CN103929097A - 一种六自由度磁悬浮运动台 - Google Patents

Abstract

一种六自由度磁悬浮运动台，包括运动部分和永磁体阵列定子，其中运动部分包括承载台、多个X向电机动子、多个YZ向电机动子和四个重力补偿机构动子；X向电机动子和YZ向电机动子分别与永磁体阵列定子组成X向动圈式直线电机和YZ向动圈式直线电机；X向动圈式直线电机动子、YZ向动圈式直线电机动子和重力补偿机构动子共用永磁体阵列定子。该磁悬浮运动台利用重力补偿机构动子与永磁体阵列定子间的吸力之差补偿重力，利用X向动圈式直线电机和YZ向动圈式直线电机驱动并调整其悬浮姿态，可实现Y向的大行程运动及X向和Z向的小行程运动，并可实现θX、θY、θZ三个自由度的小角度转动，且能在Y向实现大行程、高速高加速运动，结构简单、功耗低。

Description

一种六自由度磁悬浮运动台

技术领域

本发明涉及一种六自由度磁悬浮运动台,可用于集成电路加工及检测装备用的精密及超精密工作台,属于精密及超精密加工与测量领域。

背景技术

在很多工业设备中,需要驱动工件或工件台进行多自由度运动,并对其进行精确定位,例如光刻机中的硅片台、掩模台等设备。为实现多自由度运动及其精确定位,如果直接使用驱动电机来提供支承,就会使得驱动电机负载增加,造成电机发热增大。在很多超精密工作台中,电机发热过大,就会影响环境温度,造成非接触式测量误差,最终影响定位精度。采用具有永磁体非接触式重力补偿结构的磁悬浮运动台，具有结构简单、零组件表面无需精密加工、适用于真空环境中应用等优点。

哈尔滨工业大学的专利CN101741290公布了一种六自由度磁悬浮微动平台，能实现磁悬浮的六自由度运动，但是其六自由度的行程均非常小。清华大学的专利CN103066894和哈尔滨工业大学的专利CN102951607公布了两种采用磁悬浮的六自由度运动台结构，这两种结构均能在水平面实现大行程的平动，并在其他自由度实现小行程运动，但是两种结构均无重力补偿结构，功耗大，运动台的加速度有限，结构复杂。哈尔滨工业大学的专利CN102723842公布了一种多自由度长行程磁悬浮工作台，该结构能实现单自由度大行程运动和其他五自由度的小行程运动，但是该结构没有重力补偿结构，功耗大，三个平动自由度分别由不同的电机控制，每种电机各自需要不同的永磁体阵列，结构复杂，造价高。

发明内容

本发明的目的是提供一种六自由度磁悬浮运动台，能实现水平面单自由度的大行程直线运动和其他五自由度的小行程运动，并使其具有结构简单、功耗低等特点。

本发明的技术方案如下：一种六自由度磁悬浮运动台，包括运动部分和永磁体阵列定子，所述运动部分包括承载台、多个X向电机动子、多个YZ向电机动子和四个重力补偿机构动子；所述永磁体阵列定子包括上部永磁体阵列和下部永磁体阵列；其特征在于：在所述的承载台的两侧沿Y向对称布置永磁体阵列定子；所述的多个X向电机动子沿Y向对称安装在承载台的两侧，每侧的X向电机动子和一组永磁体阵列定子组成多个X向动圈式直线电机；所述的多个YZ向电机动子对称安装在承载台的两侧，每侧的YZ向电机动子和一组永磁体阵列定子组成多个YZ向动圈式直线电机；所述的四个重力补偿机构动子两两对称安装在两侧的YZ向电机动子上，重力补偿机构动子和永磁体阵列定子组成重力补偿机构；重力补偿机构动子距上部永磁体阵列的距离小于该重力补偿机构动子距下部永磁体阵列的距离；每侧YZ向电机动子上安装的两个重力补偿机构动子间的距离相差奇数个半截距。

本发明所述的一种六自由度磁悬浮运动台，其特征在于：所述的上部永磁体阵列和下部永磁体阵列采用一维的NS阵列；或所述的上部永磁体阵列和下部永磁体阵列采用一维的Halbach阵列。

本发明所述的一种六自由度磁悬浮运动台与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明利用重力补偿机构动子与永磁体阵列定子间的吸力之差补偿重力，利用X向动圈式直线电机和YZ向动圈式直线电机驱动并调整其悬浮姿态，可实现Y向的大行程运动及X向和Z向的小行程运动，并可实现θX、θY、θZ三个自由度的小角度转动；②该磁悬浮运动台的X向动圈式直线电机动子、YZ向动圈式直线电机动子和重力补偿机构动子共用永磁体阵列定子，因此具有结构简单、造价低、易于加工和维护等优点；③该磁悬浮运动台具备重力补偿机构，大大降低了电机负载和功耗。

附图说明

图1是本发明的一种六自由度磁悬浮运动台的三维图，其中一组上部永磁体阵列被隐去。

图2是本发明的一种六自由度磁悬浮运动台的俯视图，其中两组上部永磁体阵列被隐去。

图3a是本发明的永磁体阵列定子采用的一维NS阵列组成形式。

图3b是本发明的永磁体阵列定子采用的一维Halbach阵列组成形式。

图4是本发明的重力补偿机构示意。

图5是本发明的两类驱动电机的布置方式，其中电机动子的外壳被隐去。

图中件号：100-承载台；200-X向电机动子；201-X向电机动子线圈阵列；300-YZ向电机动子；301-YZ向电机动子线圈阵列；400-重力补偿机构动子；500-上部永磁体阵列；501-上部永磁体阵列的一维NS阵列形式；502上部永磁体阵列的一维Halbach阵列形式；503-上部永磁体阵列背板；600-下部永磁体阵列；601-下部永磁体阵列的一维NS阵列形式；602下部永磁体阵列的一维Halbach阵列形式；603-下部永磁体阵列背板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。

图1、图2是本发明提供的一种六自由度磁悬浮运动台实施例的结构原理示意图，图1中一组上部永磁体阵列被隐去，图2中两组上部永磁体阵列被隐去。该磁悬浮运动台包括运动部分和永磁体阵列定子，所述运动部分包括承载台100、多个X向电机动子200、多个YZ向电机动子300和四个重力补偿机构动子400；本实施例中的运动部分包括承载台100、四个X向电机动子200、四个YZ向电机动子300和四个重力补偿机构动子400；永磁体阵列定子包括上部永磁体阵列500和下部永磁体阵列600。X向电机动子200、YZ向电机动子300和重力补偿机构动子400关于X轴和Y轴对称安装在承载台上，可平衡其产生的力矩。

如图2所示，在承载台100的两侧沿Y向分别布置一组永磁体阵列定子。四个X向电机动子200沿Y向对称安装在承载台100的两侧，每侧的X向电机动子200和一组永磁体阵列定子组成X向动圈式直线电机。四个YZ向电机动子300对称安装在承载台100的两侧，每侧的YZ向电机动子300和一组永磁体阵列定子组成四个YZ向动圈式直线电机。四个重力补偿机构动子400两两安装在两侧的YZ向电机动子300上，每侧YZ向电机动子300上安装的两个重力补偿机构动子400间的距离相差奇数个半截距，以平衡多个重力补偿机构动子400在Y向运动过程中产生的齿槽力，重力补偿机构动子400和永磁体阵列定子组成重力补偿机构。

永磁体阵列定子包括上部永磁体阵列500和下部永磁体阵列600。上部永磁体阵列和下部永磁体阵列可以采用一维的NS阵列，如图3a所示，或是采用一维的Halbach阵列，如图3b所示。永磁体阵列定子的Y向尺寸可延伸，以扩大承载台100的Y向尺寸或增加承载台100的Y向行程。

如图4所示，重力补偿机构动子400采用铁磁性材料制造，重力补偿机构动子400距上部永磁体阵列500的距离应小于该重力补偿机构动子400距下部永磁体阵列600的距离，以使其与上部永磁体阵列500间的吸力大于与下部永磁体阵列600间的吸力，用以补偿重力。

如图5所示，该磁悬浮运动台含有两种驱动电机，其中X向动圈式直线电机提供X向的驱动力，利用永磁体阵列定子在其侧面产生的周期性磁场励磁，多相电流解耦控制；YZ向动圈式直线电机可同时提供Y向和Z向的驱动力，利用永磁体阵列定子中间产生的周期性磁场励磁，多相电流解耦控制。

Claims (3)

1.一种六自由度磁悬浮运动台，包括运动部分和永磁体阵列定子，所述永磁体阵列定子包括上部永磁体阵列(500)和下部永磁体阵列(600)；其特征在于：在所述的承载台(100)的两侧沿Y向对称布置永磁体阵列定子；所述的多个X向电机动子(200)沿Y向对称安装在承载台(100)的两侧，每侧的X向电机动子(200)和一组永磁体阵列定子组成多个X向动圈式直线电机；所述的多个YZ向电机动子(300)对称安装在承载台(100)的两侧，每侧的YZ向电机动子(300)和一组永磁体阵列定子组成多个YZ向动圈式直线电机；所述的四个重力补偿机构动子(400)两两对称安装在两侧的YZ向电机动子(300)上，重力补偿机构动子(400)和永磁体阵列定子组成重力补偿机构；重力补偿机构动子(400)距上部永磁体阵列(500)的距离小于该重力补偿机构动子(400)距下部永磁体阵列(600)的距离；每侧YZ向电机动子(300)上安装的两个重力补偿机构动子(400)间的距离相差奇数个半截距。

2.如权利要求1所述的一种六自由度磁悬浮运动台，其特征在于：所述的上部永磁体阵列(500)和下部永磁体阵列(600)采用一维的NS阵列。

3.如权利要求1所述的一种六自由度磁悬浮运动台，其特征在于：所述的上部永磁体阵列(500)和下部永磁体阵列(600)采用一维的Halbach阵列。