一種平面型磁浮直線運動平臺的製作方法
2024-01-30 23:54:15
專利名稱：一種平面型磁浮直線運動平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子製造裝備中的精密磁浮直線運動控制系統，特別是涉及一種大行程兩維平面運動型磁浮直線運動平臺。
背景技術：
在一些微電子晶片製造及生物製造領域，如高速引線鍵合機等，製造裝備要求具有高速度、高精度、高潔淨度運動系統。但目前的晶片製造裝備的運動系統均採用直線導軌或氣浮軸承支承，受機械摩擦或氣流的影響，定位精度及動態性能受限，難以適應高速高精密和環境友好性要求。採用無機械接觸的磁懸浮支承直線運動系統是一種新的選擇。傳統的多維磁浮運動平臺的設計中，直線電機與磁軸承是集成在一起的，各自由度方向上的運動系統相互間耦合強烈，平面運動行程有限。本發明將帶有工作負載的磁懸浮平臺在垂直的重力方向上通過控制懸浮磁鐵產生的電磁力與負載保持平衡，保持磁浮工作檯穩定懸浮；磁浮平臺的兩個側向直線導向及驅動機構結構完全相同，每個導向機構均由兩個電磁軸承和兩個機械滾動軸承組成。通過直線電機提供的驅動力，由驅動單元的剛性滾動軸承驅動部件或者柔性電磁軸承驅動部件驅動磁懸浮工作平臺，使磁懸浮工作平臺在水平面內的快速運動且在平面內具有較大的行程範圍，實現磁懸浮導向與驅動之間的集成。每一方向上的行程只取決於直線電機行程，理論上可以無限增加。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種可實現無機械接觸的大行程平面型磁浮直線運動平臺，有效提高運動系統的作業空間、運動精度和動態響應性能，為微電子晶片製造裝備提供一種潔淨、高速高精的兩維磁懸浮直線運動平臺為了解決上述技術問題，本發明提供的平面型磁浮直線運動平臺，主要包括底座、電磁鐵支座、磁懸浮工作平臺、四套垂向電渦流傳感器、工作負載、四對差動驅動電磁鐵、用於檢測電機位移的兩套直線光柵尺、定位板，驅動支架、垂直放置分別沿XY方向運動的兩臺直線電機、與電機運動方向一致的兩對平行導軌、限位檢測光電開關、限位塊、每一維運動方向上各有兩個滾動軸承、每一導向方向上各有兩對水平導向電磁鐵。本發明所述的平面型磁浮直線運動平臺解決大行程問題的技術特徵包括1、四對垂向纏繞線圈的電磁鐵組成四個差動式主動控制電磁軸承，通過檢測每對電磁鐵附近安裝的電渦流傳感器的位置信息作為反饋控制信號，控制線圈中的電流以控制磁軸承產生的電磁力，可使磁浮工作平臺穩定地懸在電磁鐵支座上面，保證磁浮平臺工作時與垂向支撐架間無機械接觸。2、支架為非導磁材料，電磁鐵和磁浮工作檯為高磁導率材料，磁浮工作檯為中空的方槽形結構，相鄰兩邊相互垂直，其中有兩個相鄰垂直邊起導軌作用；兩個直線運動電機固定在底座上面，每個電機的聯接驅動支架安裝有兩個導向和驅動用滾動軸承和兩個電磁軸承，磁浮平臺的導軌邊置於磁鐵對的空隙間，在兩個電機動子驅動作用下，磁浮平臺可沿相互垂直的兩維平面方向運動，受兩對水平方向電磁鐵的導向作用，兩維運動無機
3構耦合，從而可使磁懸浮工作平臺實現大範圍的平面運動。3、與電機動子相連的每一驅動支架為非導磁材料，支架上分別包括兩個剛性驅動部件(滾動軸承)和兩對柔性驅動部件 (差動式電磁軸承)。柔性電磁軸承通過電渦流位移傳感器進行位置伺服反饋，可控制作用在磁浮平臺導向邊上的電磁力和導軌相對磁鐵的氣隙位置。滾動軸承外徑離磁浮平臺導軌表面的最近距離比電磁鐵外表面離其距離要小，可保護電磁軸承，在高加速、大推力驅動作用下，電磁軸承的電磁推力不足而氣隙大小難以保持恆定時，可藉助滾動軸承直接推動磁浮平臺運動。兩個滾動軸承和兩個水平電磁軸承共同完成每一維方向上的導向和驅動功能。4、剛性滾動軸承與柔性磁軸承的集成工作模式為當磁懸浮工作平臺需要比較大的加速度時，剛性驅動部件直接驅動磁懸浮工作平臺，其中柔性驅動部件起到緩衝並避免剛性碰撞的作用；當磁懸浮工作平臺需要比較小的驅動力時，柔性驅動部件可以直接驅動磁懸浮工作平臺，實現磁懸浮導向與驅動之間的集成；5、直線電機為伺服電機，分別裝有高精度反饋元件直線光柵尺，可實現其精密運動控制。光電開關及限位塊對其極限位置實行電控和機械系統雙限位作用。與背景技術相比，本發明的有益效果是1、帶有工作負載的磁懸浮平臺通過控制四對差動式驅動電磁鐵產生的電磁力與負載保持平衡，使磁浮工作檯在豎直方向上穩定懸浮在工作位置；通過直線電機提供的驅動力，由驅動單元的剛性驅動部件或者柔性驅動部件驅動磁懸浮工作平臺，使磁懸浮工作平臺在水平面內產生快速運動且具有較大的平面行程範圍，實現磁懸浮導向與驅動之間的集成；2、當磁懸浮工作平臺需要穩定懸浮時，懸浮磁鐵單元和柔性驅動部件的四對電磁鐵通過電渦流傳感器的位置反饋使其懸浮在穩定位置，實現磁懸浮導向與驅動之間的分離。即穩定工作時，磁浮平臺與基座及直線驅動系統間無機械接觸，避免了因機械摩擦所帶來的爬行、潤滑油汙染、磨損等問題，具有更高的動態響應性能和運動精度。
圖1是本發明的結構示意圖，圖1(a)為主視圖，1(b)為俯視圖。圖1中底座(1)、 電磁鐵支座O)、磁懸浮工作平臺(3)、四套垂向電渦流傳感器0)、工作負載(5)、四對「U」 形差動驅動電磁鐵(6)、用於檢測電機位移的兩套直線光柵尺(7)、定位板(8)、驅動支架、垂直放置分別沿XY方向運動的兩臺直線電機(10)、與電機運動方向一致的兩對平行導軌(11)、光電開關(12)、限位塊(13)、每一維運動方向上的兩個滾動軸承(14)、每一導向方向上各有兩對水平導向電磁鐵(15)。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。參見圖1，本發明所述平面型磁浮直線運動平臺，主要部件包括一個底座(1)、一個電磁鐵支架O)(支撐四對垂向電磁鐵)、磁懸浮工作平臺(3)、四套垂向電渦流傳感器 G)、工作負載(5)、四對差動驅動電磁鐵(6)、用於檢測電機位移的兩套直線光柵尺(7)、定位板(8)，驅動支架(9)、垂直放置分別沿XY方向運動的兩臺直線電機(10)、與電機運動方向一致的兩對平行導軌(11)、光電開關(12)、限位塊(13)、每一維運動方向上的兩個滾動軸承(14)、每一導向方向上各有兩對水平導向電磁鐵(15)。兩臺直線電機可以完全相同， 也可以不同，根據具體行程要求而定。兩臺直線電機共同作用於磁浮平臺上，磁浮平臺在驅動支架的磁浮導向與推拉作用下，相對於自身導槽作直線運動，兩維方向運動相互獨立，無機械及電氣耦合，使平臺可產生大範圍平面運動。本發明在磁浮平臺垂直於地面的重力方向上有四對「U」型電磁鐵6，繞著電磁鐵 「U」形鐵芯纏上導流線圈，每對電磁鐵開口面正對，中間為磁浮平臺平板面，並保持確定的間隙。在線圈中通電時，相對的上下電磁鐵產生電磁吸力，利用電渦流傳感的位置反饋信息進行位置伺服控制，可使磁浮平臺保持穩定懸浮而不與鐵芯接觸。垂向帶線圈電磁鐵6組成四個主動控制電磁軸承，線圈中的電流以推拉式差動控制方式使每一磁軸承產生確定的電磁力以平衡重力及外界擾動力，可使磁浮工作平臺穩定地懸在電磁鐵支座上面，保證磁浮平臺工作時與垂向支撐架間無機械接觸。為提高磁軸承導磁效率，減少磁場幹擾及漏滋，避免磁短路，支架採用非導磁材料，電磁鐵和磁浮工作檯為高磁導率材料。磁浮工作檯為中空的方槽形結構，相鄰兩邊相互垂直，其中有兩個相鄰垂直邊起導軌並承受直線電機驅動力作用；兩個直線運動電機固定在底座上面，每個電機的聯接驅動支架安裝有兩個導向和驅動用滾動軸承和兩個電磁軸承，磁浮平臺的導軌邊置於磁鐵對的空隙間，在兩個電機動子驅動作用下，磁浮平臺可沿相互垂直的兩維平面方向運動，受兩對水平方向電磁鐵的導向作用，兩維運動無機構耦合，從而可使磁懸浮工作平臺實現大範圍的平面運動。與電機動子相連的每一驅動支架也採用非導磁材料，支架上分別包括兩個剛性驅動部件(滾動軸承)和兩對柔性驅動部件(差動式電磁軸承)。柔性電磁軸承相對的氣隙間放置磁浮平臺的導向邊，通過電渦流位移傳感器進行位置伺服反饋，可控制作用在磁浮平臺導向邊上的電磁力和導軌相對磁鐵的氣隙大小。滾動軸承外徑離磁浮平臺導軌表面的最近距離比電磁鐵外表面離其距離要小，可保護電磁軸承，在高加速、大推力驅動作用下， 電磁軸承的電磁推力不足而氣隙大小難以保持恆定時，可藉助滾動軸承直接推動磁浮平臺運動。而在磁浮平臺穩定工作時，平臺垂直方向兩導向邊與驅動支架間在電磁力的作用下也保持無接觸的懸浮狀態，此時滾動軸承不起作用。兩個滾動軸承和兩個水平電磁軸承共同完成每一維方向上的導向和驅動功能。剛性滾動軸承與柔性磁懸浮軸承的協同工作模式為直線運動前，首先保持磁浮平臺處於穩定懸浮狀態。直線驅動過程中，當磁懸浮工作平臺需要比較大的加速度時，由於電磁力有限而暫時失穩，剛性驅動部件會先接觸導軌直接驅動磁懸浮工作平臺，其中柔性驅動部件起到緩衝並避免剛性碰撞的作用；當磁懸浮工作平臺需要比較小的驅動力時，柔性驅動部件可以直接驅動磁懸浮工作平臺，此時磁浮平臺與直線驅動系統處於無接觸的懸浮工作狀態，實現了磁懸浮導向與驅動之間的集成。其中滾動軸承起輔助驅動作用。直線驅動採用的直線電機為伺服電機，分別裝有高精度反饋元件(直線光柵尺)， 可實現其精密運動控制。每一維正、反向運動方向上均設置了光電開關及限位塊，對其極限位置實行電控和機械系統雙限位作用。光電開關先檢測到極限位置並發送到位開關信號， 控制系統根據檢測到的信息採取限位動作。磁懸浮平臺上的工作負載為目標作業系統，圖中所示的一個典型應用實例是放置一套引線鍵合頭，驅動磁浮可對晶片進行高速引線鍵合。
平臺正常工作時，帶有工作負載的磁懸浮平臺首先通過控制系統使垂直方向磁浮電磁鐵產生的電磁力與負載重力保持平衡，使磁浮工作平臺在豎直方向上穩定懸浮在確定的平衡工作位置；水平方向的導向電磁軸承也先穩定工作，使平臺導向邊處於氣隙中間位置，從而使整個工作平臺處於無機械接觸的完全懸浮工作狀態。當進行加、減速直線運動作業時，通過直線電機提供的驅動力，由驅動單元的剛性驅動部件或者柔性驅動部件驅動磁懸浮工作平臺，使磁懸浮工作平臺在水平面內產生快速運動且具有較大的平面行程範圍，實現磁懸浮導向與驅動之間的集成；磁浮平臺穩定工作時，磁浮作業系統與直線驅動系統之間是分離的，磁浮平臺與基座及直線驅動系統間無機械接觸，避免了直線運動過程中因機械摩擦所帶來的爬行、潤滑油汙染、磨損等問題，具有更高的動態響應性能和運動精度，具有更好清潔環境。
權利要求
1.一種平面型磁浮直線運動平臺，主要部件包括底座(1)、電磁鐵支座O)、磁懸浮工作平臺(3)、四套垂向電渦流傳感器G)、工作負載(5)、四對差動驅動電磁鐵(6)、用於檢測電機位移的兩套直線光柵尺(7)、定位板(8)，驅動支架(9)、垂直放置分別沿XY方向運動的兩臺直線電機(10)、與電機運動方向一致的兩對平行導軌(11)、光電開關(12)、限位塊 (13)、每一維運動方向上的兩個滾動軸承(14)、每一導向方向上各有兩對水平導向電磁鐵 (15)。
2.根據權利要求1所述的一種平面型磁浮直線運動平臺的特徵在於四對垂向帶線圈電磁鐵6組成四個主動控制電磁軸承，通過檢測每對電磁鐵附近安裝的電渦流傳感器的位置信息作為反饋控制信號，控制線圈中的電流以控制磁軸承產生的電磁力，可使磁浮工作平臺穩定地懸在電磁鐵支座上面且使磁浮工作檯在豎直方向上穩定懸浮在確定的平衡工作位置，保證磁浮平臺工作時與垂向支撐架間無機械接觸。
3.根據權利要求1所述的一種平面型磁浮直線運動平臺特徵在於支架為非導磁材料，電磁鐵和磁浮工作檯為高磁導率材料，磁浮工作檯為中空的方槽形結構，相鄰兩邊相互垂直，其中有兩個相鄰垂直邊起導軌作用；兩個直線運動電機固定在底座上面，每個電機的聯接驅動支架安裝有兩個導向和驅動用滾動軸承和兩個電磁軸承，磁浮平臺的導軌邊置於磁鐵對的空隙間，在兩個電機動子驅動作用下，磁浮平臺可沿相互垂直的兩維平面方向運動，受兩對水平方向電磁鐵的導向作用，兩維運動無機構耦合，從而可使磁懸浮工作平臺實現大範圍的平面運動，實現磁懸浮導向與驅動之間的集成。
4.根據權利要求1所述的一種平面型磁浮直線運動平臺特徵在於與電機動子相連的每一驅動支架為非導磁材料，支架上分別包括兩個剛性驅動部件(滾動軸承)和兩對柔性驅動部件(差動式電磁軸承)。柔性電磁軸承通過電渦流位移傳感器進行位置伺服反饋，可控制作用在磁浮平臺導向邊上的電磁力和導軌相對磁鐵的氣隙位置。滾動軸承外徑離磁浮平臺導軌表面的最近距離比電磁鐵外表面離其距離要小，可保護電磁軸承，在高加速、大推力驅動作用下，電磁軸承的電磁推力不足而氣隙大小難以保持恆定時，可藉助滾動軸承直接推動磁浮平臺運動。兩個滾動軸承和兩個水平電磁軸承共同完成每一維方向上的導向和驅動功能。
5.根據權利要求1所述的一種平面型磁浮直線運動平臺特徵在於剛性滾動軸承與柔性磁軸承的集成工作模式為當磁懸浮工作平臺需要比較大的加速度時，剛性驅動部件直接驅動磁懸浮工作平臺，其中柔性驅動部件起到緩衝並避免剛性碰撞的作用；當磁懸浮工作平臺需要比較小的驅動力時，柔性驅動部件可以直接驅動磁懸浮工作平臺，實現磁懸浮導向與驅動之間的集成；
6.根據權利要求1所述的一種平面型磁浮直線運動平臺特徵在於直線電機為伺服電機，分別裝有高精度反饋元件直線光柵尺，可實現其精密運動控制。光電開關及限位塊對其極限位置實行電控和機械系統雙限位作用。
7.根據權利要求1所述的一種平面型磁浮直線運動平臺特徵在於當磁懸浮工作平臺需要穩定懸浮時，懸浮磁鐵單元和柔性驅動部件的四對電磁鐵通過渦流傳感器的位置反饋使其懸浮在穩定位置，實現磁懸浮導向與驅動之間的分離。
全文摘要
本發明公開了一種具有兩維較大行程的平面型磁浮直線運動平臺裝置。該裝置的每個電磁軸承由兩個差動式驅動電磁鐵組成，控制線圈中電流可使磁懸浮工作平臺在電磁力作用下穩定懸浮，與支承座及直線驅動系統間無機械接觸；平臺與直線電機驅動單元相互獨立，兩個水平面上相互垂直的直線電機依靠側嚮導向懸浮電磁鐵的非接觸電磁力作用推動磁浮平臺作平面型兩維直線運動。其中磁浮平臺的兩個側向直線導向及驅動機構結構完全相同，每個導向機構均由兩個電磁軸承和機械滾動軸承組成。兩導向無耦合關係，當平臺高加速度運動時，剛性滾動軸承輔助導向及驅動磁懸浮工作平臺，而在穩定狀態及需要比較小的驅動力時，柔性電磁軸承可以直接驅動磁懸浮工作平臺。
文檔編號B25H1/00GK102501224SQ201110291618
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者張世偉, 李群明, 胥曉, 鄧華, 陳啟會, 韓雷 申請人:中南大學