括接收装置和发射装置，其中接收装置对称固定在平面运动装置线圈阵列定子四周的直线电机上，发射装置对称固定在平面运动装置永磁阵列动子的四周。
当平面运动装置线圈阵列定子通电时，平面运动装置线圈阵列定子与平面运动装置永磁阵列动子间产生洛伦兹力，使得平面运动装置永磁阵列动子产生沿X轴、Y轴、Z轴方向的推力；水平方向沿x、y方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子在XY平面上的平面运动及绕Z轴的小角度转动，沿Z轴方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子的悬浮，并通过沿Z轴方向推力之间的差分使平面运动装置永磁阵列动子绕X轴与Y轴小角度转动，因此实现平面运动装置永磁阵列动子的六自由度运动；旋转驱动装置环形线圈阵列定子与旋转驱动装置环形永磁阵列动子之间由于洛仑兹力产生扭矩，使旋转驱动装置环形永磁阵列动子实现360°转动，同时带动平面运动装置线圈阵列定子进行360°转动，使得平面运动装置永磁阵列动子在洛仑兹力及力矩的作用下绕Z轴进行360°旋转。
本发明的技术特征还在于：旋转驱动装置中，所述的旋转驱动装置环形永磁阵列动子的永磁体和旋转驱动装置环形线圈阵列定子的线圈均采用矩形、扇形或梯形；平面运动装置中，所述的平面运动装置线圈阵列定子采用叠层形式，相邻两层线圈阵列排列方向相互垂直。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
运动平台在大范围平面运动的平时可绕Z轴进行360°大范围运动；结构简单，不冗余，同等条件下占地面积小；与传统结构相比，减少传递误差；由于采用的磁悬浮技术，通过有效控制，可以达到较高的精度，甚至可以实现纳米级精度。
附图说明
图1是本发明提供的六自由度磁悬浮工件台装置的轴测图。
图2是本发明的平面运动装置永磁阵列动子俯视图。
图3是本发明的平面运动装置线圈阵列定子轴测图。
图4是本发明的平面运动装置及位移测量装置主视图。
图5是本发明的平面运动装置永磁阵列动子受力分析图。
图6是本发明的平面运动装置单个永磁阵列受力分析图。
其中：100-平面运动装置永磁阵列动子；101-第一永磁阵列；102-第二永磁阵列；103-第三永磁阵列；104-第四永磁阵列；200-平面运动装置线圈阵列定子；201-第一层线圈阵列，202-第二层线圈阵列；300-旋转驱动装置环形永磁阵列动子；400-旋转驱动装置环形线圈阵列定子；500-角度测量装置；600-直线电机；601-第一直线电机；602-第二直线电机；603-第三直线电机；604-第四直线电机；700-位移测量装置PSD组件；701-第一PSD接受装置；702-第二PSD接受装置；703-第三PSD接受装置；704-第四PSD接受装置；705-第一PSD发射装置；706-第二PSD发射装置；707-第三PSD发射装置；708-第四PSD发射装置；800-底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作过程作进一步详细描述。
本发明提供的一种六自由度磁悬浮工件台，该工件台包括一个底座800，一个旋转驱动装置，一个平面运动装置，角度测量装置和位移测量装置；旋转驱动装置包括旋转驱动装置环形线圈阵列定子400和旋转驱动装置环形永磁阵列动子300；平面运动装置包括平面运动装置线圈阵列定子200、平面运动装置永磁阵列动子100和直线电机600；旋转驱动装置环形线圈阵列定子固定在底座上，旋转驱动装置环形永磁阵列动子同轴悬空于旋转驱动装置环形线圈阵列定子之上；平面运动装置线圈阵列定子和旋转驱动装置环形永磁阵列动子进行轴连接，平面运动装置永磁阵列动子在磁浮作用下悬空于平面运动装置线圈阵列定子之上；角度测量装置500位于旋转驱动装置环形永磁阵列动子之上；位移测量装置PSD组件700包括接收装置和发射装置，其中接收装置对称固定在平面运动装置线圈阵列定子四周的直线电机上，发射装置对称固定在平面运动装置永磁阵列动子的四周；
旋转驱动装置包括旋转驱动装置环形线圈阵列定子和旋转驱动装置环形永磁阵列动子。旋转驱动装置环形线圈阵列定子位于底座上，当线圈通电流后，旋转驱动装置环形线圈阵列定子和旋转驱动装置环形永磁阵列动子之间产生洛伦兹力，提供扭矩，使得旋转驱动装置环形永磁阵列动子进行360°旋转运动。
平面运动装置位于旋转驱动装置环形永磁阵列动子上，包括平面运动装置线圈阵列定子和平面运动装置永磁阵列动子。当平面运动装置线圈阵列定子通电时，平面运动装置线圈阵列定子与平面运动装置永磁阵列动子间产生洛伦兹力，使得平面运动装置永磁阵列动子产生沿X轴、Y轴、Z轴方向的推力，水平方向沿x、y方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子在XY平面上的平面运动及绕Z轴的小角度转动，沿Z轴方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子的悬浮，并通过沿Z轴方向推力之间的差分使平面运动装置永磁阵列动子绕X轴与Y轴小角度转动，因此实现平面运动装置永磁阵列动子的六自由度运动。平面运动装置线圈阵列定子位于旋转驱动装置环形永磁阵列动子之上通过轴与之进行固连，从而在旋转驱动装置环形永磁阵列动子的带动下，平面运动装置线圈阵列定子进行360°转动，使得平面运动装置永磁阵列动子在洛仑兹力及力矩的作用下绕Z轴进行360°旋转。
角度测量装置位于旋转驱动装置上，在旋转驱动装置环形永磁阵列动子进行旋转运动时，可对其运动角度进行测量。
位移测量装置位于平面运动装置上，四个直线电机位于平面运动装置线圈阵列定子四周，四个PSD接受装置分别位于四个直线电机之上，四个PSD射线发射装置位于平面运动装置永磁阵列动子四周，分别和四个PSD接受装置对应。
图1是六自由度磁悬浮工件台的轴测图。在洛伦兹力的作用下，旋转驱动装置环形永磁阵列动子300相对于旋转驱动装置环形线圈定子400产生转矩进行转动。由于旋转驱动装置环形永磁阵列动子300和平面运动装置线圈阵列定子200由轴连接为一个整体，旋转驱动装置环形永磁阵列动子300的旋转即为平面运动装置线圈阵列定子200的旋转。当平面运动装置线圈阵列定子通电时，平面运动装置线圈阵列定子200和平面运动装置永磁阵列动子100之间产生洛伦兹力，使得平面运动装置永磁阵列动子100产生沿x、y、z方向的力，水平方向沿x、y方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子100的平面运动及绕Z轴的转动，沿Z轴方向的推力克服平面运动装置永磁阵列动子100的重力使其悬浮，并通过沿Z轴方向推力之间的差分使平面运动装置永磁阵列动子100能够绕X轴和Y轴进行小角度转动。当平面运动装置线圈阵列定子200旋转时，平面运动装置线圈阵列定子200和平面运动装置永磁阵列动子100之间产生相位差，从而产生扭矩，使得面运动装置永磁阵列动子100相对面运动装置线圈阵列定子200进行360°转动，从而实现平面运动装置永磁阵列动子100绕Z轴进行360°任意角度旋转，至此实现面运动装置永磁阵列动子100的六自由度运动。
角度测量装置500用于对旋转驱动装置环形永磁阵列动子300进行角度测量。位移测量装置PSD组件700包括接收装置和发射装置。其中接收装置对称固定在平面运动装置线圈阵列定子200四周的直线电机600上，发射装置对称固定在平面运动装置永磁阵列动子100的四周，可对平面运动装置的六自由度位移进行测量。
图2是平面运动装置永磁阵列动子100的俯视图，包括第一永磁阵列101、第二永磁阵列102、第三永磁阵列103、第四永磁阵列104四组HALBACH永磁阵列。其中第一永磁阵列101、第三永磁阵列103沿x方向排列，第二永磁阵列102、第四永磁阵列104沿y方向排列。线圈通电时，第一永磁阵列101和第三永磁阵列103产生x、z方向的力，第二永磁阵列102和第四永磁阵列104产生y、z方向的力。实现平面运动装置永磁阵列动子100沿x、y方向的平面运动及z方向的悬浮，通过推力之间的差分能够产生绕Z轴的转矩以及绕X轴、Y轴的转矩，因此实现了平面运动装置永磁阵列动子100的六自由度运动。
图3是平面运动装置线圈阵列定子200的轴测图。平面运动装置线圈阵列定子200由相互垂直的线圈阵列叠加形成，如第一层线圈阵列201和第二层线圈阵列202排列形式相差90°。第一层线圈阵列201的各个线圈沿y方向连接固定，第二层线圈阵列202的各个线圈沿x方向固定在一起。第三层线圈阵列和第一层线圈阵列排列方式一样，第四层线圈阵列和第二层线圈阵列排列方式一样，依次类推，线圈阵列层数视实际需要确定。平面运动装置线圈阵列定子200能够为平面运动装置永磁阵列动子100分别提供x、y、z三个不同方向的洛伦兹力。
图4是平面运动装置及位移测量装置主视图。位移测量装置用来测量平面运动装置永磁阵列动子100相对平面运动装置线圈阵列定子200的位移以及转动角度。位移测量装置PSD的第一PSD接收装置701、第二PSD接收装置702、第三PSD接收装置703和第四PSD接收装置704分别对称固定于平面运动装置线圈阵列定子200四周的第一直线电机601、第二直线电机602、第三直线电机603、第四直线电机604上，第一PSD发射装置705、第二PSD发射装置706、第三PSD发射装置707、第四PSD发射装置708对称位于平面运动装置永磁阵列动子100的四周。其中第一PSD接收装置701和第一PSD发射装置705为一组，第二PSD接收装置702和第二PSD发射装置706为一组，第三PSD接收装置703和第三PSD发射装置707为一组，第四PSD接收装置704和第四PSD发射装置708为一组。当平面运动装置永磁阵列动子100进行运动时，第一PSD发射装置705、第二PSD发射装置706、第三PSD发射装置707、第四PSD发射装置708发射的射线分别在第一PSD接收装置701、第二PSD接收装置702、第三PSD接收装置703、第四PSD接收装置704上的投影产生偏移，通过解算可得平面运动装置永磁阵列动子100的平面移动范围及转动角度。
图5是平面运动装置永磁阵列动子受力分析图。平面运动装置永磁阵列动子由四个HALBACH永磁阵列第一永磁阵列101、第二永磁阵列102、第三永磁阵列103、第四永磁阵列104组成。第一永磁阵列101、第三永磁阵列103沿x方向排列，第二永磁阵列102、第四永磁阵列104沿y方向排列，在第一层线圈阵列201通电时，第一永磁阵列101和第三永磁阵列103产生沿x、z方向的力，而第二永磁阵列102和第四永磁阵列104不产生力。在第二层线圈阵列202通电时，第一永磁阵列101和第三永磁阵列103不产生力，第二永磁阵列102和第四永磁阵列104产生沿y、z方向的力。依次类推，当奇数层线圈通电时，第一永磁阵列101和第三永磁阵列103产生沿x、z方向的力，该力可以推动平面运动装置永磁阵列动子沿X轴方向运动及沿Z轴方向运动。当第一永磁阵列101和第三永磁阵列103沿Z轴方向推力大小不相等时，将产生绕X轴的扭矩，进而可以使平面运动装置永磁阵列动子绕X轴转动。当偶数层线圈通电时，第二永磁阵列102和第四永磁阵列104产生沿y、z方向的力，该力能够推动平面运动装置永磁阵列动子沿Y轴方向运动及沿Z轴方向运动。当第二永磁阵列102和第四永磁阵列104沿Z轴方向推力大小不相等时，将产生绕Y轴的扭矩，进而可以使平面运动装置永磁阵列动子绕Y轴转动。当平面运动装置线圈阵列定子转动时，由于平面运动装置线圈阵列定子和平面运动装置永磁阵列动子的相位差作用，四个HALBACH永磁阵列会在x、y、z方向均产生力，从而使平面运动装置永磁阵列动子能够绕Z轴进行转动。在四个永磁阵列的作用力下，平面运动装置永磁阵列动子可产生绕Z轴的转矩，沿x、y方向大范围运动，绕X、Y轴俯仰及竖直方向高度调整，实现平面运动装置永磁阵列动子的六自由度运动。
图6是平面运动装置永磁阵列动子单个永磁阵列受力分析图。第一永磁阵列101沿x方向排列，第一层线圈阵列201即奇数层的线圈阵列为第一永磁阵列101提供x、z方向的洛仑兹力Fx、Fz。其他永磁阵列受力情况类似。

Claims (3)

1.一种六自由度磁悬浮工件台，其特征在于：该工件台包括一个底座(800)，一个旋转驱动装置，一个平面运动装置，角度测量装置和位移测量装置；旋转驱动装置包括旋转驱动装置环形线圈阵列定子(400)和旋转驱动装置环形永磁阵列动子(300)；平面运动装置包括平面运动装置线圈阵列定子(200)、平面运动装置永磁阵列动子(100)和直线电机(600)；旋转驱动装置环形线圈阵列定子(400)固定在底座(800)上，旋转驱动装置环形永磁阵列动子(300)同轴悬空于旋转驱动装置环形线圈阵列定子(400)之上；平面运动装置线圈阵列定子(200)和旋转驱动装置环形永磁阵列动子(300)进行轴连接，平面运动装置永磁阵列动子(100)在磁浮作用下悬空于平面运动装置线圈阵列定子(200)之上；角度测量装置(500)位于旋转驱动装置环形永磁阵列动子(300)之上；位移测量装置包括接收装置和发射装置，其中接收装置对称固定在平面运动装置线圈阵列定子(200)四周的直线电机(600)上，发射装置对称固定在平面运动装置永磁阵列动子(100)的四周；
当平面运动装置线圈阵列定子通电时，平面运动装置线圈阵列定子(200)与平面运动装置永磁阵列动子(100)间产生洛伦兹力，使得平面运动装置永磁阵列动子(100)产生沿X轴、Y轴、Z轴方向的推力；水平方向沿x、y方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子(100)在XY平面上的平面运动及绕Z轴的小角度转动，沿Z轴方向的推力实现平面运动装置永磁阵列动子(100)的悬浮，并通过沿Z轴方向推力之间的差分使平面运动装置永磁阵列动子(100)绕X轴与Y轴小角度转动，因此实现平面运动装置永磁阵列动子(100)的六自由度运动；旋转驱动装置环形线圈阵列定子(400)与旋转驱动装置环形永磁阵列动子(300)之间由于洛仑兹力产生扭矩，使旋转驱动装置环形永磁阵列动子(300)实现绕Z轴360°转动，同时带动平面运动装置线圈阵列定子(200)绕Z轴进行360°转动，使得平面运动装置永磁阵列动子(100)在洛仑兹力及力矩的作用下绕Z轴进行360°旋转。
2.按照权利要求1所述的一种六自由度磁悬浮工件台，其特征在于：旋转驱动装置中，所述的旋转驱动装置环形永磁阵列动子的永磁体和旋转驱动装置环形线圈阵列定子的线圈均采用矩形、扇形或梯形。
3.按照权利要求1所述的一种六自由度磁悬浮工件台，其特征在于：平面运动装置中，所述的平面运动装置线圈阵列定子采用叠层形式，相邻两层线圈阵列排列方向相互垂直。
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