CN105387310B - 一种磁浮式精密定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁浮式精密定位平台，包括安装板、运动平台、基座、直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置，其中：在垂直方向上将所述安装板、运动平台和基座通过固定装置依次连接；所述电磁铁悬浮驱动装置包括电磁铁和衔铁，所述电磁铁安装在安装板上，在电磁铁下方对应的位置上将衔铁安装在运动平台的上表面；所述直线电机驱动装置包括永磁阵列和空心线圈绕组，所述永磁阵列镶嵌于运动平台下表面，在永磁阵列下方对应的位置上将空心线圈绕组安装在基座上。该磁浮式定位平台具有精度高、行程大，特别是垂直方向上的运动行程和响应速度快的特点，且简化了机械结构，便于产生多自由度的运动。
Description
技术领域
本发明涉及到精密加工制造领域，特别涉及一种磁浮式精密定位平台。
背景技术
现代科学技术对微观领域的研究越来越深入，已经进入了高精度的纳米、原子量级的时代。微定位技术是微观领域研究的核心关键技术之一，其技术发展水平直接影响到微观领域技术的发展水平，因此作为微定位技术工程化应用的多自由度高精度定位平台也就具有极为重要的现实研究意义。特别的，在光刻机领域，对光刻的工艺节点线宽达到22nm，而且晶圆的直径的进一步增大，这意味着对定位平台的要求增高，需要运动平台达到纳米级别的定位精度，达到数百毫米级别的运动行程范围且要求运动平台响应速度快。
传统的接触式高精度定位平台主要有三种方式：一、利用旋转伺服电机驱动，然后采用精密滚珠丝杆来传动；二、利用直线电机直接驱动；三、利用压电陶瓷驱动。采用伺服电机驱动并且采用滚珠丝杆传动的定位平台是目前应用较为广泛的平面运动定位方式，但其缺点是：由于运动平台与驱动机构之间存在包括联轴器、丝杆、轴承等中间过渡环节，增加了定位机构的惯性质量，对系统的响应频率具有较大的影响，且由于中间过渡环节产生的摩擦、弹性形变等因素，降低了系统的定位精度,并且由于丝杆的形状是细长的，在外力场与温度场的作用下会产生变形，进一步影响定位精度。采用直线电机直接驱动的缺点是：由于系统的中间环节不存在缓冲环节以及存在相应的端部效应，使得系统的控制难度增加，并且利用直线电机作为驱动机构存在发热严重、系统推力提供不足、移动部件轻量化等问题。而压电陶瓷式精密定位平台以压电陶瓷作为驱动机构，广泛应用在纳米级别的定位系统中，但是其缺点是运动行程小，一般不超过100μm。虽然通过粗定位与精密定位相结合的方法可提高系统的运动行程，但也由于叠加方式的引入降低了系统的定位精度，使得定位精度与运动行程范围成为一对固有的矛盾。
当高精度定位平台的应用领域对其定位精度，响应速度，行程范围提出了越来越高的要求时，传统接触式结构的定位平台难以满足要求，因此采用非接触式的定位平台。目前非接触式的定位平台主要采用气悬浮平台，在气悬浮定位平台中，由于元件之间没有物理上的接触，在忽略空气阻尼的情况下，可认为没有摩擦力，且平台与运动元件间无须使用润滑剂，适合于超洁净加工环境。但是气悬浮平台惯性较大且悬浮支撑刚度较低，以致平台承载能力和抗冲击能力较低，降低了整个平台的灵敏性和定位精度，而且气悬浮式定位平台无法应用于真空环境中。
因此，如何能够获得定位精度高，运动行程大，响应速度快且机械结构简单的非接触式定位平台成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
基于上述技术难题，本发明提供一种磁浮式精密定位平台，能够通过简单的机械结构实现定位平台的定位精度高，运动行程大，响应速度快，以满足精密加工制造的要求。
本发明提供的磁浮式精密定位平台，包括安装板、运动平台、基座、直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置，其中：
在垂直方向上将所述安装板、运动平台和基座通过固定装置依次连接；所述安装板、运动平台和基座均为等边三角形，所述直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置均设置在等边三角形的三个角的位置上；
所述电磁铁悬浮驱动装置包括电磁铁和衔铁，所述电磁铁安装在安装板上，在电磁铁下方对应的位置上将衔铁安装在运动平台的上表面；所述电磁铁悬浮驱动装置为三组，三组电磁铁悬浮驱动装置在水平方向上成等边三角形排列；
所述直线电机驱动装置包括永磁阵列和空心线圈绕组，所述永磁阵列镶嵌于运动平台下表面，在永磁阵列下方对应的位置上将空心线圈绕组安装在基座上；所述直线电机驱动装置为三组，三组直线电机驱动装置在水平方向上成等边三角形排列；三角形底边的两组永磁阵列的面积之和与顶点位置上的永磁阵列面积相等；
所述安装板边缘安装有电涡流传感器。
优选的，三角形底边的两组永磁阵列按照相同的排列方式布置，顶点位置上的永磁阵列排列方式与底边的两组永磁阵列相互垂直。
优选的，所述电涡流传感器为三个，分别设置在安装板的三个角上。
优选的，所述电磁铁采用软磁材料的U型电磁铁，所述U型电磁铁开口向下的安装于安装板的矩形槽中。
优选的，所述安装板中心预留一个圆形孔。
本发明在水平方向上，采用带空心线圈的直线电机驱动装置，通过控制永磁阵列和空心线圈绕组之间的磁场功角，使电机仅产生水平方向上的驱动力，不产生垂直方向上的悬浮力，从而对电磁铁悬浮不产生干扰作用，使平台在水平方向上可获取百毫米级别的运动行程与纳米级别的定位精度。在悬浮方向上，采用三组电磁铁悬浮驱动装置实现毫米量级的运动行程。上述磁浮式定位平台具有精度高、行程大，特别是对垂直方向上的运动行程有较大的提高和响应速度快的特点，且简化了机械结构，便于产生多自由度的运动。
附图说明
图1为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的结构示意图；
图2为图1的磁浮式精密定位平台的正视图；
图3为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的安装板关键尺寸图；
图4为本发明提供的一种电磁铁悬浮驱动装置的结构示意图；
图5为本发明提供的一种直线电机驱动装置中永磁阵列的结构示意图；
图6为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的运动机理示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1-2，图1为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的结构示意图，图2为图1的磁浮式精密定位平台的正视图。
本发明提供一种磁浮式精密定位平台包括安装板1、运动平台2、基座3、直线电机驱动装置4和电磁铁悬浮驱动装置5，其中：在垂直方向上将所述安装板1、运动平台2和基座3通过固定装置依次连接；所述电磁铁悬浮驱动装置4包括电磁铁41和衔铁42，所述电磁铁41安装在安装板上1，在电磁铁41下方对应的位置上将衔铁42安装在运动平台2的上表面；所述直线电机驱动装置5包括永磁阵列51和空心线圈绕组52，所述永磁阵列51镶嵌于运动平台2下表面，在永磁阵列51下方对应的位置上将空心线圈52绕组安装在基座3上。
所述平台在垂直方向上将所述安装板1、运动平台2和基座3通过固定装置依次连接。优选地，在安装板的边缘设置螺栓孔，通过螺栓与基座连接，实现位置固定。
在垂直方向上，电磁铁41安装在安装板上1，在电磁铁41下方对应的位置上将衔铁42安装在运动平台2的上表面，通过对电磁铁41中的电磁铁线圈通电，产生磁场，该磁场在电磁铁41、空气间隙以及衔铁之间形成闭合回路，从而产生电磁吸力，在该吸力作用下，运动平台在垂直方向上被抬起，使得平台在垂直方向上可获取毫米级别的运动行程。
在水平方向上永磁阵列51镶嵌于运动平台2下表面，在永磁阵列51下方对应的位置上将空心线圈52绕组安装在基座3上，通过控制永磁阵列和空心线圈绕组之间的磁场功角，使直线电机驱动装置在水平方向上提供水平驱动力，使平台在水平方向上可获取百毫米级别的运动行程与纳米级别的定位精度。由于直线电机驱动装置5采用空心线圈52结构，使得永磁阵列51与基座3之间在运动平台在静态情况下不存在磁场吸力，故对电磁铁41不存在干扰作用，即不会对正常的稳定悬浮造成影响。
上述磁浮式定位平台具有精度高、行程大，特别是对垂直方向上的运动行程有较大的提高和响应速度快的特点，且简化了机械结构，便于产生多自由度的运动。
在进一步的方案中，所述安装板边缘安装有电涡流传感器，用于在悬浮方向上测量悬浮间隙，可计算运动平台在空间中的实时位置。
优选的所述电磁铁悬浮驱动装置4为三组，三组电磁铁悬浮驱动装置4在水平方向上成等边三角形排列。
优选地，所述直线电机驱动装置5为三组，三组直线电机驱动装置5在水平方向上成等边三角形排列。
参见图1和图3，图1为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的结构示意图，图3为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的安装板关键尺寸图。
所述安装板、运动平台和基座均为等边三角形，所述直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置均设置在等边三角形的三个角的位置上。
该安装板为边长尺寸为370mm的等边三角形，由于安装板需要承载电磁铁等，为了防止其静力形变较大，影响传感器等的测量精度，其厚度设定为6mm，三组电磁铁悬浮驱动装置中的三个电磁铁分布在以三角形中心为轴心的三个角的位置上，三个电磁铁中心点的横向间距均为200mm，在电磁铁41下方对应的位置上将衔铁42安装在运动平台2的上表面。运动平台2为边长为330mm的等边三角形，厚度为60mm。三组直线电机驱动装置平台将三组永磁阵列布置在运动平台底部的以三角形中心为轴心三个角上，在永磁阵列51下方对应的位置上将空心线圈52绕组安装在基座3上。基座铝板，也为370mm的等边三角形。
优选的，运动平台2为铝合金，基座3为铝板。
在进一步的方案中，所述电涡流传感器6为三个，分别设置在安装板1的三个角上。在安装板1的三个角处预留三个孔，用于安装电涡流传感器，三个电涡流传感器的间距均为300mm，成等边三角形排列。
由于在该方案是采用三组电涡流传感器测量的间隙值间接计算旋转角度，故将安装板、运动平台和基座均为等边三角形，便于计算，提高定位平台的响应速度。
在更进一步的方案中，在安装板1的中心处预留一个圆形孔用于观察运动平台运动。
参见图4，图4为本发明提供的一种电磁铁悬浮驱动装置的结构示意图；
所述电磁铁采用软磁材料的U型电磁铁。电磁铁一般采用软磁性材料，线圈采用漆包圆导线，多股导线绕制方式。在安装板上以等边三角形中心为轴心的三个角的位置上开矩形槽，所述U型电磁铁开口向下的安装于安装板的矩形槽中。
参见图5，图5为本发明提供的一种直线电机驱动装置中永磁阵列的结构示意图；
在水平方向上永磁阵列51镶嵌于运动平台2下表面，在永磁阵列51下方对应的位置上将空心线圈52绕组安装在基座3上，直线电机驱动装置使得运动平台在静止状态下，永磁阵列与基座之间不存在吸力来影响电磁铁的悬浮。而当运动平台存在水平运动时，通过控制永磁阵列产生的磁场与空心线圈绕组产生的磁场之间的功角关系，使得平面电机的法向力为零，从而消除运动情况下水平驱动器对悬浮电磁铁产生的影响。
优选的空心线圈为三相空心线圈，永磁阵列为Halbach结构。三角形底边的两组永磁阵列的面积之和与顶点位置上的永磁阵列面积相等，保证在直线电机驱动装置水平方向上的位移能够产生相同的水平驱动力。其次，设置成面积的关系，方便控制策略移植。Halbach结构永磁阵列和空心线圈构成的三组Halbach型直线电机驱动装置，通过协调控制三组执行器的电磁力来控制平面电机的运动，该电机拟在XY平面上达到百毫米的运动行程。
在进一步的方案中，三角形底边的两组永磁阵列按照相同的排列方式布置，顶点位置上的永磁阵列排列方式与底边的两组永磁阵列相互垂直。
参见图6，图6为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的运动机理示意图。
图中三个矩形框按照顺时针方向，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ直线电机驱动装置。三角形底边的两组永磁阵列按照相同的排列方式布置，顶点位置上的永磁阵列排列方式与底边的两组永磁阵列相互垂直。即Ⅱ、Ⅲ直线电机驱动装置的永磁阵列按照相同排列方式布置，Ⅰ直线电机驱动装置的永磁阵列排列方式与Ⅱ、Ⅲ电机相互垂直。通过控制永磁平面电机的功角关系，即或者，使得各个电机的水平驱动力达到最大值（方向可正可负），记为、、，对应的、、为零。三组电磁铁模块产生的悬浮力分别记为、、。
运动机理如下分析：当控制Ⅰ永磁平面电机产生电磁力时，即为正（或者通过改变功角使得其为负）时，可获得轴正向（或者轴负方向）的运动；当控制Ⅱ、Ⅲ永磁平面电机产生电磁力时，即、为正（或者为负）时，可获得轴正向（或者轴负方向）的运动。当三组电磁铁产生作用力时，即、、产生作用力时，可使定位平台获得轴正向（或者轴负方向）的运动。当为正（或者为负），、为负（或者为正）时，且处在增大（或者减小）的过程，、处在减小（或者增大）的过程时，可实现运动平台绕轴转动；当为正（或者为负），为负（或者为正）时，且处在增大（或者减小）的过程，处在减小（或者增大）的过程时，可实现运动平台绕轴转动；当、和的运动方向相反时，可实现运动平台绕轴转动。
通过直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置可以实现磁浮式定位平台产生六自由度运动，即沿、、轴方向的平移运动和绕、、轴的旋转运动。
以上对本发明所提供的一种磁浮式精密定位平台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种磁浮式精密定位平台，其特征在于，包括安装板、运动平台、基座、直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置，其中：
在垂直方向上将所述安装板、运动平台和基座通过固定装置依次连接；所述安装板、运动平台和基座均为等边三角形，所述直线电机驱动装置和电磁铁悬浮驱动装置均设置在等边三角形的三个角的位置上；
所述电磁铁悬浮驱动装置包括电磁铁和衔铁，所述电磁铁安装在安装板上，在电磁铁下方对应的位置上将衔铁安装在运动平台的上表面；所述电磁铁悬浮驱动装置为三组，三组电磁铁悬浮驱动装置在水平方向上成等边三角形排列；
所述直线电机驱动装置包括永磁阵列和空心线圈绕组，所述永磁阵列镶嵌于运动平台下表面，在永磁阵列下方对应的位置上将空心线圈绕组安装在基座上；所述直线电机驱动装置为三组，三组直线电机驱动装置在水平方向上成等边三角形排列；三角形底边的两组永磁阵列的面积之和与顶点位置上的永磁阵列面积相等；
所述安装板边缘安装有电涡流传感器。
2.根据权利要求1所述的磁浮式精密定位平台，其特征在于，三角形底边的两组永磁阵列按照相同的排列方式布置，顶点位置上的永磁阵列排列方式与底边的两组永磁阵列相互垂直。
3.根据权利要求1所述的磁浮式精密定位平台，其特征在于，所述电涡流传感器为三个，分别设置在安装板的三个角上。
4.根据权利要求1所述的磁浮式精密定位平台，其特征在于，所述电磁铁采用软磁材料的U型电磁铁，所述U型电磁铁开口向下的安装于安装板的矩形槽中。
5.根据权利要求1所述的磁浮式精密定位平台，其特征在于，所述安装板中心预留一个圆形孔。
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