專利名稱：一種六自由度磁懸浮工件臺的制作方法
一種六自由度磁懸浮工件臺技術領域
本發(fā)明設計一種半導體制造過程中使用的六自由度磁懸浮工件臺。
背景技術：
在傳統(tǒng)工件臺中，實現運動平臺的平面運動并同時進行360°旋轉采用的是串聯 結構，即由兩個或多個直線電機進行結構疊加實現運動平臺的平面運動，在直線堆疊成的 平面運動結構上再串聯直驅電機，直驅電機可進行360°旋轉，從而實現在運動平臺平面運 動的同時進行旋轉運動。但這種結構比較復雜，占地空間大，在結構堆疊過程中出現傳遞誤 差，工件臺精度較難提高。發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種六自由度磁懸浮工件臺，可以同時進行360°旋轉和大范圍平面 運動，目的在于減小工件臺占地空間，減少傳遞誤差，提聞運動精度。
本發(fā)明的技術方案如下
一種六自由度磁懸浮工件臺，其特征在于該工件臺包括一個底座，一個旋轉驅動 裝置，一個平面運動裝置，角度測量裝置和位移測量裝置；旋轉驅動裝置包括旋轉驅動裝置 環(huán)形線圈陣列定子和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子；平面運動裝置包括平面運動裝置線 圈陣列定子、平面運動裝置永磁陣列動子和直線電機；旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子固 定在底座上，旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子同軸懸空于旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子 之上；平面運動裝置線圈陣列定子和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子進行軸連接，平面運 動裝置永磁陣列動子在磁浮作用下懸空于平面運動裝置線圈陣列定子之上；角度測量裝置 位于旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子之上；位移測量裝置PSD組件包括接收裝置和發(fā)射裝 置，其中接收裝置對稱固定在平面運動裝置線圈陣列定子四周的直線電機上，發(fā)射裝置對 稱固定在平面運動裝置永磁陣列動子的四周。
當平面運動裝置線圈陣列定子通電時，平面運動裝置線圈陣列定子與平面運動裝 置永磁陣列動子間產生洛倫茲力，使得平面運動裝置永磁陣列動子產生沿X軸、Y軸、Z軸方 向的推力；水平方向沿X、y方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子在XY平面上的平面 運動及繞Z軸的小角度轉動，沿Z軸方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子的懸浮，并 通過沿Z軸方向推力之間的差分使平面運動裝置永磁陣列動子繞X軸與Y軸小角度轉動， 因此實現平面運動裝置永磁陣列動子的六自由度運動；旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子與 旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子之間由于洛侖茲力產生扭矩，使旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣 列動子實現360°轉動，同時帶動平面運動裝置線圈陣列定子進行360°轉動，使得平面運 動裝置永磁陣列動子在洛侖茲力及力矩的作用下繞Z軸進行360°旋轉。
本發(fā)明的技術特征還在于旋轉驅動裝置中，所述的旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列 動子的永磁體和旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子的線圈均采用矩形、扇形或梯形；平面運 動裝置中，所述的平面運動裝置線圈陣列定子采用疊層形式，相鄰兩層線圈陣列排列方向相互垂直。
本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點和突出性效果
運動平臺在大范圍平面運動的平時可繞Z軸進行360°大范圍運動；結構簡單，不 冗余，同等條件下占地面積??；與傳統(tǒng)結構相比，減少傳遞誤差；由于采用的磁懸浮技術， 通過有效控制，可以達到較高的精度，甚至可以實現納米級精度。


圖1是本發(fā)明提供的六自由度磁懸浮工件臺裝置的軸測圖。
圖2是本發(fā)明的平面運動裝置永磁陣列動子俯視圖。
圖3是本發(fā)明的平面運動裝置線圈陣列定子軸測圖。
圖4是本發(fā)明的平面運動裝置及位移測量裝置主視圖。
圖5是本發(fā)明的平面運動裝置永磁陣列動子受力分析圖。
圖6是本發(fā)明的平面運動裝置單個永磁陣列受力分析圖。
其中100-平面運動裝置永磁陣列動子；101-第一永磁陣列；102_第二永磁陣 列；103_第三永磁陣列；104_第四永磁陣列；200_平面運動裝置線圈陣列定子；201_第 一層線圈陣列，202-第二層線圈陣列；300_旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子；400_旋轉 驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子；500_角度測量裝置；600_直線電機；601_第一直線電機； 602-第二直線電機；603_第三直線電機；604_第四直線電機；700_位移測量裝置PSD組 件；701_第一 PSD接受裝置；702_第二 PSD接受裝置；703_第三PSD接受裝置；704_第四 PSD接受裝置；705_第一 PSD發(fā)射裝置；706_第二 PSD發(fā)射裝置；707_第三PSD發(fā)射裝置； 708-第四PSD發(fā)射裝置；800_底座。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的結構原理和工作過程作進一步詳細描述。
本發(fā)明提供的一種六自由度磁懸浮工件臺，該工件臺包括一個底座800，一個旋轉 驅動裝置，一個平面運動裝置，角度測量裝置和位移測量裝置；旋轉驅動裝置包括旋轉驅動 裝置環(huán)形線圈陣列定子400和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子300 ;平面運動裝置包括平 面運動裝置線圈陣列定子200、平面運動裝置永磁陣列動子100和直線電機600 ;旋轉驅動 裝置環(huán)形線圈陣列定子固定在底座上，旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子同軸懸空于旋轉驅 動裝置環(huán)形線圈陣列定子之上；平面運動裝置線圈陣列定子和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列 動子進行軸連接，平面運動裝置永磁陣列動子在磁浮作用下懸空于平面運動裝置線圈陣列 定子之上；角度測量裝置500位于旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子之上；位移測量裝置PSD 組件700包括接收裝置和發(fā)射裝置，其中接收裝置對稱固定在平面運動裝置線圈陣列定子 四周的直線電機上，發(fā)射裝置對稱固定在平面運動裝置永磁陣列動子的四周；
旋轉驅動裝置包括旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣 列動子。旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子位于底座上，當線圈通電流后，旋轉驅動裝置環(huán)形 線圈陣列定子和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子之間產生洛倫茲力，提供扭矩，使得旋轉 驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子進行360°旋轉運動。
平面運動裝置位于旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子上，包括平面運動裝置線圈陣列定子和平面運動裝置永磁陣列動子。當平面運動裝置線圈陣列定子通電時，平面運動裝置線圈陣列定子與平面運動裝置永磁陣列動子間產生洛倫茲力，使得平面運動裝置永磁陣列動子產生沿X軸、Y軸、Z軸方向的推力，水平方向沿x、y方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子在XY平面上的平面運動及繞Z軸的小角度轉動，沿Z軸方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子的懸浮，并通過沿Z軸方向推力之間的差分使平面運動裝置永磁陣列動子繞X軸與Y軸小角度轉動，因此實現平面運動裝置永磁陣列動子的六自由度運動。平面運動裝置線圈陣列定子位于旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子之上通過軸與之進行固連， 從而在旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子的帶動下，平面運動裝置線圈陣列定子進行360° 轉動，使得平面運動裝置永磁陣列動子在洛侖茲力及力矩的作用下繞Z軸進行360°旋轉。
角度測量裝置位于旋轉驅動裝置上，在旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子進行旋轉運動時，可對其運動角度進行測量。
位移測量裝置位于平面運動裝置上，四個直線電機位于平面運動裝置線圈陣列定子四周，四個PSD接受裝置分別位于四個直線電機之上，四個PSD射線發(fā)射裝置位于平面運動裝置永磁陣列動子四周，分別和四個PSD接受裝置對應。
圖1是六自由度磁懸浮工件臺的軸測圖。在洛倫茲力的作用下，旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子300相對于旋轉驅動裝置環(huán)形線圈定子400產生轉矩進行轉動。由于旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子300和平面運動裝置線圈陣列定子200由軸連接為一個整體， 旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子300的旋轉即為平面運動裝置線圈陣列定子200的旋轉。 當平面運動裝置線圈陣列定子通電時，平面運動裝置線圈陣列定子200和平面運動裝置永磁陣列動子100之間產生洛倫茲力，使得平面運動裝置永磁陣列動子100產生沿X、y、z方向的力，水平方向沿X、y方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子100的平面運動及繞 Z軸的轉動，沿Z軸方向的推力克服平面運動裝置永磁陣列動子100的重力使其懸浮，并通過沿Z軸方向推力之間的差分使平面運動裝置永磁陣列動子100能夠繞X軸和Y軸進行小角度轉動。當平面運動裝置線圈陣列定子200旋轉時，平面運動裝置線圈陣列定子200和平面運動裝置永磁陣列動子100之間產生相位差，從而產生扭矩，使得面運動裝置永磁陣列動子100相對面運動裝置線圈陣列定子200進行360°轉動，從而實現平面運動裝置永磁陣列動子100繞Z軸進行360°任意角度旋轉，至此實現面運動裝置永磁陣列動子100的六自由度運動。
角度測量裝置500用于對旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子300進行角度測量。位移測量裝置PSD組件700包括接收裝置和發(fā)射裝置。其中接收裝置對稱固定在平面運動裝置線圈陣列定子200四周的直線電機600上，發(fā)射裝置對稱固定在平面運動裝置永磁陣列動子100的四周，可對平面運動裝置的六自由度位移進行測量。
圖2是平面運動裝置永磁陣列動子100的俯視圖，包括第一永磁陣列101、第二永磁陣列102、第三永磁陣列103、第四永磁陣列104四組HALBACH永磁陣列。其中第一永磁陣列101、第三永磁陣列103沿X方向排列，第二永磁陣列102、第四永磁陣列104沿y方向排列。線圈通電時，第一永磁陣列101和第三永磁陣列103產生x、z方向的力，第二永磁陣列 102和第四永磁陣列104產生γ、z方向的力。實現平面運動裝置 永磁陣列動子100沿X、y 方向的平面運動及z方向的懸浮，通過推力之間的差分能夠產生繞Z軸的轉矩以及繞X軸、 Y軸的轉矩，因此實現了平面運動裝置永磁陣列動子100的六自由度運動。
圖3是平面運動裝置線圈陣列定子200的軸測圖。平面運動裝置線圈陣列定子 200由相互垂直的線圈陣列疊加形成，如第一層線圈陣列201和第二層線圈陣列202排列形 式相差90°。第一層線圈陣列201的各個線圈沿y方向連接固定，第二層線圈陣列202的 各個線圈沿X方向固定在一起。第三層線圈陣列和第一層線圈陣列排列方式一樣，第四層 線圈陣列和第二層線圈陣列排列方式一樣，依次類推，線圈陣列層數視實際需要確定。平面 運動裝置線圈陣列定子200能夠為平面運動裝置永磁陣列動子100分別提供x、y、z三個不 同方向的洛倫茲力。
圖4是平面運動裝置及位移測量裝置主視圖。位移測量裝置用來測量平面運動裝 置永磁陣列動子100相對平面運動裝置線圈陣列定子200的位移以及轉動角度。位移測 量裝置PSD的第一 PSD接收裝置701、第二 PSD接收裝置702、第三PSD接收裝置703和第 四PSD接收裝置704分別對稱固定于平面運動裝置線圈陣列定子200四周的第一直線電機 601、第二直線電機602、第三直線電機603、第四直線電機604上，第一 PSD發(fā)射裝置705、 第二 PSD發(fā)射裝置706、第三PSD發(fā)射裝置707、第四PSD發(fā)射裝置708對稱位于平面運動 裝置永磁陣列動子100的四周。其中第一 PSD接收裝置701和第一 PSD發(fā)射裝置705為一 組，第二 PSD接收裝置702和第二 PSD發(fā)射裝置706為一組，第三PSD接收裝置703和第三 PSD發(fā)射裝置707為一組，第四PSD接收裝置704和第四PSD發(fā)射裝置708為一組。當平面 運動裝置永磁陣列動子100進行運動時，第一 PSD發(fā)射裝置705、第二 PSD發(fā)射裝置706、第 三PSD發(fā)射裝置707、第四PSD發(fā)射裝置708發(fā)射的射線分別在第一 PSD接收裝置701、第 二 PSD接收裝置702、第三PSD接收裝置703、第四PSD接收裝置704上的投影產生偏移，通 過解算可得平面運動裝置永磁陣列動子100的平面移動范圍及轉動角度。
圖5是平面運動裝置永磁陣列動子受力分析圖。平面運動裝置永磁陣列動子由四 個HALBACH永磁陣列第一永磁陣列101、第二永磁陣列102、第三永磁陣列103、第四永磁陣 列104組成。第一永磁陣列101、第三永磁陣列103沿X方向排列，第二永磁陣列102、第四 永磁陣列104沿y方向排列,在第一層線圈陣列201通電時,第一永磁陣列101和第三永磁 陣列103產生沿X、z方向的力，而第二永磁陣列102和第四永磁陣列104不產生力。在第 二層線圈陣列202通電時,第一永磁陣列101和第三永磁陣列103不產生力，第二永磁陣列 102和第四永磁陣列104產生沿y、z方向的力。依次類推，當奇數層線圈通電時，第一永磁 陣列101和第三永磁陣列103產生沿X、z方向的力，該力可以推動平面運動裝置永磁陣列 動子沿X軸方向運動及沿Z軸方向運動。當第一永磁陣列101和第三永磁陣列103沿Z軸 方向推力大小不相等時，將產生繞X軸的扭矩，進而可以使平面運動裝置永磁陣列動子繞X 軸轉動。當偶數層線圈通電時，第二永磁陣列102和第四永磁陣列104產生沿y、z方向的 力，該力能夠推動平面運動裝置永磁陣列動子沿Y軸方向運動及沿Z軸方向運動。當第二永 磁陣列102和第四永磁陣列104沿Z軸方向推力大小不相等時，將產生繞Y軸的扭矩，進而 可以使平面運動裝置永磁陣列動子繞Y軸轉動。當平面運動裝置線圈陣列定子轉動時，由 于平面運動裝置線圈陣列定子和平面運動裝置永磁陣列動子的相位差作用，四個HALBACH 永磁陣列會在X、1、z方向均產生力，從而使平面運動裝置永磁陣列動子能夠繞Z軸進行轉 動。在四個永磁陣列的作用力下，平面運動裝置永磁陣列動子可產生繞Z軸的轉矩，沿X、 y方向大范圍運動，繞X、Y軸俯仰及豎直方向高度調整，實現平面運動裝置永磁陣列動子的 六自由度運動。
圖6是平面運動裝置永磁陣列動子單個永磁陣列受力分析圖。第一永磁陣列101 沿X方向排列，第一層線圈陣列201即奇數層的線圈`陣列為第一永磁陣列101提供X、Z方向的洛侖茲力Fx、Fz。其他永磁陣列受力情況類似。
權利要求
1.一種六自由度磁懸浮工件臺，其特征在于該工件臺包括一個底座(800)，一個旋轉驅動裝置，一個平面運動裝置，角度測量裝置和位移測量裝置；旋轉驅動裝置包括旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子(300);平面運動裝置包括平面運動裝置線圈陣列定子(200)、平面運動裝置永磁陣列動子(100)和直線電機(600)； 旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)固定在底座(800)上，旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子(300)同軸懸空于旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)之上；平面運動裝置線圈陣列定子(200)和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子(300)進行軸連接，平面運動裝置永磁陣列動子(100)在磁浮作用下懸空于平面運動裝置線圈陣列定子(200)之上；角度測量裝置 (500)位于旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子(300)之上；位移測量裝置PSD組件包括接收裝置和發(fā)射裝置，其中接收裝置對稱固定在平面運動裝置線圈陣列定子(200)四周的直線電機(600)上，發(fā)射裝置對稱固定在平面運動裝置永磁陣列動子(100)的四周；當平面運動裝置線圈陣列定子通電時，平面運動裝置線圈陣列定子(200)與平面運動裝置永磁陣列動子(100)間產生洛倫茲力，使得平面運動裝置永磁陣列動子(100)產生沿 X軸、Y軸、Z軸方向的推力；水平方向沿X、y方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子 (100)在XY平面上的平面運動及繞Z軸的小角度轉動，沿Z軸方向的推力實現平面運動裝置永磁陣列動子(100)的懸浮，并通過沿Z軸方向推力之間的差分使平面運動裝置永磁陣列動子(100)繞X軸與Y軸小角度轉動，因此實現平面運動裝置永磁陣列動子(100)的六自由度運動；旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)與旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子 (300)之間由于洛侖茲力產生扭矩，使旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子(300)實現360°轉動，同時帶動平面運動裝置線圈陣列定子(200)進行360°轉動，使得平面運動裝置永磁陣列動子(100)在洛侖茲力及力矩的作用下繞Z軸進行360°旋轉。
2.按照權利要求1所述的一種六自由度磁懸浮工件臺，其特征在于旋轉驅動裝置中， 所述的旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子的永磁體和旋轉驅動裝置環(huán)形線圈陣列定子的線圈均采用矩形、扇形或梯形。
3.按照權利要求1所述的一種六自由度磁懸浮工件臺，其特征在于平面運動裝置中， 所述的平面運動裝置線圈陣列定子采用疊層形式，相鄰兩層線圈陣列排列方向相互垂直。
全文摘要
一種六自由度磁懸浮工件臺，該裝置包括底座、一個旋轉驅動裝置、一個平面運動裝置、角度測量裝置和位移測量裝置。其中位移測量裝置包括四個直線電機、四個PSD組件。在旋轉驅動裝置作用下，和旋轉驅動裝置環(huán)形永磁陣列動子由軸連接的平面運動裝置永磁陣列定子進行旋轉，使得平面運動裝置永磁陣列動子和平面運動裝置線圈陣列定子之間形成相位差，從而磁懸浮工件臺動子即平面運動裝置永磁陣列動子在水平面內實現360°旋轉。同時平面運動裝置永磁陣列動子在洛倫茲力作用下進行大范圍的平面運動，并可進行小幅度繞X軸和Y軸轉動及沿Z軸運動，實現磁懸浮工件臺動臺的六自由度運動。
文檔編號H02N15/00GK103066894SQ20121053541
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權日2012年12月12日
發(fā)明者朱煜, 張鳴, 宋玉晶, 成榮, 劉昊, 劉召, 楊開明, 胡金春, 徐登峰, 尹文生, 穆海華 申請人:清華大學