CN117674531A - 一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，涉及精密定位领域，具体包括支架模块、宏级驱动模块和微级驱动模块，支架模块通过螺钉与同轴装配的宏微双级驱动模块相连，微级驱动模块嵌套在宏级驱动内部，保持一体化同轴直线运动；由计算机向运动控制卡发送指令控制高性能电流源驱动宏微双级驱动器轴向位移；由光栅传感器读取实际位移值，控制器根据实际位移与设定位移差值判断启动宏/微级驱动；宏级驱动模块采用Halbach阵列排布的永磁体驱动实现大行程强负载高速宏运动，微级驱动采用超磁致伸缩技术实现微行程二次定位高精度补偿；解决了当下宏微双级驱动器输出推力小，负载能力不足，应用场合受限的问题，可实现高速大行程超精强负载的精密定位。

Description

一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器

技术领域：

本发明涉及精密定位领域，具体涉及一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器。

背景技术：

精密定位技术是微电子制造产业中晶圆制造、芯片加工、芯片封装等关键工序中采用的核心技术，对我国制造业的发展具有重要意义。并且，随着该技术的发展，精密定位在自由空间光通信、医疗器械制备、射电望远镜研发等领域的应用不断深入，研发一款由高速大行程超精定位能力的驱动器驱动精密定位平台更是提升我国工业制造水平的先决条件。一直以来精密定位技术的发展面临如下难题：一方面，在微电子封装等产业中高速频繁的启停操作带来的高加速度极易引发运动机构在惯性作用下出现残余振荡，严重影响定位精度；另一方面，受限于传动环节带来的惯量、间隙、滞后、摩擦等不良影响，传统多级机械驱动方式难以满足当下大行程高精定位的技术要求。宏微双级线性驱动器的宏级驱动采用永磁体驱动结构，实现大行程高速宏运动；微级驱动采用超磁致伸缩技术实现微行程高精度补偿，宏微同轴安装省去传动部件，解决了现代产业高速大行程与高精度定位间不可兼得的痛点，符合当下产业发展需求。

尽管上述宏微线性双击驱动器能较好实现高速大行程精密定位，但现有驱动器仍面临输出推力小，难以应用在切削进给系统、快刀伺服系统等对驱动器负载能力有较高要求场合等问题。因此，有必要设计一款输出推力大，负载能力强的宏微双级线性驱动器以增强该驱动器的输出性能并拓展其应用领域。

发明内容：

为了解决上述问题，针对现有宏微驱动器输出推力不足，带载能力差的问题，本发明设计了一种基于Halbach磁极阵列的宏微双级线性驱动器，用以提高宏微驱动器的输出推力，并且通过对宏驱动结构磁路的优化设计实现平均输出推力的改善，解决现有产品输出推力小、负载能力不足的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，具体包括：支架模块、宏级驱动模块、微级驱动模块。

进一步地，所述支架模块包括动子支架、外壳支架、交叉滚柱导轨、限位块、光栅栅尺和光栅读数头。动子支架与外壳支架均为“L”型结构；外壳支架下平面设计有凸起基座，凸起基座两侧开有导轨滑槽，基座上端通过螺钉固定限位块；动子支架位于外壳支架上方，动子支架的下端与装配在导轨滑槽上的交叉滚柱导轨配合形成滑动副，使动子支架能在外壳支架的下平面上沿导轨方向进行直线位移。光栅读数头通过螺钉固定在动子支架“L”型侧平面的下部，随动子支架一起运动；光栅栅尺贴合在外壳支架“L”型侧平面的下部，与光栅读数头平行，二者形成相对移动副，通过光栅读数头即可得到动子支架的直线位移数值。

进一步地，所述宏级驱动模块包括Halbach磁极阵列、隔磁垫块、外壳、宏动磁轭、宏动线圈、隔磁套筒和隔磁筒。

进一步地，所述Halbach磁极阵列由六组永磁体阵列组成，所述永磁体阵列包含三块轴向永磁体和两块径向永磁体，五块永磁体磁场方向依次偏转90度，上下堆叠放置，吸附在外壳的内壁上；六组永磁体阵列沿外壳内壁均匀排列，可显著提高宏动线圈所处的气隙磁场强度。

进一步地，所述外壳、隔磁套筒、宏动磁轭和隔磁筒由外向里同轴装配；所述隔磁套筒呈半圆环状，贴合在宏动磁轭外壁上，通过销钉与宏动磁轭固定，所述宏动磁轭套在隔磁筒筒壁上，二者通过销钉固定；所述隔磁筒底面与外壳的内底面相贴合，其台阶面与上下两隔磁套筒间隔形成的两段槽内缠绕有宏动线圈，每段线圈缠绕长度与径向永磁体等长，线圈通电后在Halbach阵列磁场下受安培推力推动宏驱动结构整体进行水平轴向位移。

进一步地，所述微级驱动模块包括GMM棒、微动磁轭、微动线圈骨架、微动线圈、导磁筒、微动磁轭端盖、导磁环、端盖、直线轴承和滑杆，微级驱动模块整体同轴装配在隔磁筒内。

进一步地，所述微动磁轭、微动线圈骨架和GMM棒由外向里同轴装配；微动磁轭和微动磁轭端盖固定在一起，导磁筒外壁和微动磁轭内壁紧密贴合；微动磁轭、微动磁轭端盖和导磁筒三者构成微驱动结构的闭合磁通路径。导磁筒中间开槽用以嵌入端盖和输出杆，输出杆和GMM棒处于水平同轴位置；微动线圈骨架的上下端面分别与微动磁轭端盖和导磁筒紧密贴合；微动线圈缠绕在骨架上，线圈通电后激发磁场，GMM棒通过嵌合在微动线圈骨架端面的导磁环固定在微动线圈骨架内，在磁场作用下发生磁致伸缩效应，推动导磁环水平向外微动，进而带动输出杆向外发生水平轴向微小位移。直线轴承通过螺钉与外壳支架相连，固定外壳支架的竖直面上，滑杆同轴安装在直线轴承内，二者通过螺纹连接，滑杆一端与导磁环相抵，通过沿螺纹扭转滑杆可调节GMM棒的预压应力大小。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，采用Halbach阵列代替单一永磁体，显著提升了气隙磁场强度，增强了宏驱动结构输出推力，解决了现有宏微驱动器带负载能力不足的问题。

(2)一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，采用双线圈结构分区域串接，有效解决因单层线圈缠绕过密带来的散热困难问题，有利于宏微双级驱动器长时间稳定运行。

(3)一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，采用线圈长度与径向永磁体等长设计且通过添加隔磁垫块调整气隙磁场分布，改变了宏动推力极值点的分布位置，提高了宏微双级线性驱动器的平均推力。

附图说明：

图1为本发明的工作系统示意图；

图2为本发明的外观示意图；

图3为本发明的动子支架示意图；

图4为本发明的外壳支架示意图；

图5为本发明的Halbach磁极阵列示意图；

图6为本发明的宏微双级驱动器全剖示意图；

图7为本发明的外壳示意图

图8为本发明的隔磁筒示意图；

图9为本发明的线圈所处气隙磁场示意图；

图10为本发明的局部剖视示意图；

图中：1.动子支架；101.限位槽；2.外壳支架；201.导轨滑槽；202.凸起基座；3.交叉滚柱导轨；4.限位块；5.光栅栅尺；6.光栅读数头；7.外壳；701.外壳内壁；702.外壳内底面；8.Halbach磁极阵列；801、803、805.轴向永磁体；802、804.径向永磁体；9.隔磁垫块；10.隔磁套筒；1001.上隔磁套筒；1002.下隔磁套筒；11.宏动线圈；1101.上宏动线圈；1102.下宏动线圈；12.宏动磁轭；13.隔磁筒；1301.隔磁筒台阶面；1302.隔磁筒筒壁；1303.隔磁筒底面；14.导磁筒；15.微动磁轭；16.微动线圈；17.微动磁轭端盖；18.微动线圈骨架；19.端盖；20.输出杆；21.导磁环；2101.前导磁环；2102.后导磁环；22.直线轴承；23.滑杆；24.GMM棒。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“设置”、“内侧”、“端部”、“内”、等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例实施时，如图1所示，首先通过计算机输入要设定的运行位移值，并确定初始零位值，计算机编译后将信号传递给运动控制卡，运动控制卡产生对应控制信号控制高性能电流源生成电流信号并且向计算机反馈执行情况；由光栅传感器读取宏微双级驱动器的实际位移与设定位移的差值，由控制器进行判断并向计算机发送相应信号控制运动：当差值大于设定阈值时，说明实际位移与设定位移有较大差距，启动宏驱动模块；当差值小于设定阈值时，说明实际位移接近设定位移但精度不够，需启动微动部分进行补偿。本实施例中，运动控制卡采用泰道Turbo PMAC系列，控制器采用Galil DMC-B140以太网控制器，高性能电流源采用IT6300A/B三路可编程直流电源。

实施例2

宏驱动结构包括外壳(7)、Halbach磁极阵列(8)、隔磁垫块(9)、隔磁套筒(10)、宏动线圈(11)、宏动磁轭(12)和隔磁筒(13)；外壳(7)通过螺钉与外壳支架(2)固定，Halbach磁极阵列(8)吸附在外壳内壁(702)上，二者固定不动；上隔磁套筒(1001)、下隔磁套筒(1002)与宏动磁轭(12)、隔磁筒(13)与宏动磁轭(12)均用销钉连接成整体；其中，隔磁筒(13)用以阻隔宏-微磁场间的交互影响，隔磁筒底面(1303)与外壳内底面(702)相贴合，；外壳(7)、宏动磁轭(12)与Halbach磁极阵列(8)形成闭合磁路，并在宏动磁轭(12)和Halbach磁极阵列(8)中间形成气隙磁场；宏动线圈(11)放置在气隙磁场中在安培推力作用下带动同轴集成的宏微双级结构及动子支架(1)沿轴向水平向前位移，实现高速、大行程运动；动子支架(1)与定子支架(2)之间安装有交叉滚柱导轨(3)，用来支撑和引导负载平台沿水平方向做高精度线性运动，交叉滚柱导轨型号为NB公司的NV120-17Z，其摩擦系数仅为传统滑动导轨的五十分之一，保障了宏动位移的高速稳定性；宏驱动模块启动时，其工作原理同音圈电机，六组N38H钕铁硼永磁体阵列组成的Halbach磁极阵列(8)在工作气隙处产生类正弦型气隙磁密，高性能电流源发送的电流信号通过导线经动子支架(1)上的孔洞传给上下两段反向串接的宏动线圈(1101、1102)，宏动线圈(11)得电后根据左手定则产生轴向的安培力；推动宏动和微动整体水平运动。双线圈设计不仅更能够适配Halbach阵列磁场，提高电磁转化效率，更能够将单线圈匝数分摊到两个绕组中，避免因线圈缠绕层数过多导致热量难以散发，内部通电导线熔断的现象发生。

实施例3

当宏驱动结构运动时，宏动总行程通过限位块(4)限制动子支架(1)位移的方法进行约束，初始状态下Halbach磁极阵列(8)在隔磁垫块(9)的支撑下其底面与隔磁筒台阶面(1301)齐平，可视为轴向气隙磁场以隔磁筒台阶面(1301)为起始零点展开分布，其受力极值点也对应偏移一定距离；在磁场方向依次偏转90°的永磁体阵列作用下，宏动线圈(11)与Halbach磁极阵列(8)发生相对运动，其所受气隙磁场随行程经历由起始点渐变到正向强磁通恒定区域Ⅰ，再到磁通换向过渡区域Ⅱ，继而达到反向强磁通恒定区域Ⅲ，最终回到起始点，如图9所示；宏动线圈(11)的初始位置，根据运动到半行程处线圈与径向充磁永磁体(8-2、8-4)平行，覆盖最大面积的强磁通恒定区域的目标进行设计，进而实现每段线圈在半行程处达受力极值点，保证行程内平均推力最大；隔磁套筒(10)将两段线圈分隔开，位置设计在磁通换向过渡区域，保证两段线圈始终在对应方向的强磁通区域运动，进而保证宏驱动结构所受推力方向始终不变；宏驱动过程中宏动推力随线圈位移变化先增再保持恒值最后逐步减小直至宏动位移与预设位移差值小于预设阈值，至此完成整个宏驱动过程。

实施例4

微驱动结构包括导磁筒(14)、微动磁轭(15)、微动线圈(16)、微动磁轭端盖(17)、微动线圈骨架(18)、端盖(19)、输出杆(20)、导磁环(21)、直线轴承(22)、滑杆(23)、GMM棒(24)；微动磁轭(15)通过凸型槽与微动磁轭端盖(17)的凹型槽相嵌固定在一起，微动磁轭(15)、端盖(19)与导磁环(21)紧密配合，通过上述结构形成完整的闭合微动磁路，引导磁场走向，可有效防止端部漏磁；微动线圈骨架(18)与微动磁轭(15)内部紧密配合，用以承载微动线圈(16)，微动线圈骨架(18)内部嵌有GMM棒(24)；直线轴承(22)通过螺钉固定在外壳支架(2)上用以承载滑杆(23)，滑杆(23)与直线轴承(22)通过螺纹连接，其末端与导磁环(21)接触，螺纹每拧紧一圈，滑杆(23)末端向内位移一个导程，增大对GMM棒(24)施加的预压应力，预压应力的增大可引导超磁致伸缩材料内部磁畴方向偏转至水平输出方向，进而提高磁致伸缩位移值；GMM超磁致伸缩材料主要成分为Tb0.3Dy0.7Fe2，采用直动型结构，在磁场作用下发生纳米级的水平轴向位移。当微驱动模块启动时，微动线圈(16)输入电流，根据电磁感应原理，其进而产生激励磁场作用在GMM棒(24)上，在磁致伸缩效应下发生微小形变，推动导磁环(21)及输出杆(20)发生微小位移进而补偿宏动定位误差。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，其特征在于，包括支架模块、宏级驱动模块、微级驱动模块；所述支架模块包括动子支架(1)、外壳支架(2)、交叉滚柱导轨(3)、限位块(4)、光栅栅尺(5)和光栅读数头(6)；所述宏级驱动模块包括外壳(7)、Halbach磁极阵列(8)、隔磁垫块(9)、隔磁套筒(10)、宏动线圈(11)、宏动磁轭(12)、和隔磁筒(13)；所述微级驱动模块包括导磁筒(14)、微动磁轭(15)、微动线圈(16)、微动磁轭端盖(17)、微动线圈骨架(18)、端盖(19)、输出杆(20)、导磁环(21)、直线轴承(22)、滑杆(23)和GMM棒(24)；

所述支架模块和宏级驱动模块通过螺钉连接；宏级驱动模块内同轴装配有微级驱动模块。

2.根据权利要求1中所述的一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，其特征在于，所述动子支架(1)与外壳支架(2)均为“L”型结构；外壳支架(2)下平面设计有凸起基座(202)，所述凸起基座(202)两侧开有导轨滑槽(201)，所述凸起基座(202)的上端通过螺钉固定限位块(4)；所述动子支架(1)下平面开有限位槽(101)以放置限位块(4)；所述动子支架(1)位于外壳支架(2)上方，动子支架的下端与装配在导轨滑槽(201)上的交叉滚柱导轨(3)配合形成滑动副；所述光栅读数头(6)通过螺钉固定在动子支架(2)的下部；所述光栅栅尺(5)贴合在外壳支架(2)的下部。

3.根据权利要求1中所述的一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，其特征在于，所述隔磁套筒呈半圆环状，贴合在宏动磁轭外壁(12)上，上隔磁套筒(1001)和下隔磁套筒(1002)，通过销钉与宏动磁轭(12)固定；宏动磁轭(12)套在隔磁筒筒壁(1302)上，二者通过销钉固定；宏动磁轭(12)上表面开有螺纹孔，与动子支架(1)通过螺钉固定为一体，隔磁筒底面(1303)与外壳内底面(702)相贴合，其台阶面(1301)与上隔磁套筒(1001)和下隔磁套筒(1002)间隔形成的两段槽内缠绕有宏动线圈(11)。

4.根据权利要求1中所述的一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，其特征在于，所述Halbach磁极阵列由六组永磁体阵列组成，所述永磁体阵列包含三块轴向永磁体(801、803、805)和两块径向永磁体(802、804)，五块永磁体上下堆叠放置，吸附在外壳内壁(701)上。

5.根据权利要求1中所述的一种基于Halbach阵列的宏微双级线性驱动器，其特征在于，所述微动磁轭(15)和微动磁轭端盖(17)固定在一起，所述导磁筒(14)和微动磁轭(15)紧密贴合；所述导磁筒(14)中间开槽用以嵌入端盖(19)和输出杆(20)，所述输出杆(20)和GMM棒(24)处于水平同轴位置；所述微动线圈骨架上下端面(18)分别与微动磁轭端盖(17)和导磁筒(14)紧密贴合；所述微动线圈(16)缠绕在微动线圈骨架(18)上，所述GMM棒(24)通过导磁环(21)固定在微动线圈骨架(18)内；所述直线轴承(22)通过螺钉固定外壳支架(2)的竖直面上，所述滑杆(23)通过螺纹同轴安装在直线轴承(22)内，滑杆(23)一端与导磁环(21)相抵。