CN103441708A - 一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台 - Google Patents

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一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，主要应用于半导体光刻设备中。该运动平台包括基座、至少一个磁浮平面电机模块和一个体感控制器；每个磁浮平面电机模块由一个磁浮平面电机动子和一个磁浮平面电机定子组成，可实现微动工作台在水平面内沿X方向、沿Y方向和绕Z轴旋转。本发明与现有技术相比，由于线圈经过优化，不同规格的线圈能够适应一定的推力区间，因此可根据不同的承载力要求进行组合，具有结构简单，高效集成，节约生产成本等特点。

Description

一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台
技术领域
本发明涉及一种六自由度磁浮运动平台，尤其涉及一种动铁式六自由度磁浮运动平台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。
背景技术
具有高精度和快速响应的微动工作台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给系统进行误差补偿，从而实现超精密加工；目前，超精密微动工作台的设计和制造均为非标准超精密微动工作台，不可拼装使用，针对同类型的运动平台无法按照不同的负载需求直接集成。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，可以根据不同载荷要求拼装集成，使其不仅具有高精度和快速响应的优点，且具有结构简单、安装维护方便以及规模化生产的要求。
本发明的技术方案如下：
一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：该磁浮运动平台包括基座、至少一个磁浮平面电机模块和一个体感控制器；每个磁浮平面电机模块由一个磁浮平面电机动子和一个磁浮平面电机定子组成，所述的磁浮平面电机定子包含有线圈模块和集成驱动器模块，所述的线圈模块和集成驱动器模块固定在基座上；所述的磁浮平面电机动子包含一组永磁体阵列和一块永磁体模块背板，所述的永磁体阵列与永磁体模块背板固定在一起，并位于磁浮平面电机定子的上方；体感控制器设在所述的磁浮平面电机动子正上方，在所述的磁浮平面电机动子上表面设置至少三个红外标记点，红外标记点作为所述体感控制器的测量目标物；
本发明所述的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的磁浮平面电机模块采用两个以上，相邻的两个磁浮平面电机模块的定子之间通过接插件连接并固定在基座上；相邻的两个磁浮平面电机模块的动子之间通过接插件连接并固定在一块动子集成板上；
本发明所述的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组，或采用长方形线圈水平放置的线圈组，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组，或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组；所述的每个线圈组的数量为三的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架组成。
本发明所述的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的磁浮平面电机的永磁体阵列由主永磁体、附永磁体和永磁体模块背板组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于永磁体模块背板表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机的永磁体阵列由主永磁体和永磁体模块背板组成，按照相邻两块主永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于永磁体模块背板表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。
本发明提供的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台具有以下优点及突出性的效果：①本发明可以根据不同载荷要求拼装集成，将多个磁浮平面电机的动子连接在一起，多个永磁体阵列连接在一起，共同实现六自由度运动，不仅具有高精度和快速响应的优点，且具有结构简单、安装维护方便以及实现规模化生产的要求。②运动平台采用电磁力直接驱动，因此不存在机械摩擦，无阻尼，具有较高的位移分辨率，运动控制技术成熟；③体感控制器的应用减少了传感器使用的数量，也降低了传感器之间解算的复杂性。
附图说明
图1为发明提供的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台的磁浮平面电机的三维结构图。
图2为本发明的实施例的三维结构图。
图3为本发明的磁浮平面电机的洛伦兹力受力三维结构图。
图4表示出线圈单元采用的几种不同的结构形式。
图5表示出本发明的两种永磁阵列结构图。
图中：1-基座；2-标记点；3-磁浮平面电机定子；4-磁浮平面电机动子；5-线圈模块；6-集成驱动器模块；7-动子集成板；8-体感控制器；9a-定子接插件；9b-动子接插件；10-线圈骨架；11-第一磁浮平面电机模块；12-第二磁浮平面电机模块；13-第三磁浮平面电机；14-第四磁浮平面电机模块；15-永磁体阵列；16-第一主永磁体；17-第二主永磁体模块；18-附永磁体；19-永磁体模块背板。
具体实施方式
图1为发明提供的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台的实施例的三维结构图，该磁浮运动平台包括基座1、至少一个磁浮平面电机模块和一个体感控制器8；每个磁浮平面电机模块由一个磁浮平面电机动子4和一个磁浮平面电机定子3组成，所述的磁浮平面电机定子包含有线圈模块5和集成驱动器模块6，所述的线圈模块5和集成驱动器模块6固定在基座1上；所述的磁浮平面电机动子4包含一组永磁体阵列15和一块永磁体模块背板19，所述的永磁体阵列15与永磁体模块背板19固定在一起，并位于磁浮平面电机定子3的上方；体感控制器8设在所述的磁浮平面电机动子4正上方，在所述的磁浮平面电机动子4上表面设置至少三个红外标记点2，红外标记点作为所述体感控制器8的测量目标物，两个高速镜头通过拍摄红外标记点的位置变化，通过图像处理得到所述的磁浮平面电机动子在空间六自由度上的位移和姿态。
图2为本发明的实施例的三维结构图，该实施例采用了四个磁浮平面电机模块，相邻的两个磁浮平面电机模块的定子之间通过定子接插件9a连接并固定在基座1上，组成一个新的磁浮平面电机模块的定子；相邻的两个磁浮平面电机模块的动子之间通过动子接插件9b连接并固定在一块动子集成板7上，组成一个新的磁浮平面电机模块的动子。集成驱动器模块6与线圈模块5的所有线圈相连接，并在基座侧面留有对外接口，该集成驱动器模块6固定在基座内部。在磁浮平面电机动子正上方安装一个体感控制器8。
图3为发明提供的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台的洛伦兹力受力三维结构图。磁浮平面电机动子的永磁体阵列15产生的磁场方向和通电线圈电流方向如图3所示，则所产生的洛伦兹力方向两者相互垂直,每一组磁浮平面电机模块的线圈可同时在永磁阵列所在平面内相互垂直的两个方向，即受到两个方向的洛伦兹力FZ和洛伦兹力FX或者洛伦兹力FZ和洛伦兹力FY；当改变通电线圈的电流方向和大小，即可改变线圈所受的洛伦兹力的大小和方向，从而改变了磁浮平面电机动子的受力。
图4表示出线圈单元采用的几种不同的结构形式；线圈单元可以采用叠层正交绕制的线圈组(如图4a)，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列成水平放置的线圈组（4b），或采用长方形线圈水平放置的线圈组（如图4c），或采用长方形线圈竖直放置线圈组(如图4d)，或采用叠层正交印刷PCB电路线圈组(如图4e)；所述的每个线圈组的数量为三的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架10组成。
图5a和图5b分别表示出本发明的两种永磁阵列的结构图。如图5a所示的磁浮平面电机模块的永磁体阵列15由主永磁体、附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于永磁体模块背板4表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机模块的永磁体阵列15由主永磁体和永磁体模块背板4组成，按照相邻两块主永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于永磁体模块背板4表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。如图5b所示的磁浮平面电机模块的永磁体阵列15由主永磁体、附永磁体组成，相邻两块主永磁体以及边缘处的主永磁体与附永磁体以SN阵列形式粘接固定于永磁体模块背板4表面上，相邻两块主永磁体以及边缘处的主永磁体与附永磁体的磁场方向相反布置，在各永磁体之间形成封闭磁路；或所述的磁浮平面电机模块的永磁体阵列15由主永磁体和永磁体模块背板4组成，按照相邻两块主永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于永磁体模块背板4表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。
本发明的工作过程如下：磁浮平面电机模块的永磁体产生的磁场方向、通电线圈电流方向，以及产生的洛伦兹力方向两者相互垂直。每一个磁浮平面电机模块都可以在X方向、Y方向和Z方向上提供推力。在本实施例中，共有四个磁浮平面电机模块，分别为第一磁浮平面电机模块11、第二磁浮平面电机模块12、第三磁浮平面电机模块13和第四磁浮平面电机模块14，如图1所示。
每个磁浮平面电机模块分别沿X方向、Y方向和Z方向上提供推力分别为洛伦兹力FX、洛伦兹力FY和洛伦兹力FZ，则第一磁浮平面电机模块11的推力为FX11、FY11和FZ11；第二磁浮平面电机模块12的推力为FX12、FY12和FZ12；第三磁浮平面电机模块13的推力为FX13、FY13和FZ13；第四磁浮平面电机模块14的推力为FX14、FY14和FZ14；如图3所示。
当四个磁浮平面电机模块的X方向的推力方向相同时，则模块化六自由度磁浮运动平台的动子沿X方向平移；相同的，当四个磁浮平面电机模块的Y方向的推力的方向相同时，则模块化六自由度磁浮运动平台的动子沿Y方向平移,当四个磁浮平面电机Z方向的推力的方向相同时，则模块化六自由度磁浮运动平台的动子沿Z方向平移。
当第一磁浮平面电机模块11和第二磁浮平面电机模块12沿X方向的推力FX11和FX12方向相同，同时第三磁浮平面电机模块13和第四磁浮平面电机模块14沿X方向的推力与第一磁浮平面电机模块11和第二磁浮平面电机模块12沿X方向的推力方向相反，或者当第一磁浮平面电机模块11和第四磁浮平面电机模块14沿X方向的推力FX11和FX14方向相同，同时第二磁浮平面电机模块12和第三磁浮平面电机模块13沿X方向的推力与第一磁浮平面电机模块11和第四磁浮平面电机模块14沿X方向的推力方向相反，驱动模块化六自由度磁浮运动平台的动子绕Z轴方向转动。
当第一磁浮平面电机模块11和第四磁浮平面电机模块14沿Z方向的推力FZ11和FZ14方向相同，同时第二磁浮平面电机模块12和第三磁浮平面电机模块13沿Z方向的推力与第一磁浮平面电机模块11和第四磁浮平面电机模块14沿Z方向的推力相反时，驱动模块化六自由度磁浮运动平台的动子绕Y轴方向转动。
当第一磁浮平面电机模块11和第二磁浮平面电机模块12沿Z方向的推力FZ11和FZ12方向相同，同时第三磁浮平面电机模块13和第四磁浮平面电机模块14沿Z方向的推力与第一磁浮平面电机模块11和第二磁浮平面电机模块12沿Z方向的推力相反时，驱动模块化六自由度磁浮运动平台的动子绕X轴方向转动。
在本实施例中，一个磁浮平面电机模块就能实现上述的运动，因此可根据该特点进行组合来满足不同推力要求的运动平台的需求。

Claims (4)

1.一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：该磁浮运动平台包括基座（1）、至少一个磁浮平面电机模块和一个体感控制器（8）；每个磁浮平面电机模块由一个磁浮平面电机动子（4）和一个磁浮平面电机定子（3）组成，所述的磁浮平面电机定子包含有线圈模块（5）和集成驱动器模块（6），所述的线圈模块（5）由多组线圈单元分别沿X方向和Y方向排列而成，每组线圈单元至少包含三个方形线圈，相邻两组线圈单元正交排列，该线圈模块（5）固定在基座（1）上表面；所述的集成驱动器模块（6）与线圈模块（5）的所有线圈相连接，并在基座侧面留有对外接口，该集成驱动器模块（6）固定在基座内部；所述的磁浮平面电机动子包含一组永磁体阵列（15）和一块永磁体模块背板（19），所述的永磁体阵列（15）与永磁体模块背板（19）固定在一起，并位于磁浮平面电机定子的上方；体感控制器（8）设在所述的磁浮平面电机动子正上方，在所述的磁浮平面电机动子上表面设置至少三个红外标记点（2），红外标记点作为所述体感控制器（8）的测量目标物。
2.如权利要求1所述的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的磁浮平面电机模块采用两个以上时，相邻的两个磁浮平面电机模块的定子之间通过定子接插件（9a）连接；相邻的两个磁浮平面电机模块的动子之间通过动子接插件（9b）连接并固定在一块动子集成板（7）上。
3.如权利要求1所述的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组（4a），或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组(4b)，或采用长方形线圈水平放置的线圈组(4c)，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组，或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组；所述的每个线圈组的数量为三的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架（10）组成。
4.如权利要求1所述的一种模块化动铁式六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的永磁体阵列（15）由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于永磁体模块背板（19）的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路；或永磁体阵列（15）由主永磁体和附永磁体组成，按照相邻两块主永磁体以及边缘处主永磁体和附永磁体的充磁方向相反的阵列形式粘接固定于永磁体模块背板（19）表面上，在各永磁体之间形成封闭磁路。
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