CN1214892C - 超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密微位移导轨磁悬浮方法及装置，方法是控制磁悬浮线圈向上浮起，使微进给平台悬浮在导轨上，利用控制系统驱动微进给平台沿导轨实现精密、超精密直线微进给运动。装置包括直线电机初级1、导轨2、微进给平台3、直线电机次级4、初级底座5、机构底座6、磁悬浮线圈7、起落支撑8、控制计算机9、电机功率放大器10、磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11和气隙传感器12。本发明结构简单紧凑、具有洁净、高效的特点，能实现超精密的进给精度，将应用于微电子、IT等产品制造领域的专用设备上、或航空航天、军工、医药、仪器仪表、生命科学以及基因工程等其它高科技领域的科研、实验等仪器设备上，具有广阔的市场前景。

Description

超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置

技术领域：本发明涉及精密、超精密加工制造设备，尤其涉及一种能满足微电子、IT等行业高新科技产品的精密加工要求和超洁净制造环境要求的超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置。

背景技术：在微电子、IT等行业产品的制造领域，各种精密、超精密加工制造设备上使用的进给机构一般都采用旋转伺服电机驱动、精密滚珠丝杠传动和滑动导轨支撑的传统方案，旋转电机通过丝杠带动导轨平台做进给运动。由于从电机到导轨平台(即工作台)之间需要联轴节、丝杠、螺母、导轨等诸多中间环节，不仅加大了进给机构的惯性质量，影响了机构响应频率，降低了机构的进给速度和加速度；而且在机构要完成启动、加(减)速、反转和停车等动作时，中间环节产生的弹性变形、摩擦、联结间隙以及反向间隙等，会造成进给运动的滞后和非线性误差。所以传统方案进给精度较低，加工工时较长，使设备不能满足对加工工件的指标要求。20世纪90年代以来，出现了用直线电机直接驱动取代旋转电机加丝杠传动的方式，驱动导轨平台做进给运动。直线电机的应用取消了源动力和工作台之间的所有中间传动联结环节，实现了机构的零传动，克服了传统进给方案存在的主要缺点，可提高机构的进给精度。但由于滑动导轨副之间仍然存在摩擦，摩擦会引起导轨副的磨损，从而逐渐降低进给机构的精度。而且，摩擦会产生金属粉尘，这极有害于微电子产品如半导体元器件的性能和质量。因此，许多微电子、IT产品要求在超洁净环境下完成加工制作，加工区域对金属粉尘及其它微细颗粒的含量有着极为严格的标准。所以，因为存在摩擦，以上两种类型的进给机构都不能直接满足超洁净制作环境要求。况且，摩擦阻尼的存在会降低机构的响应频率，影响机构的进给精度。

发明的内容：本发明的目的是解决背景技术中导轨副间的摩擦，进给机构精度低、导轨副间刚度小的问题，为了达到上述目的本发明将使进给机构无金属粉尘和油脂污染，有效地提高机构的微进给精度，使机构满足超洁净制作环境的要求及超精密加工精度的要求，为此本发明将提供一种超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置。

下面阐述本发明的方法：

(1)、首先利用两只线圈同时通以足够大的电流，将在线圈与导轨斜平面之间产生与斜平面垂直的两股电磁吸力，电磁吸力可分解为垂直和水平两个方向的分量，垂直方向分量的合力是所需的磁悬浮力；(2)、再利用磁悬浮力把平台以及与之固定联接的部件悬浮起来；(3)、当磁悬浮力与平台、与之固定联接部件总重量以及外加载荷之和相等时，则使平台稳定悬浮在导轨上，且使线圈与导轨斜平面之间保持稳定的气隙ε；(4)、当受到外界力的干扰时，线圈与导轨斜平面之间的气隙ε发生变化，利用气隙传感器具有输出电流(或电压)大小与气隙的大小在一定范围内成近似正比例线性关系的特性，由气隙传感器输出变化的电流；(5)、利用输出变化的电流通过控制器与功率放大器的处理和放大作用调整线圈的输入电流，从而改变线圈产生的电磁吸力，使电磁吸力的垂直分量合力与重力以及外加力重新达到平衡，使变化的气隙恢复到原来的大小，平台被迅速调整回到原来平衡时的悬浮位置；(6)、利用电磁吸力分解于水平方向的两个分量在理想状况下应大小相等、方向相反的特性，当水平分量大小不等时，平台产生左右偏摆，此时线圈与导轨斜平面之间气隙发生变化，电磁吸力小的一边间隙变大，电磁吸力大的一边间隙变小，与此同时，气隙传感器的电流或电压值也相应改变，则控制系统修正线圈的电流或电压，以使电磁吸力的水平分量大小相等，平台重新回归到原来的平衡位置，与导轨左右两侧斜平面保持相等的气隙，由此保证了平台进给时的导向精度。

本发明的装置由实施例的图1和图2所示，由机械系统和控制系统两部分组成。机械系统包括：直线电机初级1、导轨2、微进给平台3、直线电机次级4、初级底座5、机构底座6、磁悬浮线圈7、起落支撑8，控制系统包括：控制计算机9、电机功率放大器10、磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11、气隙传感器12，导轨2对称地固定联接在机构底座6上，微进给平台3与一对磁悬浮线圈7固定联接，两只起落支撑8固定安装在微进给平台3的下方，微进给平台3由起落支撑8支撑在导轨2上平面，直线电机次级4固定安装在微进给平台3的正下方，直线电机初级1安装在初级底座5里，并且直线电机次级4与直线电机初级1保持一定的间隙，初级底座5与机构底座6固定联接；磁悬浮线圈7的控制信号线连接到磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11，直线电机次极4的控制信号线与电机功率放大器10连接，电机功率放大器10和磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11均与控制计算机9的信号端相连，气隙传感器12固定安装在磁悬浮线圈7上，其探头与导轨2斜平面保持合适的间隙，气隙传感器12的传输信号线与磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11相连，导轨2采用V形形状。

本发明工作时，起落支撑收起，控制系统控制磁悬浮线圈向上浮起，并与导轨斜平面保持稳定的间隙，微进给平台由此稳定地悬浮在导轨上，当控制系统给直线电机输出位移数字信号，直线电机次级将要移动给定的数字位移量，从而驱动微进给平台沿导轨无摩擦地实现精密、超精密直线微进给运动。

本发明的积极效果：由于本发明采用了磁悬浮技术，并结合了直线电机能实现零传动的特点，所以微进给机构具有以下优点：

(1)工作台与导轨之间没有摩擦，省去了油脂润滑，消除了机构对产品制作环境污染；

(2)工作台运动时没有摩擦阻尼作用，很小的作用力就可以驱动工作台做进给运动，大大节省动力；

(3)因没有摩擦，所以运动件不会有磨损，可以长期有效地保持机构的精度，延长机构的使用寿命；

(4)没有摩擦阻尼，有利于提高机构的进给精度，缩短了机构的响应时间，提高了机构的响应频率；

(5)直线电机的应用省略了中间所有传动联接环节，简化了机构结构，大大减轻了机构质量，相应地减小了机构的运动惯量，可较大幅度地提高机构进给精度和工作效率；

(6)微进给机构将磁悬浮力和导向力的产生系统合二为一，简化了结构、减少了控制环节、降低了制作成本，且可以保证微进给机构具有较高的磁悬浮和导向精度。

由于结构简单紧凑、具有洁净、高效的特点，且能实现超精密的进给精度，将广泛应用于微电子、IT等产品制造领域的专用设备上，还将应用于航空航天、军工、医药、仪器仪表、生命科学以及基因工程等等众多高科技领域的科研、实验和产品生产加工等设备上，具有广阔的市场前景。

附图说明：

图1是本发明的结构及控制示意图。

图2是本发明原理示意图。

具体实施方式如图1和图2：本发明的机械系统包括：直线电机初级1、导轨2、微进给平台3、直线电机次级4、初级底座5、机构底座6、磁悬浮线圈7、起落支撑8，控制系统包括：控制计算机9、电机功率放大器10、磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11、气隙传感器12。根据微进给机构的长度确定直线电机初级1采用五组线圈组成，并要求五组线圈上平面在同一水平面内，误差不大于0.1mm；导轨2由两块V型导轨板组成，采用铁磁性材料，上下表面进行抛光加工，平面度要求达到0.3μm/25mm，并对上下表面进行均质处理，使得表面金属性能为各向同性；微进给平台3由10mm厚铝合金板加工而成，可减轻平台的重量；直线电机次级4采用轻质铝合金制作，并且直线电机次级4与直线电机初级1的间隙保持在0.3～0.5mm或根据需要选择两者的间隙；初级底座5采用铝合金材料；机构底座6由大理石抛光加工而成；磁悬浮线圈7采用一对U型磁悬浮线圈，其磁极表面要抛光研磨加工，平面度要求达到0.3μm/25mm；起落支撑8采用两只起落支撑由耐磨材料制作。控制系统硬件由外界采购器件组装，控制计算机9可采用EVOC810工业计算机，内有多个插槽，控制程序和运行软件自行编写。电机功率放大器10和磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合11可采用美国ParKer公司的6KGeminiGV型号功率放大器。气隙传感器12采用德国Micro-Epsilon公司的EU型号传感器以及相匹配的eddyNCDT3300传感器监控器。如将该微进给机构取代现有的摩擦导轨式或者气浮导轨式进给机构，安装在微电子光刻设备上，可以大幅度地提高光刻设备的性能如定位精度和加工精度。

Claims (2)

1、超精密微位移导轨磁悬浮方法，其特征在于：

(1)、首先利用两只线圈同时通以足够大的电流，将在线圈与导轨斜平面之间产生与斜平面垂直的两股电磁吸力，电磁吸力可分解为垂直和水平两个方向的分量，垂直方向分量的合力是所需的磁悬浮力；

(2)、再利用磁悬浮力把平台以及与之固定联接的部件悬浮起来；

(3)、当磁悬浮力与平台、与之固定联接部件总重量以及外加载荷之和相等时，则使平台稳定悬浮在导轨上，且使线圈与导轨斜平面之间保持稳定的气隙ε；

(4)、当受到外界力的干扰时，线圈与导轨斜平面之间的气隙ε发生变化，利用气隙传感器具有输出电流或电压大小与气隙的大小在一定范围内成近似正比例线性关系的特性，由气隙传感器输出变化的电流；

(5)、用输出变化的电流通过控制器与功率放大器的处理和放大作用调整线圈的输入电流，从而改变线圈产生的电磁吸力，使电磁吸力的垂直分量合力与重力以及外加力重新达到平衡，使变化的气隙恢复到原来的大小，平台被迅速调整回到原来平衡时的悬浮位置；

(6)、利用电磁吸力分解于水平方向的两个分量在理想状况下应大小相等、方向相反的特性，当水平分量大小不等时，平台产生左右偏摆，此时线圈与导轨斜平面之间气隙发生变化，电磁吸力小的一边间隙变大，电磁吸力大的一边间隙变小，与此同时，气隙传感器的电流或电压值也相应改变，则控制系统修正线圈的电流或电压，以使电磁吸力的水平分量大小相等，平台重新回归到原来的平衡位置，与导轨左右两侧斜平面保持相等的气隙，由此保证了平台进给时的导向精度。

2、超精密微位移导轨磁悬浮装置，包括微进给平台(3)、初级底座(5)、机构底座(6)，初级底座(5)与机构底座(6)固定联接；其特征在于还包括：机械系统：直线电机初级(1)、导轨(2)、直线电机次级(4)、磁悬浮线圈(7)、起落支撑(8)，控制系统：控制计算机(9)、电机功率放大器(10)、磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合(11)、气隙传感器(12)，导轨(2)对称地固定联接在机构底座(6)上，微进给平台(3)与一对磁悬浮线圈(7)固定联接，两只起落支撑(8)固定安装在微进给平台(3)的下方，微进给平台(3)由起落支撑(8)支撑在导轨(2)上平面，直线电机次级(4)固定安装在微进给平台(3)的正下方，直线电机初级(1)安装在初级底座(5)里，并且直线电机次级(4)与直线电机初级(1)保持一定的间隙，磁悬浮线圈(7)的控制信号线连接到磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合(11)，直线电机次极(4)的控制信号线与电机功率放大器(10)连接，电机功率放大器(10)和磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合(11)均与控制计算机(9)的信号端相连，气隙传感器(12)固定安装在磁悬浮线圈(7)上，其探头与导轨(2)斜平面保持合适的间隙，传输信号线与磁悬浮线圈功率放大器及控制器组合(11)相连，导轨(2)采用V形形状。