CN201097109Y - 一种精密运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气浮磁控精密运动平台，包括动子平台，定子平台，动子推力线圈和定子永磁铁阵列，x－y向反射镜，x－y向反射镜位于动子平台顶部的两侧，动子平台底部边缘分布有气浮孔，动子平台中心分布有真空腔，动子推力线圈位于动子平台底部内侧，定子永磁铁阵列固定于定子平台，整个动子平台悬浮于定子平台上，动子推力线圈排列方式与定子永磁铁阵列相匹配。采用本实用新型气浮磁控精密运动平台，单动子气浮磁控精密运动平台可实现微米/纳米级的微动精度和定位精度；多动子气浮磁控精密运动平台可实现多工位大行程精密运动。动子平台悬浮于定子平台上，避免平台之间机械摩擦以及摩擦带来的平台运动精度问题，同时可冷却动子线圈。

Description

一种精密运动平台

技术领域

本实用新型涉及一种精密运动控制装置，尤其涉及一种可精确控制平面运动的气浮磁控精密运动平台。

背景技术

随着科学技术和工业技术的不断发展，人类的创造力也不断在向微观世界发展。随着现今微加工工艺发展，使得我们周边越来越多笨重的机器被小巧而方便的装置所代替。然而在微加工工艺中随着制作器件的尺寸越来越小，精密定位操作系统显得越来越重要。例如在IC芯片光刻、微型机械制造、精密测量等方面，精密运动控制装置的地位显得尤为突出。因此，对它的研究越来越受到国内外研究者的青睐。

传统的运动平台采用层叠式导轨结构，定子与动子之间通过机械轴承连接，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件产生磨损，产生机械振动和噪声，限制了平台运动精度。另外，运动精度受支撑面的影响，对支撑面的精度要求很高，这样也无形增加了平台制作成本。同时，导轨驱动的刚度、稳定性、动力学特性都影像着平台的工作特性。因此，传统的运动平台越来越不满足纳米级别的超精密定位和加工的要求。

对于超精密定位平台技术，国内外相关的研究机构和商业公司都展开了广泛的探索和研究，并开发出了一些具有前沿性的技术产品和商业产品。

在国内的研究中，实用新型专利CN01202334.5公开了用于平面被精密定位的微细操作平台。该操作平台由运动平台、垫块、下平台、压电陶瓷致动器等组成。由于采用了压电陶瓷微驱动器，保证了该平台具有较高的运动精度，同时由于各转动副均采用了柔性铰链，保证了运动传递的连续性、无滞后、无摩擦、免润滑、没有机械损耗和机构紧凑的特点。但是上述平台无法实现在大行程和高速度应用场合下大道微米/纳米定位精度。

发明专利CN200410026370.9公开了一种磁悬浮磁驱动的运动定位装置，由于采用永磁体和多层通电直流线圈之间排斥原理将动子平台悬浮起来，运动方向没有机械障碍，没有摩擦。但是其磁浮产生的磁滞效应会进一步影响平台的运动精度，较难蛮子超密定位和运动要求，磁悬浮线圈产生的热也会进一步影响平台的动力学性质和定位精度。

国外的相关专利有荷兰ASML申请的美国专利us6054784；美国麻省理工学院申请的美国专利us6003200；Nikon申请的美国专利us6750625。

美国专利us6054784以微动平台的几何中心为中心，在圆周方向呈120度等间隔分布的三组直线电机，三组直线电机的永磁体定子作为一体安装在微动动子平台底部，三组直线电机的动子线圈分别固定连接在微动台的定子底座上。微动平台与其底座间靠电磁力作用，无直接的机械接触。通过相互间的电磁力作用，实现微动平台在x-y平面上对三个自由度(x，y和R_z)的微调节。这种平台主要用于微定位，运动行程小。

美国专利us6003200提出了另一种磁浮磁驱动的高精密运动平台。它是将线圈固定在定子平台上，定子磁极安装在动子平台上。该平台可以实现6个方向的微调，具有精度高，响应速度快，并具有一定的运动行程。但这种平台功效比较低，发热量大，长时间工作会影响平台的工作性能。

美国专利us6750625专利，其结构是将曝光台固定在带气浮导轨的框架上，并在气浮导轨的框架上安装上线圈，通过与台下面的磁铁发生作用，从而达到驱动框架，带动曝光台运动的功能。其缺点是驱动的质量过大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种气浮磁控精度运动平台，可有效解决传统运动平台机械摩擦引起的问题，以及其他平台发热量大问题，实现x，y，R_z三个自由度的平面精密运动和定位和多工位的大行程精密运动。

为了达到上述的目的，本实用新型的气浮磁控精密运动平台，它包括动子平台，定子平台，动子推力线圈和定子永磁铁阵列，x-y向反射镜，x-y向反射镜位于动子平台顶部的两侧，动子平台底部边缘分布有气浮孔，动子平台底部中心分布有真空腔，动子推力线圈位于动子平台底部内侧，定子永磁铁阵列固定于定子平台，整个动子平台悬浮于定子平台上，动子推力线圈排列方式与定子永磁体阵列相匹配。

气浮磁控精密运动平台的动子平台为一个，定子平台也为一个，并与动子平台相匹配。

动子平台底部边缘为圆形，底部内侧分布有三组等圆周分布的动子推力线圈。与动子平台相对应的定子平台的永磁铁阵列也呈等圆周分布。

气浮磁控精密运动平台的动子平台为多个，定子平台为相同结构定子单元重复排列组成。动子平台的结构均相同，每个动子平台的底部边缘呈方形，底部内侧分布有控制x方向运动两推力线圈和控制y方向运动的两推力线圈。控制x方向运动两推力线圈和控制y方向运动的两推力线圈相对底部中心交叉排列，呈“田”字。定子平台的每个定子单元的永磁铁阵列的排布也呈“田”字。

本实用新型利用气浮支座产生气浮力使动子平台悬浮在定子平台上，避免了直接的机械接触，消除了相对运动引起的摩擦与磨损，克服了油脂、粉尘污染等缺陷。真空支座预载及气浮阻尼使气浮升力和真空吸力相互平衡实现动子平台稳定的悬浮、快速响应和高的控制精度。同时真空支座产生真空时，会有气流通过动子平台底部推力线圈，可对通过通电线圈实施有效的冷却，避免线圈热对系统动力学造成影响。本实用新型单动子型平台可实现平面内微米/纳米运动定位精度。本实用新型多动子型平台可实现多工位的大行程的精密平面运动。

附图说明

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其实用新型的具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是精密运动平台示意图。

图2是本实用新型的动子平台示意图。

图3是本实用新型的定子平台示意图。

图4是大行程单定子多动子精密定位的平台示意图。

图5是大行程运动平台的动子平台示意图。

图6是大行程运动平台的定子平台示意图。

具体实施方式

图1、2、3是本实用新型单动子单定子型的气浮磁控精密运动平台。它主要运用于短行程运动，可以作超精密平面定位的微动台。图4、5、6是本实用新型多动子单定子型的气浮磁控精密运动平台。它可作为并行多工位大行程精密运动平台。

如图1所示，本实用新型的单动子单定子型精密运动平台包括可悬浮的动子平台1和定子平台6。如图2所示，单动子平台底部有三组等圆周均布的推力线圈3，每组推力线圈3的排布方向均指向动子平台底部中心位置。动子平台1的气浮支座2是外环形结构，外环形边缘均匀分布着气孔。真空支座4是圆形腔结构，分布在动子平台底部中心。

定子平台6包括三组与动子线圈3排列方式对应的等圆周分布永磁铁定子阵列5。

气浮支座2通过连接外部压力泵使空气通过气浮孔产生浮力。真空支座4所连接的外部真空泵抽取真空支座4中空气，使其产生真空吸力。通过调整气浮支座2的气浮力和真空支座4的真空吸引力使两者处于动态平衡，从而使动子平台1悬浮于定子平台6上。控制这两个力的大小可实现与定子平台6之间5-10um的稳定气膜间隙和良好的气浮刚度。这样动子平台运动1的摩擦阻力可以忽略，因此该动子平台具有反映速度快，可控精度高的特点。

动子平台1每一组的推力线圈3都嵌入对应的定子平台6的永磁铁定子阵列5的凹槽中。动子平台推力线圈3和永磁体定子阵列5间产生的电磁作用力，使单动子平台1产生平面运动。三组线圈与永磁体阵列之间电磁作用力的合力决定着动子平台1的运动方向。通过控制这三组线圈各组线圈电流大小可实现x，y，R_z三方向的运动，同时通过调整线圈3电流的控制精度和永磁铁阵列5的排布密度实现电磁驱动力更精密的微调，达到上述三个方向微米/纳米级的精确运动与定位。

动子平台1运动的距离和定位主要通过x，y向反射镜7实现。x，y向反射镜7通过反射外部激光干涉仪的测量光速，辅助激光干涉仪测量动子平台的运动距离。当动子平台未到达指定位置时，激光干涉仪就会向控制模块进一步发出运动控制信号，直至运动平台到达指定位置或运动了预设的距离，控制模块将不会使动子平台再次运动。

进一步地，真空支座4与气浮支座2产生的气浮升力与真空吸力的平衡会让气流通过动子平台底部的推力线圈，可以对通电的线圈实施有效的冷却，避免线圈过热影响运动平台稳定性。

图4、5、6是多动子单定子气浮磁控运动平台示意图，该平台系统可实现大行程多动子平台的同时运动，并能够实现需要的运动速递和要求的定位精度。以下对这种类型的气浮磁控运动平台作进一步的描述。

图4所示气浮磁控精密运动平台动子平台8有多个，定子平台10为相同结构定子单元9重复排列组成。动子平台8的结构均相同，它采用图5所示动子平台模块13结构。多动子平台模块13通过气浮15悬浮在大行程定子模块10上。

如图5所示的动子平台13的结构类似图2的动子平台结构，也是包括x，y向反射镜11、动子平台模块底部真空支座14、动子模块底部气浮支撑的气浮孔15。它区别单动子平台的特征是其底部推力线圈不是等圆周分布三组线圈，而是由四组呈方形布置得线圈组成：动子平台底面内侧布置有呈“田”字形分布的四组方形线圈16和17，线圈16为控制x方向两相线圈，线圈17为控制y方向两相线圈。这四组线圈交叉排列分布在动子平台方形底面内侧。

与多动子平台匹配的定子平台10如图6所示。定子平台是由结构相同的定子单元9重复排列形成，每个定子单元9的永磁体阵列的排列方式与线圈16和1 7相匹配，也呈“田”字形分布。

多动子平台的每个动子平台13的运动都是相互独立的。动子平台13上x，y向反射镜11作用于单动子平台1的反射镜的功能一样。气浮的实现方法和单动子平台气浮实现方法一样：通过底部中心真空支座14和气浮支座15实现真空吸力和气浮升力的平衡。通过控制线圈16两相线圈中每个线圈电流的大小和线圈17两相线圈中每个线圈电流的大小实现线圈16和17与定子单元9永磁体阵列之间的电磁力合作用的大小与方向的控制。与单动子平台一样，通过调整动子平台中线圈16和17电流控制精度和定子平台单元9的永磁铁阵列分布密度可实现控制精度的进一步提高。最终实现多动子平台x，y，R_z三方向的精密运动与定位。

多动子单定子气浮磁控运动平台要求定子平台10具有较高的平面平整度和表面精度要求，以实现动子平台模块13与大行程定子平台10间气浮间隙的稳定

进一步地，气浮原理同样使得底部会有气流通过动子线圈，有冷却通电动子线圈16和17的效果。

单动子单定子气浮磁控运动平台，具有比较简单的动子结构1与定子结构6，控制简单(三组线圈)容易实现短行程的精密运动与定位。多动子单定子气浮磁控运动平台的动子结构13相对单动子1的结构要复杂一些，控制也会稍显复杂一些(四组线圈)，但是对应于动子线圈的永磁体阵列的排列方式容易形成大行程定子平台，适合动子平台进行精密大行程的运动与定位。由于多动子平台的每个动子平台的运动是相互独立的，既可实现并行的多工位的运动，也可实现按一定时序要求进行的多动子平台精密运动与定位。

Claims (8)

1、一种气浮磁控精密运动平台，-包括动子平台，定子平台，动子推力线圈，定子永磁铁阵列，和位于动子平台顶部的两侧x-y向反射镜，其特征在于：所述动子平台底部边缘分布有气浮孔，动子平台底部中心分布有真空腔，动子推力线圈位于动子平台底部内侧，定子永磁铁阵列固定于定子平台，整个动子平台悬浮于定子平台上，动子推力线圈排列方式与定子永磁体阵列相匹配。

2、如权利要求1所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：所述的动子平台(1)为一个，所述的定子平台(6)也为一个，并与动子平台(1)相匹配。

3、如权利要求2所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：动子平台(1)底部边缘为圆形，底部内侧分布有三组等圆周分布的动子推力线圈(3)。

4、如权利要求3所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：与动子平台(1)相对应的定子平台(6)的定子永磁铁阵列(5)也呈等圆周分布。

5、如权利要求1所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：所述的动子平台(8)为多个，所述的定子平台(10)为相同结构定子单元(9)重复排列组成。

6、如权利要求5所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：所述动子平台的结构均相同，每个动子平台(13)的底部边缘呈方形，底部内侧分布有控制x方向运动两推力线圈(16)和控制y方向运动的两推力线圈(17)。

7、如权利要求6所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：所述控制x方向运动两推力线圈(16)和控制y方向运动的两推力线圈(17)相对底部中心交叉排列，呈“田”字。

8、如权利要求7所述的气浮磁控精密运动平台，其特征在于：定子平台(10)的每个定子单元(9)的永磁铁阵列的排布也呈“田”字。

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