CN110524500B - 磁浮导轨运动平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁浮导轨运动平台，包括底座、Y向导轨、下悬浮体、X向导轨、上悬浮体以及Z向重力补偿装置。Y向导轨安装于底座上，下悬浮体安装于Y向导轨上并能够沿Y向导轨进行悬浮运动，X向导轨与下悬浮体固定连接以与下悬浮体沿Y向导轨进行悬浮运动，上悬浮体安装于X向导轨上并能够沿X向导轨进行悬浮运动，Z向重力补偿装置安装于底座上并与X向导轨配合以对X向导轨进行悬浮支撑，其中，X向导轨和Y向导轨相互垂直。本发明通过Z向重力补偿装置对X向导轨进行悬浮支撑，从而不仅能解决大载荷造成的能量消耗大，磁浮导轨动子结构不紧凑，质量过大的问题，又能实现大行程运动的功能。

Description

磁浮导轨运动平台
技术领域
本发明涉及磁悬浮领域，具体涉及一种磁浮导轨运动平台。
背景技术
半导体芯片对于国家科技进步与国民经济的发展来说至关重要。随着电子信息产业的高速发展大大加速半导体器件制造业朝高速化、精密化和模块化方向发展，例如在芯片加工的光刻机中，要求定位精度达到纳米级别，定位速度达到毫米每秒的级别，且需要具有真空工作环境。因此对于光刻机等半导体制造设备的设计研发对直线导轨的性能提出了非常高的要求，多自由度高性能磁悬浮导轨以其优越性逐渐被应用于该类型的光刻机中。
与传统的机械式直线运动台和气浮式直线运动台相比，磁悬浮导轨无机械接触，避免由于摩擦产生的磨损及粉尘污染，提高导轨寿命，减少维护费用，满足超洁净制造环境的要求。同时磁浮导轨利用电磁力将负载悬浮，相比于气浮导轨，能够满足需要真空环境的工作场合。
除此之外，还需要将直线电机的动子固定在磁浮导轨的动子上，将直线电机的定子固定在磁浮导轨的定子上，通过直线电机带动动子在z轴方向进行大行程运动。z向行程较大，一般由光栅、容栅等直线位移传感器进行测量。动子的悬浮间隙一般在0.3～0.5mm。为了保证间隙，实现动子的稳定悬浮，人们需要对x、y方向上的间隙和动子在各轴的偏转角度进行高精度测量。由于动子在悬浮的同时还进行z向的大行程运动，而且对测量精度要求很高，所以能够用来测量动子悬浮间隙的方法比较少。
有些文献公开磁浮导轨通过固定在动子上的多个EI电机与固定在导轨上的硅钢片产生的磁阻力克服动子的重力及其负载，从而实现动子与导轨间的悬浮间隙保持在一定范围内，达到动子稳定悬浮的效果，但该方法具有的缺点是当负载越重时，需要设计具有更多线圈的EI电机来提供磁阻力支撑负载因此造成更大的能量消耗，同时动子的体积势必增大，造成结构的不紧凑与整体质量的增加。
某些文献中通过模块化叠加磁浮导轨，设计了二维磁浮导轨，但是类似于上述文献中的缺点，由于下导轨的动子需要背负上导轨整体和负载，使得下导轨动子的质量为上导轨动子的十倍并且大大增加能量的消耗，同时由于上导轨两端未有支撑，当上导轨的动子运动到上导轨的两端时，容易产生较大的弯矩，因此也限制了上导轨的行程。
因此，现阶段需要一种新的二维磁浮导轨运动装置，既能解决大载荷造成的能量消耗大，磁浮导轨动子结构不紧凑，质量过大的问题，又能实现大行程运动的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁浮导轨运动平台，以解决上述现有技术中存在的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种磁浮导轨运动平台，所述磁浮导轨运动平台包括底座、Y向导轨、下悬浮体、X向导轨、上悬浮体以及Z向重力补偿装置，所述Y向导轨安装于所述底座上，所述下悬浮体安装于所述Y向导轨上并能够沿所述Y向导轨进行悬浮运动，所述X向导轨与所述下悬浮体固定连接以与所述下悬浮体沿Y向导轨进行悬浮运动，所述上悬浮体安装于所述X向导轨上并能够沿所述X向导轨进行悬浮运动，所述Z向重力补偿装置安装于所述底座上并与所述X向导轨配合以对所述X向导轨进行悬浮支撑，其中，所述X向导轨和所述Y向导轨相互垂直。
在一个实施例中，所述Z向重力补偿装置包括安装于所述底座上的第一永磁体和安装于所述X向导轨底部的第二永磁体，所述第一永磁体沿与所述Y向导轨平行的方向布置，通过所述第一永磁体与所述第二永磁体的配合对所述X向导轨产生向上支持力，以补偿X向导轨的重力。
在一个实施例中，所述Z向重力补偿装置包括至少两个第一永磁体，所述两个第一永磁体安装于所述Y向导轨的两侧并沿所述Y向导轨的方向延伸不小于所述Y向导轨的长度，以使在所述下悬浮体沿Y向导轨运动的整个过程中，所述重力补偿装置对所述X向导轨进行支撑。
在一个实施例中，所述第二永磁体安装于所述X向导轨的两端，所述下悬浮体安装于所述X向导轨的中部，所述第一永磁体安装于所述底座上并与所述X向导轨两端的第二永磁体配合，从而对所述X向导轨的两端进行悬浮支撑。
在一个实施例中，所述Z向重力补偿装置包括至少四个所述第一永磁体，其中两个第一永磁体布置在所述Y向导轨的两侧并与所述X向导轨两端的第二永磁体配合，另外两个第一永磁体对称布置在所述Y向导轨与所述X向导轨两端下方的第一永磁体之间。
在一个实施例中，所述底座的上表面设置有与所述Y向导轨平行的立板，所述立板的上表面设有所述第一永磁体，且所述第一永磁体在所述立板的上表面连续布置。
在一个实施例中，所述底座的上表面的两端各有与所述Y向导轨平行布置的两块立板，每一块立板的上表面设有连续布置的第一永磁体，所述第二永磁体容纳在所述两块立板之间限定处的凹槽内。
在一个实施例中，所述X向导轨包括导轨主体，所述导轨主体的上表面设置有凹槽，所述凹槽的两侧分别设有导轨部，所述导轨部的上表面、下表面以及侧面镶嵌有硅钢片；在一个实施例中，所述第一永磁体为连接在所述导轨主体下表面的磁铁块。
在一个实施例中，所述上悬浮体是由多块可拆卸的板组装而成的框架结构，且所述框架结构的内部设置有多对对称分布的磁阻电机。
在一个实施例中，所述底座的表面设置有四块立板，所述四块立板布置于Y向导轨的两侧并与Y向导轨平行布置，其中所述底座的上表面的两端各布置一块立板，所述Y向导轨与所述两端的立板之间再布置一块立板，每一块立板的上表面镶嵌有多块第一永磁体，且该多块第一永磁体在立板的上表面沿平行于Y向导轨的方向连续布置，以及所述X向导轨的导轨主体的下表面设置有多块第二永磁体，每一块所述第二永磁体位于其中一块立板上的所述第一永磁体的上方并其配合；
在一个实施例中，所述凹槽内设置直线电机定子，所述直线电机定子采用卧式设置，以及在所述凹槽的两端设置挡板，通过所述挡板限制直线电机动子的行程；
在一个实施例中，紧贴所述凹槽的侧壁还设置有光栅尺，通过所述光栅尺为直线电机的直线运动提供位置反馈。
本发明通过Z向重力补偿装置对X向导轨进行悬浮支撑，从而不仅能解决大载荷造成的能量消耗大，磁浮导轨动子结构不紧凑，质量过大的问题，又能实现大行程运动的功能。
附图说明
图1是本发明一实施例的磁浮导轨运动平台的立体图；
图2是图1的磁浮导轨运动平台又一立体图；
图3是图1的磁浮导轨运动平台的俯视图；
图4是本发明一实施例的X向导轨的立体分解图；
图5是图4的X向导轨的立体图，其示出Z向重力补偿装置的第二永磁体；
图6是本发明一实施例的上悬浮体的立体图；
图7是图6的上悬浮体的立体分解图；
图8是本发明另一实施例的磁浮导轨运动平台的立体图；以及
图9是图8的X向导轨的立体图，其示出Z向重力补偿装置的第二永磁体。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
图1是本发明的磁浮导轨运动平台100的立体图，图2是图1的磁浮导轨运动平台100的又一立体图，图3是图1的磁浮导轨运动平台100的俯视图。如图1-3所示，磁浮导轨运动平台100包括底座10、Y向导轨20、下悬浮体30、X向导轨40、上悬浮体50以及Z向重力补偿装置60，Y向导轨20安装于底座10上，下悬浮体30安装于Y向导轨20上并能够沿Y向导轨20进行悬浮运动，X向导轨40与下悬浮体30固定连接以与下悬浮体30沿Y向导轨进行悬浮运动，上悬浮体50安装于X向导轨40上并能够沿X向导轨40进行悬浮运动，Z向重力补偿装置60安装于底座10上并与X向导轨40配合以对X向导轨40进行悬浮支撑，其中，X向导轨20和Y向导轨40相互垂直。
Z向重力补偿装置60包括安装于底座10上的第一永磁体61和安装于X向导轨40底部的第二永磁体62，第一永磁体61沿Y向导轨20平行的方向布置，通过第一永磁体61与第二永磁体62的配合对X向导轨40产生向上支持力，以补偿X向导轨40的重力。
图4是本发明一实施例的X向导轨的立体分解图。下面参照图4对本发明的X向导轨进行说明。由于本发明的Y向导轨和X向导轨的结构和功能都相似，因此，此处仅仅参照图4对X向导轨进行说明，Y向导轨的结构与X向导轨的结构类似，此处不再赘述。
如图4所示，X向导轨40包括导轨主体41，导轨主体41的上表面设置有凹槽410，凹槽410的两侧分别设有导轨部411，导轨部411的上表面镶嵌有上硅钢片43，导轨部411的下表面镶嵌有下硅钢片44，导轨部411的侧面镶嵌有侧硅钢片42。与传统磁阻电机的线圈与导轨间采用整体的导轨进行磁力感应的情况相比，本发明采用的硅钢镶嵌的形式，硅钢外的材料不导磁，发热小，而传统形式整体发热大。凹槽410内设置直线电机定子45，直线电机定子45采用卧式设置，相比立式可使得纵向空间更紧凑。凹槽410的两端设置挡板46，通过挡板46限制直线电机动子的行程。紧贴凹槽410的侧壁还设置有光栅尺47，通过光删尺47为直线电机的直线运动提供位置反馈。
图5是图4的X向导轨40的立体图，其示出Z向重力补偿装置60的第二永磁体62。如图5所示，第二永磁体62连接在X向导轨40的导轨主体41的下表面上，第二永磁体62的形状较佳设置为矩形块，并在X向导轨40的导轨主体41的左右两端的下表面上各设置一个第二永磁体62。
返回参照图1-3，底座10的上表面两端分别各设置有向上伸出的两块立板11，立板11沿垂直于X向导轨40并平行于Y向导轨20的方向延伸不小于Y向导轨20的长度，立板11的上表面镶嵌有多块第一永磁体61。同一端的两块立板11之间形成第二永磁体配合槽12。当下悬浮体30带动X向导轨50沿Y向导轨20运行的过程中，第二永磁体62容纳在第二永磁体配合槽12内，并通过第一永磁体61对第二永磁体62的磁力作用对X向导轨40的两端进行支撑。从图中可以清楚看出，在本实施例中，立板11设置于底座10的上表面的两端，Y向导轨20设置于底座10的上表面的中部，且立板11与Y向导轨20平行布置。
虽然图1-3示出的实施例中立板11设置于X向导轨40两端的下方，然而，本领域的技术人员应该理解，立板11也可以设置于X向导轨40的端部与中部的下方的任意位置，其也可以在一定程度上对X向导轨起到悬浮支撑的作用，从而对X向导轨进行重力补偿。
图6是本发明一实施例的上悬浮体50的立体图，图7是图6的上悬浮体50的立体分解图。下面参照图6-7对本发明的上悬浮体50进行说明。如图6-7所示，上悬浮体50整体上由上侧板51、左侧板52、右侧板53、左下侧板54和右下侧板55组装而成的框架结构，这种组装而成的上悬浮体，方便拆卸，利于某一面的重新设计。
继续参照图6-7，上悬浮体50的内部设置有多对对称分布的磁阻电机56。具体地，在本实施中，在上悬浮体50内设置有六对磁阻电机56，分别为设置于左右侧板上的两对磁阻电机56，设置于左下侧板54和上侧板51上的两对磁阻电机56，以及设置于右下侧板55和上侧板51上的两对磁阻电机56。在上侧板51的底部还设置有直线电机动子57，直线电机动子57与设置于X向导轨40上的直线电机定子45配合。上侧板51的底部还设置有光栅探头58，通过光栅探头58读取光栅尺47上的数据，从而7为直线电机的直线运动提供位置反馈。较佳地，光栅探头58和直线电机动子57并排布置并布置在顶板上设置的两个磁阻电机56之间。上悬浮体50的左侧板52和右侧板53的前表面和后表面上还设有测量上悬浮体水平方向悬浮间隙的水平传感器591，以及上侧板51和左下侧板54以及上侧板51和右下侧板55的前表面和后表面上还设有上悬浮体50的垂直方向悬浮间隙的垂直传感器592，通过水平传感器591和垂直传感器592适时控制上悬浮体50和X向导轨40的水平间隙和垂直间隙。
下悬浮体30的结构与上悬浮体50类似，此处不再赘述。区别在于下悬浮体30的框架优选为一体结构，并在框架的顶部与X向导轨固定连接。
综上，Y向导轨、Y向直线电机定子和基座固定连接为整个平台的上悬浮体和下悬浮体提供悬浮基座和Y方向的运动导轨，X向导轨与Y向直线电机动子固连在下悬浮体上，为上悬浮体提供悬浮基座和X向导轨。上悬浮体和下悬浮体与导轨面对应的地方装有磁阻电机和气隙传感器，通过磁阻电机通电产生的悬浮力以及气隙传感器的实时反馈，使悬浮体稳定悬浮于导轨上方。安装与悬浮体上的直线电机动子与安装于导轨上的直线电机定子驱动悬浮体沿导轨方向移动。Y向导轨上的直线电机动子的直线运动带动X向导轨运动，进而带动位于上悬浮体顶部的工作台沿Y方向运动，同时，X向导轨直线电机动子壳带动工作台及工作面实现X方向的精密快速定位，从而实现X、Y方向的联动。在整个运动的过程中，位于X向导轨两端的Z向重力补偿装置对X向导轨的两端进行支撑，从而使得该平台既能解决大载荷造成的能量消耗大，磁浮导轨动子结构不紧凑，质量过大的问题，又能实现大行程运动的功能。
下面参照图8-9对本发明的磁浮导轨运动平台的另一实施例进行说明。其中，图8是本发明另一实施例的磁浮导轨运动平台200的立体图，图9是图8的X向导轨40A的立体图，其示出Z向重力补偿装置的一部分。
如图8-9所示，本实施例的磁浮导轨运动平台200与上一实施例的磁浮导轨运动平台100大部分相同，不同之处仅在于Z向重力补偿装置的设置方式。下文仅就不同之处进行详细描述，其他方面请参照图1-7所示的实施例的相关描述。
如图8-9所示，底座10上设置有四块立板11，四块立板11布置于Y向导轨20的两侧并与Y向导轨平行布置，其中底座10的上表面的两端各布置一块立板11，Y向导轨20与端部的立板11之间再布置一块立板11。与上一实施例的其中一个区别在于，位于Y向导轨20的同一侧的两块立板11之间的距离增大了。立板11的上表面镶嵌有多块第一永磁体61A，且该多块第二永磁体61A在立板11的上表面沿平行于Y向导轨的方向连续布置。对应地，X向导轨40的导轨主体41A的下表面设置有多块第二永磁体62A，在本实施例中，设置有四块第二永磁体62A，每一块第二永磁体62A对应立板11上的第一永磁体61A，从而第一永磁体61A能够对第二永磁体62A施加向上的磁力，以对X向导轨40进行悬浮支撑，从而对X向导轨进行重力补偿。
通过以上描述可以看出，本实施例与前一实施例的区别在于，在前一实施例中，第二永磁体62是容纳在两块立板11之间限定的支撑凹槽之间，而在本实施例中，第二永磁体62A直接位于第一永磁体61A的上方。
通过以上示例实施例的描述，本领域的技术人员可以清楚了解到，本发明通过Z向重力补偿装置对X向导轨进行悬浮支撑，从而不仅能解决大载荷造成的能量消耗大，磁浮导轨动子结构不紧凑，质量过大的问题，又能实现大行程运动的功能。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种磁浮导轨运动平台，其特征在于，所述磁浮导轨运动平台包括底座、Y向导轨、下悬浮体、X向导轨、上悬浮体以及Z向重力补偿装置，所述Y向导轨安装于所述底座上，所述下悬浮体安装于所述Y向导轨上并能够沿所述Y向导轨进行悬浮运动，所述X向导轨与所述下悬浮体固定连接以与所述下悬浮体沿Y向导轨进行悬浮运动，所述上悬浮体安装于所述X向导轨上并能够沿所述X向导轨进行悬浮运动，所述Z向重力补偿装置安装于所述底座上并与所述X向导轨配合以对所述X向导轨进行悬浮支撑，所述Z向重力补偿装置包括安装于所述底座上的第一永磁体和安装于所述X向导轨底部的第二永磁体，所述第一永磁体沿与所述Y向导轨平行的方向布置，通过所述第一永磁体与所述第二永磁体的配合对所述X向导轨产生向上支持力，以补偿X向导轨的重力，其中，所述X向导轨和所述Y向导轨相互垂直；
所述Z向重力补偿装置包括至少两个第一永磁体，所述两个第一永磁体安装于所述Y向导轨的两侧并沿所述Y向导轨的方向延伸不小于所述Y向导轨的长度，以使在所述下悬浮体沿Y向导轨运动的整个过程中，所述Z向重力补偿装置对所述X向导轨进行支撑；所述第二永磁体安装于所述X向导轨的两端，所述下悬浮体安装于所述X向导轨的中部，所述第一永磁体安装于所述底座上并与所述X向导轨两端的第二永磁体配合，从而对所述X向导轨的两端进行悬浮支撑；
所述X向导轨包括导轨主体，所述导轨主体的上表面设置有凹槽，所述凹槽的两侧分别设有导轨部，所述导轨部的上表面、下表面以及侧面镶嵌有硅钢片；所述第一永磁体为连接在所述导轨主体下表面的磁铁块；紧贴所述凹槽的侧壁还设置有光栅尺，通过所述光栅尺为直线电机的直线运动提供位置反馈；
所述底座的表面设置有四块立板，所述四块立板布置于Y向导轨的两侧并与Y向导轨平行布置，其中所述底座的上表面的两端各布置一块立板，所述Y向导轨与所述两端的立板之间再布置一块立板，每一块立板的上表面镶嵌有多块第一永磁体，且该多块第一永磁体在立板的上表面沿平行于Y向导轨的方向连续布置，以及所述X向导轨的导轨主体的下表面设置有多块第二永磁体，每一块所述第二永磁体位于其中一块立板上的所述第一永磁体的上方并其配合。
2.根据权利要求1所述的磁浮导轨运动平台，其特征在于，所述底座的上表面设置有与所述Y向导轨平行的立板，所述立板的上表面设有所述第一永磁体，且所述第一永磁体在所述立板的上表面连续布置。
3.根据权利要求1所述的磁浮导轨运动平台，其特征在于，所述底座的上表面的两端各有与所述Y向导轨平行布置的两块立板，每一块立板的上表面设有连续布置的第一永磁体，所述第二永磁体容纳在所述两块立板之间限定处的凹槽内。
4.根据权利要求1所述的磁浮导轨运动平台，其特征在于，所述上悬浮体是由多块可拆卸的板组装而成的框架结构，且所述框架结构的内部设置有多对对称分布的磁阻电机。
5.根据权利要求1所述的磁浮导轨运动平台，其特征在于，所述凹槽内设置直线电机定子，所述直线电机定子采用卧式设置，以及在所述凹槽的两端设置挡板，通过所述挡板限制直线电机动子的行程。
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