一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備中。該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括基座、至少一個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊和一個(gè)體感控制器；每個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊由一個(gè)磁浮平面電機(jī)動(dòng)子和一個(gè)磁浮平面電機(jī)定子組成，可實(shí)現(xiàn)微動(dòng)工作臺(tái)在水平面內(nèi)沿X方向、沿Y方向和繞Z軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于線圈經(jīng)過優(yōu)化，不同規(guī)格的線圈能夠適應(yīng)一定的推力區(qū)間，因此可根據(jù)不同的承載力要求進(jìn)行組合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效集成，節(jié)約生產(chǎn)成本等特點(diǎn)。
【專利說明】一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，尤其涉及一種動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，屬于超精密加工和檢測(cè)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]具有高精度和快速響應(yīng)的微動(dòng)工作臺(tái)在現(xiàn)代制造技術(shù)中具有極其重要的地位，被視為一個(gè)國(guó)家高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。在超精密機(jī)床中，超精密微動(dòng)工作臺(tái)用于對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)超精密加工；目前，超精密微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造均為非標(biāo)準(zhǔn)超精密微動(dòng)工作臺(tái)，不可拼裝使用，針對(duì)同類型的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無法按照不同的負(fù)載需求直接集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的旨在提供一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可以根據(jù)不同載荷要求拼裝集成，使其不僅具有高精度和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便以及規(guī)?；a(chǎn)的要求。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:該磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括基座、至少一個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊和一個(gè)體感控制器；每個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊由一個(gè)磁浮平面電機(jī)動(dòng)子和一個(gè)磁浮平面電機(jī)定子組成，所述的磁浮平面電機(jī)定子包含有線圈模塊和集成驅(qū)動(dòng)器模塊，所述的線圈模塊和集成驅(qū)動(dòng)器模塊固定在基座上；所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子包含一組永磁體陣列和一塊永磁體模塊背板，所述的永磁體陣列與永磁體模塊背板固定在一起，并位于磁浮平面電機(jī)定子的上方；體感控制器設(shè)在所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子正上方，在所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子上表面設(shè)置至少三個(gè)紅外標(biāo)記點(diǎn)，紅外標(biāo)記點(diǎn)作為所述體感控制器的測(cè)量目標(biāo)物；
[0006]本發(fā)明所述的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:所述的磁浮平面電機(jī)模塊采用兩個(gè)以上，相鄰的兩個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的定子之間通過接插件連接并固定在基座上；相鄰的兩個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的動(dòng)子之間通過接插件連接并固定在一塊動(dòng)子集成板上；
[0007]本發(fā)明所述的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:所述的線圈單元采用疊層正交繞制的線圈組，或采用單層長(zhǎng)方形線圈由下至上疊層正交排列且水平放置的線圈組，或采用長(zhǎng)方形線圈水平放置的線圈組，或采用長(zhǎng)方形線圈豎直放置的線圈組，或采用疊層正交印刷PCB電路的線圈組；所述的每個(gè)線圈組的數(shù)量為三的倍數(shù)，每個(gè)線圈由通電導(dǎo)線和線圈骨架組成。
[0008]本發(fā)明所述的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:所述的磁浮平面電機(jī)的永磁體陣列由主永磁體、附永磁體和永磁體模塊背板組成，主永磁體與附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板表面上，相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場(chǎng)方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路；或所述的磁浮平面電機(jī)的永磁體陣列由主永磁體和永磁體模塊背板組成,按照相鄰兩塊主永磁體的充磁方向相反的陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板表面上，在各永磁體之間形成封閉磁路。
[0009]本發(fā)明提供的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的效果:①本發(fā)明可以根據(jù)不同載荷要求拼裝集成，將多個(gè)磁浮平面電機(jī)的動(dòng)子連接在一起，多個(gè)永磁體陣列連接在一起，共同實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，不僅具有高精度和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便以及實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的要求。②運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用電磁力直接驅(qū)動(dòng)，因此不存在機(jī)械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)成熟；③體感控制器的應(yīng)用減少了傳感器使用的數(shù)量，也降低了傳感器之間解算的復(fù)雜性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為發(fā)明提供的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的磁浮平面電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖3為本發(fā)明的磁浮平面電機(jī)的洛倫茲力受力三維結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖4表示出線圈單元采用的幾種不同的結(jié)構(gòu)形式。
[0014]圖5表不出本發(fā)明的兩種永磁陣列結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖中:1_基座；2_標(biāo)記點(diǎn)；3_磁浮平面電機(jī)定子；4_磁浮平面電機(jī)動(dòng)子；5-線圈模塊；6_集成驅(qū)動(dòng)器模塊；7_動(dòng)子集成板；8_體感控制器；9a-定子接插件；9b-動(dòng)子接插件；10-線圈骨架；11-第一磁浮平面電機(jī)模塊；12-第二磁浮平面電機(jī)模塊；13-第三磁浮平面電機(jī)；14-第四磁浮平面電機(jī)模塊；15-永磁體陣列；16-第一主永磁體；17-第二主永磁體模塊；18_附永磁體；19_永磁體模塊背板。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1為發(fā)明提供的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)圖，該磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括基座1、至少一個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊和一個(gè)體感控制器8 ;每個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊由一個(gè)磁浮平面電機(jī)動(dòng)子4和一個(gè)磁浮平面電機(jī)定子3組成，所述的磁浮平面電機(jī)定子包含有線圈模塊5和集成驅(qū)動(dòng)器模塊6，所述的線圈模塊5和集成驅(qū)動(dòng)器模塊6固定在基座I上；所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子4包含一組永磁體陣列15和一塊永磁體模塊背板19,所述的永磁體陣列15與永磁體模塊背板19固定在一起,并位于磁浮平面電機(jī)定子3的上方；體感控制器8設(shè)在所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子4正上方，在所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子4上表面設(shè)置至少三個(gè)紅外標(biāo)記點(diǎn)2，紅外標(biāo)記點(diǎn)作為所述體感控制器8的測(cè)量目標(biāo)物，兩個(gè)高速鏡頭通過拍攝紅外標(biāo)記點(diǎn)的位置變化，通過圖像處理得到所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子在空間六自由度上的位移和姿態(tài)。
[0017]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)圖，該實(shí)施例采用了四個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊，相鄰的兩個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的定子之間通過定子接插件9a連接并固定在基座I上，組成一個(gè)新的磁浮平面電機(jī)模塊的定子；相鄰的兩個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的動(dòng)子之間通過動(dòng)子接插件％連接并固定在一塊動(dòng)子集成板7上，組成一個(gè)新的磁浮平面電機(jī)模塊的動(dòng)子。集成驅(qū)動(dòng)器模塊6與線圈模塊5的所有線圈相連接，并在基座側(cè)面留有對(duì)外接口，該集成驅(qū)動(dòng)器模塊6固定在基座內(nèi)部。在磁浮平面電機(jī)動(dòng)子正上方安裝一個(gè)體感控制器8。
[0018]圖3為發(fā)明提供的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的洛倫茲力受力三維結(jié)構(gòu)圖。磁浮平面電機(jī)動(dòng)子的永磁體陣列15產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和通電線圈電流方向如圖3所示，則所產(chǎn)生的洛倫茲力方向兩者相互垂直，每一組磁浮平面電機(jī)模塊的線圈可同時(shí)在永磁陣列所在平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向，即受到兩個(gè)方向的洛倫茲力Fz和洛倫茲力Fx或者洛倫茲力Fz和洛倫茲力Fy ;當(dāng)改變通電線圈的電流方向和大小，即可改變線圈所受的洛倫茲力的大小和方向，從而改變了磁浮平面電機(jī)動(dòng)子的受力。
[0019]圖4表示出線圈單元采用的幾種不同的結(jié)構(gòu)形式；線圈單元可以采用疊層正交繞制的線圈組(如圖4a)，或采用單層長(zhǎng)方形線圈由下至上疊層正交排列成水平放置的線圈組(4b)，或采用長(zhǎng)方形線圈水平放置的線圈組(如圖4c)，或采用長(zhǎng)方形線圈豎直放置線圈組(如圖4d)，或采用疊層正交印刷PCB電路線圈組(如圖4e);所述的每個(gè)線圈組的數(shù)量為三的倍數(shù)，每個(gè)線圈由通電導(dǎo)線和線圈骨架10組成。
[0020]圖5a和圖5b分別表出本發(fā)明的兩種永磁陣列的結(jié)構(gòu)圖。如圖5a所不的磁浮平面電機(jī)模塊的永磁體陣列15由主永磁體、附永磁體組成，主永磁體與附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板4表面上,相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場(chǎng)方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路；或所述的磁浮平面電機(jī)模塊的永磁體陣列15由主永磁體和永磁體模塊背板4組成，按照相鄰兩塊主永磁體的充磁方向相反的陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板4表面上，在各永磁體之間形成封閉磁路。如圖5b所示的磁浮平面電機(jī)模塊的永磁體陣列15由主永磁體、附永磁體組成，相鄰兩塊主永磁體以及邊緣處的主永磁體與附永磁體以SN陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板4表面上，相鄰兩塊主永磁體以及邊緣處的主永磁體與附永磁體的磁場(chǎng)方向相反布置,在各永磁體之間形成封閉磁路;或所述的磁浮平面電機(jī)模塊的永磁體陣列15由主永磁體和永磁體模塊背板4組成，按照相鄰兩塊主永磁體的充磁方向相反的陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板4表面上,在各永磁體之間形成封閉磁路。
[0021]本發(fā)明的工作過程如下:磁浮平面電機(jī)模塊的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向、通電線圈電流方向，以及產(chǎn)生的洛倫茲力方向兩者相互垂直。每一個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊都可以在X方向、Y方向和Z方向上提供推力。在本實(shí)施例中，共有四個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊，分別為第一磁浮平面電機(jī).11、第二磁浮平面電機(jī)槿&12、第三磁浮平面電機(jī)槿&13和第四磁浮平面電機(jī)模塊14，如圖1所示。
[0022]每個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊分別沿X方向、Y方向和Z方向上提供推力分別為洛倫茲力Fx、洛倫茲力Fy和洛倫茲力Fz，則第一磁浮平面電機(jī)模塊11的推力為FX11、FY11和Fzn ;第二磁浮平面電機(jī)模塊12的推力為FX12、FY12和Fzi2 ;第三磁浮平面電機(jī)模塊13的推力為FX13、Fy13和Fzi3 ;第四磁浮平面電機(jī)模塊14的推力為FX14、FY14和Fzi4 ;如圖3所示。
[0023]當(dāng)四個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的X方向的推力方向相同時(shí)，則模塊化六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)子沿X方向平移；相同的，當(dāng)四個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的Y方向的推力的方向相同時(shí)，則模塊化六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)子沿Y方向平移，當(dāng)四個(gè)磁浮平面電機(jī)Z方向的推力的方向相同時(shí)，則模塊化六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)子沿Z方向平移。
[0024]當(dāng)?shù)谝淮鸥∑矫骐姍C(jī)模塊11和第二磁浮平面電機(jī)模塊12沿X方向的推力Fxn和Fxi2方向相同，同時(shí)第三磁浮平面電機(jī)模塊13和第四磁浮平面電機(jī)模塊14沿X方向的推力與第一磁浮平面電機(jī)模塊11和第二磁浮平面電機(jī)模塊12沿X方向的推力方向相反，或者當(dāng)?shù)谝淮鸥∑矫骐姍C(jī)模塊11和第四磁浮平面電機(jī)模塊14沿X方向的推力Fxil和Fxi4方向相同，同時(shí)第二磁浮平面電機(jī)模塊12和第三磁浮平面電機(jī)模塊13沿X方向的推力與第一磁浮平面電機(jī)模塊11和第四磁浮平面電機(jī)模塊14沿X方向的推力方向相反，驅(qū)動(dòng)模塊化六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)子繞Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0025]當(dāng)?shù)谝淮鸥∑矫骐姍C(jī)模塊11和第四磁浮平面電機(jī)模塊14沿Z方向的推力Fzn和Fzi4方向相同，同時(shí)第二磁浮平面電機(jī)模塊12和第三磁浮平面電機(jī)模塊13沿Z方向的推力與第一磁浮平面電機(jī)模塊11和第四磁浮平面電機(jī)模塊14沿Z方向的推力相反時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊化六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)子繞Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0026]當(dāng)?shù)谝淮鸥∑矫骐姍C(jī)模塊11和第二磁浮平面電機(jī)模塊12沿Z方向的推力Fzn和Fzi2方向相同，同時(shí)第三磁浮平面電機(jī)模塊13和第四磁浮平面電機(jī)模塊14沿Z方向的推力與第一磁浮平面電機(jī)模塊11和第二磁浮平面電機(jī)模塊12沿Z方向的推力相反時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊化六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)子繞X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0027]在本實(shí)施例中，一個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊就能實(shí)現(xiàn)上述的運(yùn)動(dòng)，因此可根據(jù)該特點(diǎn)進(jìn)行組合來滿足不同推力要求的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的需求。
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:該磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括基座(I)、至少一個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊和一個(gè)體感控制器(8);每個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊由一個(gè)磁浮平面電機(jī)動(dòng)子(4)和一個(gè)磁浮平面電機(jī)定子(3)組成，所述的磁浮平面電機(jī)定子包含有線圈模塊(5)和集成驅(qū)動(dòng)器模塊(6)，所述的線圈模塊(5)由多組線圈單元分別沿X方向和Y方向排列而成，每組線圈單元至少包含三個(gè)方形線圈，相鄰兩組線圈單元正交排列，該線圈模塊(5)固定在基座(I)上表面；所述的集成驅(qū)動(dòng)器模塊(6)與線圈模塊(5)的所有線圈相連接，并在基座側(cè)面留有對(duì)外接口，該集成驅(qū)動(dòng)器模塊(6)固定在基座內(nèi)部；所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子包含一組永磁體陣列(15)和一塊永磁體模塊背板(19)，所述的永磁體陣列(15)與永磁體模塊背板(19)固定在一起,并位于磁浮平面電機(jī)定子的上方；體感控制器(8)設(shè)在所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子正上方，在所述的磁浮平面電機(jī)動(dòng)子上表面設(shè)置至少三個(gè)紅外標(biāo)記點(diǎn)(2),紅外標(biāo)記點(diǎn)作為所述體感控制器(8)的測(cè)量目標(biāo)物。
2.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:所述的磁浮平面電機(jī)模塊采用兩個(gè)以上時(shí)，相鄰的兩個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的定子之間通過定子接插件(9a)連接；相鄰的兩個(gè)磁浮平面電機(jī)模塊的動(dòng)子之間通過動(dòng)子接插件(9b)連接并固定在一塊動(dòng)子集成板(7 )上。
3.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:所述的線圈單元采用疊層正交繞制的線圈組(4a)，或采用單層長(zhǎng)方形線圈由下至上疊層正交排列且水平放置的線圈組(4b)，或采用長(zhǎng)方形線圈水平放置的線圈組(4c)，或采用長(zhǎng)方形線圈豎直放置的線圈組，或采用疊層正交印刷PCB電路的線圈組；所述的每個(gè)線圈組的數(shù)量為三的倍數(shù)，每個(gè)線圈由通電導(dǎo)線和線圈骨架(10)組成。
4.如權(quán)利要求1所述的一種模塊化動(dòng)鐵式六自由度磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其特征在于:所述的永磁體陣列(15)由主永磁體和附永磁體組成，主永磁體與附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板(19)的表面上,相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場(chǎng)方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路；或永磁體陣列(15)由主永磁體和附永磁體組成，按照相鄰兩塊主永磁體以及邊緣處主永磁體和附永磁體的充磁方向相反的陣列形式粘接固定于永磁體模塊背板(19)表面上，在各永磁體之間形成封閉磁路。
【文檔編號(hào)】H02N15/00GK103441708SQ201310406596
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】張鳴, 朱煜, 劉召, 成榮, 楊開明, 徐登峰, 張利, 秦慧超, 趙彥坡, 胡清平, 田麗, 葉偉楠, 張金, 尹文生, 穆海華, 胡金春 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京華卓精科科技有限公司