CN116418192A - 运动阻尼可调的高精度直线运动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置。所述高精度直线运动装置包括定子组件和动子组件，所述定子组件包括第一定子和第二定子；所述动子组件包括直线导向动子骨架以及固定设置在所述直线导向动子骨架上的第一动子和第二动子，所述第一定子和第一动子中的一者为电磁体，另一者为电磁体或永磁体，所述第二定子和第二动子中的一者为电磁体，另一者为导体；所述第一定子和第一动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第三方向直线运动的作动力，所述第二定子和第二动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第四方向直线运动的安培力。本发明提供的高精度直线运动装置能够实现快速稳定的高精度推力和位移输出。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，属于工业自动化设备及半导体制造装备技术领域。
背景技术
低阻尼或无摩擦导轨，例如，气浮、磁浮、柔性机构、直线导轨等被广泛的应用于高精度运动系统，这些低阻尼导轨使系统能够实现微纳米级的定位精度。但是，由于系统的低阻尼特性，在定位过程中易激发系统谐振，导致稳定时间增加，控制增益裕量不足、易振动等问题。
传统高精度运动系统阻尼比恒定，常见的振动抑制方法有，通过机械设计改变系统谐振频率，使得谐振频率移出控制带宽之外，但这种方法需要对原系统做出大量改变；增加滤波器，去除谐振频率的激励等，但会增加系统相位延迟，减少相位裕量。此外，当具有谐振频率的外部振动源施加于系统时，滤波器“失效”。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，包括定子组件和动子组件，所述定子组件沿第一方向间隔设置在所述动子组件的一侧；
所述定子组件包括沿第二方向间隔设置的第一定子和第二定子；所述动子组件包括直线导向动子骨架以及沿第二方向间隔固定设置在所述直线导向动子骨架上的第一动子和第二动子，所述第一定子与所述第一动子相匹配，所述第二定子与第二动子相匹配，
其中，所述第一定子和第一动子中的一者为电磁体，另一者为电磁体或永磁体，所述第二定子和第二动子中的一者为电磁体，另一者为导体；当所述第一定子、第一动子、第二定子和第二动子中的电磁体通电时，所述第一定子和第一动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第三方向直线运动的作动力，所述第二定子和第二动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第四方向直线运动的安培力，并且所述安培力小于所述作动力，所述第四方向与第三方向相反。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，采用作动-阻尼集成的设计方案，装置输出力和线圈中的输入电流基本成正比关系，可以实现快速稳定的高精度推力和位移输出；
2)本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，通过调节阻尼线圈输出电流大小以调节非接触式的粘滞阻尼力，可以有效调控系统的阻尼特性，提高装置的抗扰能力和可控性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置的组装分解结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置的截面示意图；
图4是本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置中导向组件的俯视图；
附图标记说明：定子组件-1，动子组件-2，第一铁芯-11a，第一线圈-11b，第二铁芯-12a，第二线圈-12b，隔磁桥-13，永磁体动子-21，导电金属动子-22，直线导向动子骨架-23。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，用于半导体设备等高端装备实现高精度直线运动，例如，硅片台调平装置、激光系统调焦装置。
本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，提出采用作动-阻尼集成的设计方案，装置输出力和电流基本成正比关系，提供作动力同时也能提供阻尼力。所述作动器是基于电磁耦合原理能够实现高精度推力控制和位移输出；所述阻尼器基于涡流效应提供非接触式的粘滞阻尼，通过调控所述阻尼线圈的输入电流实现相应的输出阻尼力，在不改变原系统物理特性的前提下，主动调节系统阻尼特性，提高装置的抗扰能力和可控性。此外，作动-阻尼器均经过磁路优化，装置具有高推力密度、阻尼系数可调范围大的优点。
本发明实施例提供了一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，包括定子组件和动子组件，所述定子组件沿第一方向间隔设置在所述动子组件的一侧；
所述定子组件包括沿第二方向间隔设置的第一定子和第二定子；所述动子组件包括直线导向动子骨架以及沿第二方向间隔固定设置在所述直线导向动子骨架上的第一动子和第二动子，所述第一定子与所述第一动子相匹配，所述第二定子与第二动子相匹配，
其中，所述第一定子和第一动子中的一者为电磁体，另一者为电磁体或永磁体，所述第二定子和第二动子中的一者为电磁体，另一者为导体；当所述第一定子、第一动子、第二定子和第二动子中的电磁体通电时，所述第一定子和第一动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第三方向直线运动的作动力，所述第二定子和第二动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第四方向直线运动的安培力，并且所述安培力小于所述作动力，所述第四方向与第三方向相反。
在一些较为具体的实施方案中，所述定子组件包括两个第一定子和一个第二定子，两个所述第一定子沿第二方向间隔对称设置在所述第一定子的两侧。
在一些较为具体的实施方案中，所述动子组件包括两个第一动子和一个第二动子，两个所述第一动子沿第二方向间隔对称设置在所述第二动子的两侧。
在一些较为具体的实施方案中，所述的高精度直线运动装置包括两个定子组件，两个所述定子组件沿第一方向对称设置在所述动子组件的两侧。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一定子和第二定子之间设置有隔磁桥，并经所述隔磁桥磁性隔离。
在一些较为具体的实施方案中，所述直线导向动子骨架上设置有第一卡槽和第二卡槽，所述第一动子和第二动子分别对应设置在所述第一卡槽、第二卡槽内，其中，所述直线导向动子骨架为不导磁的构件。
在一些较为具体的实施方案中，所述的高精度直线运动装置还包括动子导向机构，所述动子导向机构沿第二方向设置在所述直线导向动子骨架的两侧，且所述直线导向动子骨架与所述动子导向机构活动配合，并能够沿所述动子导向机构作直线运动。
在一些较为具体的实施方案中，所述导向机构为形状可调的柔性导向机构。
在一些较为具体的实施方案中，所述动子导向机构为低阻尼的直线导轨。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一定子包括第一铁芯和绕制在第一铁芯上的第一线圈，所述第二定子包括第二铁芯和绕制在第二铁芯上的第二线圈，所述第一铁芯和第二铁芯之间设置有隔磁桥并经所述隔磁桥磁性隔离；
所述第一动子包括至少一永磁体，所述第二动子包括至少一金属导体，所述第一铁芯的端面朝向所述永磁体且与所述永磁体之间具有间隙，所述第二铁芯的端面朝向所述金属导体且与所述金属导体之间具有间隙。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一铁芯具有两个第一齿部，两个所述第一齿部之间形成第一线圈槽，所述第二铁芯具有两个第二齿部，两个所述第二齿部之间形成第二线圈槽，所述第一线圈槽和第二线圈槽经所述隔磁桥隔断，所述第一线圈、第二线圈分别对应设置在所述第一线圈槽、第二线圈槽内。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，应当理解的，本发明实施例意在解释说明本发明提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置的结构组成、各组成结构之间的连接关系以及其工作原理，除非特别说明的之外，本发明实施例中的中的永磁体、电磁体、导电线圈等均可以通过市购获得，在此不对各组成结构的尺寸和型号进行限定。
实施例1
本实施例中的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，采用作动-阻尼集成的设计方案，装置包括定子组件与动子组件两部分，所述定子组件用于提供磁场，所述动子组件将直线导向动子骨架与第一动子和第二动子灌封成一体，因此第一定子和第一动子之间配合提供的作用力和第二定子和第二动子配合提供的主动阻尼力(即安培力)可以同时施加在直线导向动子骨架上，并通过所述直线导向动子骨架向外界输出位移。
请请参阅图1-图4，一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置包括定子组件1和动子组件2，两个所述定子组件11沿第一方向间隔对称设置在所述动子组件2的两侧，
所述定子组件1包括第一铁芯11a、第二铁芯12a以及隔磁桥13，所述第一铁芯上11a绕制有第一线圈11b，所述第一线圈11b与所述第一铁芯11a组合形成第一定子并能够提供第一磁场，所述第二铁芯12a上绕制有第二线圈(可以理解为阻尼线圈，下同)12b，所述第二线圈12b与所述第二铁芯12a组合形成第二定子并能够提供第二磁场，所述第一铁芯11a和第二铁芯12a沿第二方向依次设置，且所述第一铁芯11a和第二铁芯12a之间经隔磁桥隔离13，从而使所述第一定子和第二定子分别形成独立的磁路；
所述动子组件2包括直线导向动子骨架23、永磁体动子(即前述第一动子，下同)21以及导电金属动子(即前述第二动子，下同)22，所述永磁体动子21、导电金属动子22沿第二方向间隔固定设置在所述直线导向动子骨架23上，所述永磁体动子21、导电金属动子22分别与所述第一定子、第二定子相匹配，当所述第一线圈11b、第二线圈12b通电时，所述永磁体动子21在所述第一定子提供的第一磁场中受到沿第三方向的作动力，所述导电金属动子22在所述第二定子提供的第二磁场中受到沿第四方向的安培力，所述动子组件2在所述作动力和安培力的合力作用下沿第三方向作直线运动。
在本实施例中，请参阅图4，所述第三方向、第四方向和第二方向平行，所述第二方向与第一方向垂直，所述第三方向和第四方向相反，所述作动力大于所述安培力，可以理解的，所述作动力作为驱使所述动子组件2作直线运动的驱动力，所述动子组件2整体作直线运动时，所述导电金属动子22在所述第二磁场中产生感应电流，且感应电流会使导电金属动子22受到安培力的作用，且所述安培力的方向总是阻碍导电金属动子22的运动，即所述安培力的方向始终与所述作动力的方向相反。
可以理解的，所述第一定子和第一动子配合提供驱使所述动子组件2做直线运动的驱动力或作动力，而所述第二定子和第二动子之间产生的安培力即为阻止所述动子组件2沿指定方向做直线运动的电涡流阻尼力。
需要说明的是，所述第一铁芯11a和第一线圈组合形成的第一定子主要用于提供驱使永磁体动子21作直线运动的第一磁场，所述第一磁场的励磁方式可以是永磁体、电磁体或者两者的组合，其中，所述永磁体可以采用哈尔巴赫永磁阵列或交替磁极排布方式，也可以是多层结构等；优选的，所述第一磁场励磁方式可以采用电励磁或混合励磁等方式，以提高电机性能。
在本实施例中，所述第二定子铁芯12a和第二线圈组合形成的第二定子主要用于提供驱使导电金属动子22作直线运动的第二磁场(即阻尼磁场)，所述第二磁场励磁方式可以是永磁体、电磁体或者两者的组合，其中，所述永磁体可以采用哈尔巴赫永磁阵列或交替磁极排布方式，也可以是多层结构等。优选的，所述第二磁场的励磁方式可以采用电励磁或混合励磁等方式，以提高电机性能。
在本实施例中，所述第一铁芯11a具有两个第一齿部，两个所述第一齿部之间形成第一线圈槽，所述第二铁芯12a具有两个第二齿部，两个所述第二齿部之间形成第二线圈槽，所述第一线圈槽和第二线圈槽经所述隔磁桥13隔断，所述第一线圈11b、第二线圈12b分别对应设置在所述第一线圈槽、第二线圈槽内，所述第一铁芯11a的端面朝向所述永磁体动子21且与所述永磁体动子21之间具有间隙，所述第二铁芯12a的端面朝向所述金属导体动子22且与所述金属导体之间具有间隙。
在本实施例中，所述第一线圈11b和第二线圈12b均为导电线圈，所述第一铁芯11a和第二铁芯12a可以分别采用不同的导磁性能高的软磁材料，例如，硅钢片、电工纯铁、铁镍合金等。
在本实施例中，所述的高精度直线运动装置包括两个定子组件1，两个所述定子组件1沿第一方向对称设置在所述动子组件2的两侧，两个所述定子组件1对称设置对可以平衡法向吸力。
在本实施例中，所述定子组件1包括两个第一铁芯11a和一个第二铁芯12a，两个所述第一铁芯11a沿第二方向间隔对称设置在所述第二铁芯12a的两侧，相应地，所述动子组件2包括两个永磁体动子21和一个金属导体动子22，两个所述永磁体动子21沿第二方向间隔对称设置在所述金属导体动子22的两侧。
在本实施例中，所述第二铁芯12a、第二线圈12b、与之匹配的导电金属动子22的尺寸参数、第二线圈12b的匝数等可随需求的阻尼力变化而进行优化调节。
在本实施例中，所述直线导向动子骨架23上设有第一卡槽以及第二卡槽，所述永磁体动子21、导电金属动子22分别对应设置在所述第一卡槽、第二卡槽内，所述动子骨架23与永磁体动子21和导电金属动子22灌封成一体，从而形成所述的动子组件。
在本实施例中，所述导电金属动子22的材质可以是铝、银等导电性能高的金属材料，所述导电金属动子22可以为多层结构和排布方式，以提高产生的涡流阻尼力密度。
在本实施例中，所述直线导向动子骨架23可以为低阻尼的直线导轨，所述导向机构为形状结构可调的柔性导向机构，例如，所述直线导向动子骨架23可以碳纤维、玻璃纤维、铝合金等低密度、高强度的骨架。
在本实施例中，所述直线导向动子骨架23为高强度、低电阻率的不导磁材料通过机械加工形成的拓扑结构。
在本实施例中，所述永磁体动子21可以通过合理的永磁体排布和组合方式来提高作动力密度，例如，所述永磁体动子21可以采用哈尔巴赫永磁阵列或交替磁极排布方式，也可以是多层结构等。
在本实施例中，可以通过改变输入第二线圈12b内的电流大小、导电金属动子22的导电率、直线导向动子骨架23的运动速度等来调节所述第二磁场和通电的导电金属动子22之间产生的安培力的大小。
在本实施例中，所述的高精度直线运动装置还包括动子导向机构，所述动子导向机构沿第二方向设置在所述直线导向动子骨架的两侧，且所述直线导向动子骨架与所述动子导向机构活动配合，并能够沿所述动子导向机构作直线运动，其中，所述导向机构为形状可调的柔性导向机构，例如，所述动子导向机构为低阻尼的直线导轨。
实施例2
本实施例中一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置与实施例1中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第一定子采用永磁体，第一动子采用由铁芯和绕制在铁芯上的导电线圈组合形成的电磁体，所述第二定子采用导电金属，所述第二动子采用由由铁芯和绕制在铁芯上的导电线圈组合形成的电磁体。
需要说明的是，所述第一定子和第一动子可以同时采用由铁芯和绕制在铁芯上的导电线圈组合形成的电磁体。
本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，驱使动子组件运动的合力大小和通入线圈中的电流基本成正比关系，当永磁体动子运动时产生高精度作动力，通过调节第二线圈中电流大小可以输出非接触、近似线性的涡流阻尼力，从而可以提高装置的抗扰能力和可控性，能够实现快速稳定的高精度推力和位移输出。
本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，采用作动-阻尼集成的设计方案，可以实现快速稳定的高精度推力和位移输出；以及，本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，采用主动调节阻尼线圈输出电流大小以调节非接触式的粘滞阻尼力，在不改变原系统物理特性的前提下，可以有效调控系统阻尼特性，提高装置的抗扰能力和可控性；另外，本发明实施例提供的一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，其中集成的作动-阻尼磁路均经过优化，所述高精度直线运动装置具有高精度、大推力密度、阻尼系数可调范围大的优点。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种运动阻尼可调的高精度直线运动装置，其特征在于：包括定子组件和动子组件，所述定子组件沿第一方向间隔设置在所述动子组件的一侧；
所述定子组件包括沿第二方向间隔设置的第一定子和第二定子；所述动子组件包括直线导向动子骨架以及沿第二方向间隔固定设置在所述直线导向动子骨架上的第一动子和第二动子，所述第一定子与所述第一动子相匹配，所述第二定子与第二动子相匹配，
其中，所述第一定子和第一动子中的一者为电磁体，另一者为电磁体或永磁体，所述第二定子和第二动子中的一者为电磁体，另一者为导体；当所述第一定子、第一动子、第二定子和第二动子中的电磁体通电时，所述第一定子和第一动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第三方向直线运动的作动力，所述第二定子和第二动子之间能够产生驱使所述动子组件趋向第四方向直线运动的安培力，并且所述安培力小于所述作动力，所述第四方向与第三方向相反。
2.根据权利要求1所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述定子组件包括两个第一定子和一个第二定子，两个所述第一定子沿第二方向间隔对称设置在所述第一定子的两侧。
3.根据权利要求2所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述动子组件包括两个第一动子和一个第二动子，两个所述第一动子沿第二方向间隔对称设置在所述第二动子的两侧。
4.根据权利要求1或2或3所述的高精度直线运动装置，其特征在于包括两个定子组件，两个所述定子组件沿第一方向对称设置在所述动子组件的两侧。
5.根据权利要求1所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述第一定子和第二定子之间设置有隔磁桥，并经所述隔磁桥磁性隔离。
6.根据权利要求1所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述直线导向动子骨架上设置有第一卡槽和第二卡槽，所述第一动子和第二动子分别对应设置在所述第一卡槽、第二卡槽内，其中，所述直线导向动子骨架为不导磁的构件。
7.根据权利要求1或6所述的高精度直线运动装置，其特征在于还包括动子导向机构，所述动子导向机构沿第二方向设置在所述直线导向动子骨架的两侧，且所述直线导向动子骨架与所述动子导向机构活动配合，并能够沿所述动子导向机构作直线运动。
8.根据权利要求7所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述导向机构为形状可调的柔性导向机构，优选的，所述动子导向机构为低阻尼的直线导轨。
9.根据权利要求1所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述第一定子包括第一铁芯和绕制在第一铁芯上的第一线圈，所述第二定子包括第二铁芯和绕制在第二铁芯上的第二线圈，所述第一铁芯和第二铁芯之间设置有隔磁桥并经所述隔磁桥磁性隔离；
所述第一动子包括至少一永磁体，所述第二动子包括至少一金属导体，所述第一铁芯的端面朝向所述永磁体且与所述永磁体之间具有间隙，所述第二铁芯的端面朝向所述金属导体且与所述金属导体之间具有间隙。
10.根据权利要求9所述的高精度直线运动装置，其特征在于：所述第一铁芯具有两个第一齿部，两个所述第一齿部之间形成第一线圈槽，所述第二铁芯具有两个第二齿部，两个所述第二齿部之间形成第二线圈槽，所述第一线圈槽和第二线圈槽经所述隔磁桥隔断，所述第一线圈、第二线圈分别对应设置在所述第一线圈槽、第二线圈槽内。
Priority Applications (1)
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| CN202111663874.1A CN116418192A (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 运动阻尼可调的高精度直线运动装置 |
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