CN111799979A - 一种直线电机及三自由度平面运动台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度平面运动台，其包括一种直线电机，所述直线电机包括线圈和磁铁，所述线圈和磁铁之间按一定的偏置距离进行偏置定位，使所述直线电机的动子可相对于所述直线电机的定子在与所述直线电机驱动方向的垂直方向运动；还包括可相对移动的平台定子和平台动子，所述平台定子上布置有若干所述直线电机，所述直线电机的磁铁部分固定在所述平台定子上，所述直线电机的线圈部分固定在所述平台动子上；或者，所述直线电机的线圈部分固定在所述平台定子上，所述直线电机的磁铁部分固定在所述平台动子上。本发明的结构精简紧凑、布局效率高、发热少且定位精度高。
Description
技术领域
本发明属于半导体装备制造领域涉及一种微操作运动台机构，具体而言涉及一种三自由度平面运动台。
背景技术
现有的三自由度平面运动台（X,Y方向直行运动，RZ方向旋转）一般采用两种布局方式。一种是将三个自由度运动分别采用独立的机构实现并将三套机构叠加在一起的方式，如图1所示，通过多个常规直线电机机构叠加实现（直线电机凭借其相比旋转电机而言的高传动效率而日益在线性传动领域被广泛应用），所述常规直线电机的结构如图9、10所示；另外一种布局是采用定制化的平面电机实现三自由度运动，如图2所示。
这两种布局都有各自的缺点:
1）对于机构叠加的布局
①最终运动部件与基座之间通过各层机构连接，各层机构的扰动都会传递到最终运动部件从而导致平台定位精度差；
②采用层叠方式，平台在垂直方向尺寸大；
③零件多，结构复杂。
2）对于定制化的平面电机的布局
①平面电机的定制，设计周期及交货周期长且结构复杂；
②平面电机发热量大，效率低。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的旨在提供一种三自由度平面运动台，该运动台结构精简紧凑、布局效率高、发热少且定位精度高。
本发明的另一发明目的在于提供一种直线电机实现上述运动台的三自由度平面运动。
为到达上述发明目的，本发明的通过以下技术方案实现：
一种直线电机，包括线圈和磁铁，所述线圈和磁铁之间按一定的偏置距离进行偏置定位，使所述直线电机的动子可相对于所述直线电机的定子在与所述直线电机驱动方向的垂直方向运动。
一种三自由度平面运动台，其包括可相对移动的平台定子和平台动子，所述平台定子上布置有若干所述直线电机，所述直线电机的磁铁部分固定在所述平台定子上，所述直线电机的线圈部分固定在所述平台动子上；或者，所述直线电机的线圈部分固定在所述平台定子上，所述直线电机的磁铁部分固定在所述平台动子上。
进一步的，所述平台定子和所述平台动子之间设置有空气轴承。
进一步的，所述空气轴承布置有四个，分别支撑在所述平台动子的四周。
本发明的工作原理如下：
本发明采用直线电机驱动平面运动台的平台动子，采用将直线电机动子与定子偏置定位数毫米的方式使电机动子可相对于定子在与电机驱动方向垂直的方向运动，从而实现平台在X,Y及RZ方向的平面运动（微动）。但是由于本发明中直线电机线圈与磁铁偏置定位会导致线圈与磁铁的重叠面积减少。由于F=B·I·L·N，此为计算直线电机力的简化公式，其中F为电机推力，B为磁场强度，I为线圈中电流，L为线圈在磁场B中的有效长度，N为线圈圈数，线圈与磁铁偏置定位相当于减少了L因此电机推力会相应的减少。
针对上述问题本发明采用如下方法解决这个问题：通过实验的方式测量线圈与磁铁偏置定位时在相同输入电流时电机出力的变化，得出线圈偏置与推力常数变化之间关系的曲线，在设计电机控制算法时将测量的曲线作为补偿曲线提前输入到控制系统，从而实现电机线圈与磁铁在偏置不同距离时拥有恒定的推力，从而实现精确，稳定的控制。
同时本发明的动子隔绝了外部世界的干扰，配合高精度测量系统本发明可实现纳米级别的定位精度。如图3所示，实直线表示在直线电机磁铁与线圈偏置定位时电机常数的变化，虚直线为补偿器中对应补偿电流的变化。电流变化与电机常数变化一一对应从而实现稳定的控制。图8为本发明简化的控制原理图，实验测得的曲线会存入一个查找表，传感器检测到线圈与磁铁的偏置距离后会将信息传递给查找表,从而将对应的电流值补偿到控制环路中。
有益效果
与现有技术相比，本发明的三自由度平面运动台，具备以下有益效果：
1、本发明采用将直线电机动子与定子偏置定位数毫米的方式使电机动子可相对于定子在与电机驱动方向垂直的方向运动，从而实现平台在X,Y及RZ方向的平面运动（微动）。
2、本发明采用四个标准直线电机驱动平台动子，因此省去了定制的时间，降低了定制的不可控风险，大大缩短了开发周期。同时因为采用直线电机，不需要额外的线圈，因此相对于平面电机布局效率更高，发热更少。
3、相对于现有采用层叠结构的布局，本发明结构更简单。由于平台动子与平台定子之间没有任何机械连接，因此可以隔绝外部干扰，达到更高的定位精度。同时因为没有层叠结构，本发明在垂直方向尺寸更小，结构更紧凑。
4、特别的本发明采用特殊的补偿控制算法使电机在推力常数变化的条件下具有恒定的推力输出。
附图说明
图1为现有技术中机构叠加布局实现的三自由度运动台的结构示意图。
图2为现有技术中定制化的平面电机实现的三自度运动台产品示意图。
图3为本发明中电机推力常数变化曲线示意图。
图4为本发明的三自由度平面运动台的一实施例的结构示意图。
图5为图4中揭示的实施例的侧视图。
图6为本发明的三自由度平面运动台的另一实施例的结构示意图。
图7为图6中揭示的实施例的侧视图。
图8为本发明简化的控制原理图。
图9为现有技术中直线电机的结构示意图。
图10 为图9中A-A截面图。
图11为本发明中的直线电机的机构示意图。
图12为图11中B-B截面图。
图13为本发明的三自由度平面运动台采用三个直线电机驱动的结构示意图；其中图13（a）为磁铁部分固定在平台定子上，线圈部分固定在平台动子上的示意图，图13（b）磁铁部分固定在平台动子上，线圈部分固定在平台定子上的示意图。
图14为本发明的三自由度平面运动台采用三个直线电机驱动的情况下，另一实施例的结构示意图；其中图14（a）为磁铁部分固定在平台定子上，线圈部分固定在平台动子上的示意图，图14（b）磁铁部分固定在平台动子上，线圈部分固定在平台定子上的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
参见图11和图12所示，一种直线电机，所述直线电机包括线圈和磁铁，所述线圈和磁铁之间按一定的偏置距离D进行偏置定位，使所述直线电机的动子可相对于所述直线电机的定子在与所述直线电机驱动方向的垂直方向运动。
实施例二：
参见图4、图5所示，一种三自由度平面运动台，其包括可相对移动的平台定子1和平台动子2，所述平台定子1上布置有四个所述直线电机（参见实施例一），分别为第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304，所述第一、第二直线电机301，302相对布置，所述第三、第四直线电机303，304相对布置，所述平台动子2位于所述第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304构成的区域内。
进一步的，所述第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304的磁铁部分固定在所述平台定子1上，所述第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304的线圈部分固定在所述平台动子2上。
进一步的，所述平台定子1和所述平台动子2之间设置有空气轴承4。
进一步的，所述空气轴承4布置有四个，分别支撑在所述平台动子2的四周。
本实施例中，所述第一直线电机301和第二直线电机302驱动所述平台动子2在Y方向直线运动，所述第三直线电机303和第四直线电机304驱动所述平台动子2在X方向直线运动，所述第一、第二直线电机301，302，或者所述第三和第四直线电机303，304一起驱动所述平台动子2在RZ方向旋转。
实施例三：
参见图6、图7所示，一种三自由度平面运动台，包括可相对移动的平台定子1和平台动子2，所述平台定子1上布置有四个所述直线电机（参见实施例一），分别为第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304，所述第一、第二直线电机301，302相对布置，所述第三、第四直线电机303，304相对布置，所述平台动子2位于所述第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304构成的区域内。
进一步的，所述第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304的线圈部分固定在所述平台定子1上，所述第一、第二、第三和第四直线电机301，302，303，304的磁铁部分固定在所述平台动子2上。
进一步的，所述平台定子1和所述平台动子2之间设置有空气轴承4。
进一步的，所述空气轴承4布置有四个，分别支撑在所述平台动子2的四周。
在此实施例中，将所述的四个直线电机的线圈固定在所述平台定子1上，磁铁固定在所述平台动子2上，此实施例相对于实施例二的优势在于所述平台动子2不与所述直线电机的线圈连接，减少了电机线缆对平台动子2的扰动。
实施例四：
参见图所述13（a）和图13（b）所示，一种三自由度平面运动台，其包括可相对移动的平台定子1和平台动子2，所述平台定子1上布置有三个所述直线电机参见实施例一，分别为第一直线电机301、第二直线电机302和第三直线电机303，所述第一、第二直线电机301，302相对布置在所述平台动子2的两侧，且设置在所述平台动子2的X方向上，用于驱动所述平台动子2在Y方向直线移动，所述第三直线电机303设置在所述平台动子2的Y方向上，用于驱动所述平台动子2在X方向直线移动，所述第一、第二直线电机301，302一同驱动所述平台动子2在RZ方向旋转。其他结构参见实施例二或实施例三。
实施例五：
参见图所述14（a）和图14（b）所示，一种三自由度平面运动台，其包括可相对移动的平台定子1和平台动子2，所述平台定子1上布置有三个所述直线电机参见实施例一，分别为第一直线电机301、第二直线电机302和第三直线电机303，所述第一、第二、第三直线电机301，302，303均匀布置在所述平台动子2的外侧，所述第三直线电机303位于所述平台动子2的Y方向上，用于驱动所述平台动子2在X方向直线移动，所述第一、第二直线电机301，302共同作用下驱动所述平台动子2在Y方向直线移动，所述第一、第二、第三直线电机301，302，303一同驱动所述平台动子2在RZ方向旋转。其他结构参见实施例二或实施例三。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种直线电机，包括线圈和磁铁，其特征在于：所述线圈和磁铁之间按一定的偏置距离（D）进行偏置定位，使所述直线电机的动子可相对于所述直线电机的定子在与所述直线电机驱动方向的垂直方向运动。
2.一种三自由度平面运动台，其特征在于：包括如权利要求1所述的直线电机。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：包括可相对移动的平台定子（1）和平台动子（2），所述平台定子（1）上布置有若干所述直线电机，所述直线电机的磁铁部分固定在所述平台定子（1）上，所述直线电机的线圈部分固定在所述平台动子（2）上。
4.根据权利要求2所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：包括可相对移动的平台定子（1）和平台动子（2），所述平台定子（1）上布置有若干所述直线电机，所述直线电机的线圈部分固定在所述平台定子（1）上，所述直线电机的磁铁部分固定在所述平台动子（2）上。
5.根据权利要求3或4所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：所述的若干直线电机包括三个，分别为第一直线电机（301）、第二直线电机（302）和第三直线电机（303），所述第一、第二直线电机（301，302）相对布置在所述平台动子（2）的两侧，且设置在所述平台动子（2）的X方向上，用于驱动所述平台动子（2）在Y方向直线移动；所述第三直线电机（303）设置在所述平台动子（2）的Y方向上，用于驱动所述平台动子（2）在X方向直线移动；所述第一、第二直线电机（301，302）一同驱动所述平台动子（2）在RZ方向旋转。
6.根据权利要求3或4所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：所述的若干直线电机包括三个，分别为第一直线电机（301）、第二直线电机（302）和第三直线电机（303），所述第一、第二、第三直线电机（301，302，303）均匀布置在所述平台动子（2）的外侧，所述第三直线电机（303）位于所述平台动子（2）的Y方向上，用于驱动所述平台动子（2）在X方向直线移动，所述第一、第二直线电机（301，302）共同作用下驱动所述平台动子（2）在Y方向直线移动，所述第一、第二、第三直线电机（301，302，303）一同驱动所述平台动子（2）在RZ方向旋转。
7.根据权利要求3或4所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：所述的若干直线电机包括第一、第二、第三和第四直线电机（301，302，303，304），所述第一、第二直线电机（301，302）相对布置在所述平台动子（2）的两侧，且设置在所述平台动子（2）的X方向上，用于驱动所述平台动子（2）在Y方向直线移动；所述第三、第四直线电机（303，304）相对布置在所述平台动子（2）的另外两侧，且设置在所述平台动子（2）的Y方向上，用于驱动所述平台定子（1）在X方向直线移动；所述第一、第二直线电机（301，302）或所述第三、第四直线电机（303，304）一同驱动所述平台动子（2）在RZ方向旋转。
8.根据权利要求3或4所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：所述平台定子（1）和所述平台动子（2）之间设置有空气轴承（4）。
9.根据权利要求8所述的一种三自由度平面运动台，其特征在于：所述空气轴承（4）布置有四个，分别支撑在所述平台动子（2）的四周。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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2020
- 2020-08-03 CN CN202010768704.9A patent/CN111799979A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN114513085B (zh) * | 2022-02-08 | 2024-04-19 | 江苏集萃苏科思科技有限公司 | 一种四自由度运动台及控制系统 |
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