CN114251363A - 一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开一种适用于真空环境下主动控制的气体静压电主轴，包括轴套、轴颈、止推板、旋转电机、圆光栅编码器、电磁执行器、位移传感器、负载平台、控制器、真空室和真空发生器。其中，上下止推板与主轴呈工字型布局；轴套两端分别设计上真空室和下真空室。控制器根据圆光栅的位移信号控制旋转电机，对轴颈进行旋转位移补偿；轴套上安装两组径向/轴向电磁执行器和传感器；控制器根据径向和轴向位移传感器的位移信号控制电磁执行器，对轴颈的轴向进行补偿。本发明是一种安全可靠，适用于真空环境条件下可主动控制的气体静压电主轴，解决了气体静压电主轴系统气体泄漏导致的真空环境污染问题，实现了气体静压电主轴的高精度和高稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及高速电主轴领域，更具体地，涉及是一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴。
背景技术
气体静压电主轴因具有速度高、无摩擦、精度高、稳定性好、无磨损、寿命长等优点，广泛应用于微电子制造装备、超精密数控机床、半导体检测等超精密制造和检测领域。随着微电子制造技术的飞速发展，尤其是极紫外曝光、电子束曝光、薄膜测厚和硅片表面纳米颗粒检测等制造技术的发展，不仅要求制造装备具有纳米级的运动定位精度，而且对其工作环境的真空度或洁净度都提出了极高的要求。然而，真空环境中气体静压主轴性能变化显著，传统的大气常规环境下气体静压主轴的动力学性能和气体泄漏无法满足真空环境下纳米级运动定位的需求。因此，在设计真空环境中的气体静压电主轴的过程中，不仅需要考虑影响气体静压主轴纳米级定位精度的微振动问题，而且需要充分关注气体静压主轴的润滑气体的排放和真空环境污染问题。针对以上问题，提出一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴新构型，不仅可以避免气体排放导致的真空环境污染问题，而且可以达到主动抑制微振动的目的，实现气体静压电主轴的纳米级定位。
发明内容
针对现有技术上不足和改进需求，本发明提供了一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴新构型，该气体静压电主轴设计合理、结构紧凑、安装简便，既可以克服气体排放导致的真空环境污染问题，又能解决微振动的主动抑制问题并实现纳米级定位精度。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术手段实现的：
一种适用于真空环境下主动控制的气体静压电主轴，包括轴套、轴颈、止推板、旋转电机、圆光栅编码器、电磁执行器、位移传感器、控制器、真空室和真空发生器，轴颈为阶梯轴，轴颈同轴安装在轴套内，轴颈上同轴安装一上止推板和一下止推板，通过螺栓连接，其特征在于：轴颈与轴套之间具有微小间隙，止推板与轴套之间也具有微小间隙。
所述的上下真空室结构分别同轴安装在轴套的两端，均通过螺栓连接，上真空室结构与轴颈具有微小间隙，真空室的抽气口通过气管与外界的真空发生器连接，实现真空室的高度真空。
所述的旋转电机动子和定子分别同轴安装于下止推板和轴套的底端，均通过螺栓连接。
所述的圆光栅包括光栅尺和编码器，光栅尺同轴安装于上止推板，编码器安装于轴套上，紧邻光栅尺。圆光栅用于检测轴颈的旋转位移信号，并将检测的旋转位移信号传递给控制器，以使控制器控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而实现对轴颈位置反馈补偿。
所述的两组径向电磁执行器分别安装在轴套上，每组的三个径向传感器分别位于等边三角形的三个顶点，径向电磁执行器均与所述控制器连接。
所述的两组轴向电磁执行器分别安装在轴套的两端，每组的三个轴向传感器分别位于等边三角形的三个顶点，轴向电磁执行器均与所述控制器连接。
所述的两组径向位移传感器对称安装在轴套的两端，每组的三个位移传感器分别位于等边三角形的三个顶点；径向位移传感器均与所述控制器连接；径向位移传感器分别用于检测轴颈径向微振动位移信号，并将检测的微振动位移信号传递给控制器，控制器采用先进控制方法控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而对轴颈进行位置补偿以减小负载平台的径向微振动。
所述的三个轴向位移传感器安装在轴套顶端，三个位移传感器分别位于等边三角形的三个顶点；轴向位移传感器均与所述控制器连接；轴向位移传感器分别用于检测轴颈轴向微振动位移信号，并将检测的微振动位移信号传递给控制器，控制器采用先进控制方法控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而对轴颈进行位置补偿以减小负载平台的径向微振动。
所述控制器采用先进控制方法控制以使控制器控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而对轴颈进行位置补偿以减小负载平台的振动。
所述的控制器包括比例控制器，以保证其控制效果。
总体而言，本发明可以取得下列有益效果：
（1）本发明在轴套的两端均设计了真空室结构，可以有效的解决传统气体静压电主轴润滑气体泄露导致真空环境污染问题。
（2）本发明采用电磁执行器实现微振动的主动控制，电磁执行器可有效主动抑制气体静压电主轴的微振动，能够使气体静压电主轴系统达到纳米级定位精度；
（3）气体静压电主轴正常工作时，电磁执行器和气体静压主轴同时工作，提高了气体静压电主轴的轴向和径向承载力，弥补了气体静压电主轴稳定性差、刚度小的缺陷。
附图说明
图1为本发明所述的气体静压电主轴结构示意图。
图2为气体静压电主轴真空室水平剖的俯视图。
图3为气体静压电主轴上止推面水平剖的俯视图。
图4为气体静压电主轴下止推面水平剖的俯视图。
图5为气体静压电主轴下止推板水平剖的俯视图。
1、抽气口; 2、圆光栅尺; 3a、上真空室; 3b、下真空室；4、位移传感器; 5、轴颈;6、位移传感器; 7a、上止推板; 7b、下止推板；8、承载平台; 9、真空发生器; 10、电磁执行器; 11、高压气体进口; 12、旋转电机转子; 13、电磁执行器; 14、圆光栅编码器; 15、电磁执行器;16、轴套; 17、位移传感器; 18、电磁执行器;19、旋转电机定子; 20、控制器。
具体实施方式
为了更具体的阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面通过借助实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的实施例仅是说明性，非限定性的，本发明的保护范围不受这些实施例的限制。
图1是按照本发明优选实施例一所构建的一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴装置的结构示意图，如图1所示，该主动控制的气体静压电主轴，包括轴套（16）、轴颈（5）、止推板（7a、7b）、旋转电机（12、19）、圆光栅（2、14）、电磁执行器（10、13、15、18）、位移传感器（4、6、17）、控制器（20）、真空室（3a、3b）和真空发生器（9a、9b、9c），轴套（16）内同轴安装一轴颈（5），该轴颈（5）同轴安装一上止推板（7a）和一下止推板（7b），轴颈（5）和上下止推板（7a、7b）通过螺栓连接。轴套（16）与轴颈（5）之间存在微小间隙，轴套（16）与上下止推板（7a、7b）之间存在微小间隙，高压气体经进气口（11）流向节流孔进入微小间隙内形成高压气膜，实现轴颈（5）与轴套（16）和轴套（16）与上下止推板（7a、7b）之间的无接触支承。
如图1所示，本实施案例中的轴颈（5）和上下止推板（7a、7b）采用金属材料（不锈钢或铜等）制成，其他部件采用金属材料（航空铝或钢等）制成。
如图1所示，轴套（16）两端分别同轴安装一上真空室结构（3a）和一下真空室结构（3b），真空室结构（3a、3b）均通过螺栓与轴套（16）连接，真空室结构（3a、3b）的抽气口（1a、1b、1c）通过软管与真空发生器（9a、9b、9c）连接，实现真空室（3a、3b）高度真空。
如图1所示，光栅尺（2）通过螺栓与上止推板（7a）同轴连接，编码器（14）与轴套（16）通过螺栓连接。圆光栅（2、14）用于检测轴颈的旋转位移信号，并将检测的旋转位移信号传递给控制器（20），控制器（20）采用先进控制方法控制旋转电机（12、19）施加作用力在轴颈（5）上，从而对轴颈（5）的位置进行反馈补偿。
如图3和图4所示，两组轴向电磁执行器（15、18）通过粘结方式同轴安装在轴套（16）上，每组的三个轴向电磁执行器（15a、15b、15c、18a、18b、18c）呈等边三角形布局，轴向电磁执行器（15a、15b、15c、18a、18b、18c）均与所述控制器（20）连接。
如图2和图5所示，两组径向电磁执行器（10、13）通过粘结方式同轴安装在轴套上，每组的三个径向电磁执行器（10a、10b、10c、13a、13b、13c）呈等边三角形布局，径向电磁执行器（10a、10b、10c、13a、13b、13c）均与所述控制器（20）连接。
如图2所示，两组径向位移传感器（6、17）通过粘结方式同轴安装在轴套上，每组的三个径向位移传感器（6a、6b、6c、17a、17b、17c）呈等边三角形布局。径向位移传感器（6a、6b、6c、17a、17b、17c）用于检测轴颈的径向位移信号，并将检测的径向位移信号传递给控制器（20），控制器（20）采用先进控制方法控制径向电磁执行器（9a、9b、9c、13a、13b、13c）施加作用力在轴颈（5）上，从而实现轴颈（5）的径向位置进行反馈补偿。
如图3所示，三个轴向位移传感器（4a、4b、4c）通过粘结方式同轴安装在轴套（16）上，三个轴向位移传感器（4a、4b、4c）呈等边三角形布局。轴向位移传感器（4a、4b、4c）用于检测轴颈（5）的轴向位移信号，并将检测的轴向位移信号传递给控制器（20），控制器（20）采用先进控制方法控制轴向电磁执行器（15a、15b、15c、18a、18b、18c）施加作用力在轴颈（5）上，从而实现轴颈（5）的轴向位置进行反馈补偿。
如图1所示，气体静压电主轴在启动之前，先通入高压气体，实现气体静压电主轴的轴颈（5）与止推板（7a、7b）相对于轴套（16）的无接触支承；然后通过径向电磁执行器（10a、10b、10c、13a、13b、13c）和轴向电磁执行器（15a、15b、15c、18a、18b、18c）施加作用力于轴颈（5）上，实现主轴（5、8、7a、7b、2、12）的实际质心与理想质心重合；最后启动旋转电机（12、19），实现轴颈（5）和止推板（7a、7b）相对于轴套（16）高速稳定无接触运转。
以上所述为本发明的最佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于真空环境条件下主动可控的气体静压电主轴，包括轴套、轴颈、止推板、旋转电机、圆光栅编码器、电磁执行器、位移传感器、负载平台、控制器、真空室和真空发生器，其特征在于。
2.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴，其特征在于：轴颈为阶梯轴，其轴颈上端采用螺旋密封，轴颈同轴安装在轴套内，轴颈与轴套之间具有微小间隙；轴颈上同轴安装一个上止推板和一下止推板，止推板与轴套之间具有微小间隙；轴颈的顶端同轴安装一负载平台。
3.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴，其特征在于：轴套的两端分别同轴安装一上真空室结构和一下真空室结构，通过螺栓连接，真空室的抽气口通过气管与外界的真空发生器连接，上真空室结构与轴颈之间具有微小间隙。
4.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下的主动可控的气体静压电主轴，其特征在于：旋转电机动子和定子分别同轴安装于下止推板和轴套的底端。
5.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴，其特征在于：圆光栅编码器的光栅尺和读数头分别同轴安装于上止推板和轴套的顶端；圆光栅用于检测轴颈的旋转位移信号，并将检测的旋转位移信号传递给控制器，以使控制器控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而对轴颈进行位置补偿。
6.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴，其特征在于：轴套上对称安装两组径向电磁执行器，每组的三个径向传感器分别位于等边三角形的三个顶点；轴套的两端对称安装两组轴向电磁执行器，每组的三个轴向电磁执行器分别位于等边三角形的三个顶点；电磁执行器均与所述控制器连接。
7.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下的主动可控的气体静压电主轴，其特征在于：轴套的两端对称安装两组径向位移传感器，每组的三个位移传感器分别位于等边三角形的三个顶点；轴套上安装三个以等边三角形布置的轴向位移传感器；径向和轴向位移传感器均与所述控制器连接；径向和轴向位移传感器分别用于检测轴颈径向和轴向微振动位移信号，并将检测的微振动位移信号传递给控制器，控制器采用先进控制方法控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而对轴颈进行位置补偿以减小负载平台的微振动。
8.根据权利要求1所述的一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴，其特征在于：所述控制器PID控制器，以保证其控制效果。
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