一種六自由度磁懸浮運動臺的制作方法
【專利摘要】一種六自由度磁懸浮運動臺,包括運動部分和永磁體陣列定子,其中運動部分包括承載臺、多個X向電機(jī)動子、多個YZ向電機(jī)動子和四個重力補償機(jī)構(gòu)動子;X向電機(jī)動子和YZ向電機(jī)動子分別與永磁體陣列定子組成X向動圈式直線電機(jī)和YZ向動圈式直線電機(jī);X向動圈式直線電機(jī)動子、YZ向動圈式直線電機(jī)動子和重力補償機(jī)構(gòu)動子共用永磁體陣列定子。該磁懸浮運動臺利用重力補償機(jī)構(gòu)動子與永磁體陣列定子間的吸力之差補償重力,利用X向動圈式直線電機(jī)和YZ向動圈式直線電機(jī)驅(qū)動并調(diào)整其懸浮姿態(tài),可實現(xiàn)Y向的大行程運動及X向和Z向的小行程運動,并可實現(xiàn)θX、θY、θZ三個自由度的小角度轉(zhuǎn)動,且能在Y向?qū)崿F(xiàn)大行程、高速高加速運動,結(jié)構(gòu)簡單、功耗低。
【專利說明】—種六自由度磁懸浮運動臺【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種六自由度磁懸浮運動臺,可用于集成電路加工及檢測裝備用的精密及超精密工作臺,屬于精密及超精密加工與測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在很多工業(yè)設(shè)備中,需要驅(qū)動工件或工件臺進(jìn)行多自由度運動,并對其進(jìn)行精確定位,例如光刻機(jī)中的硅片臺、掩模臺等設(shè)備。為實現(xiàn)多自由度運動及其精確定位,如果直接使用驅(qū)動電機(jī)來提供支承,就會使得驅(qū)動電機(jī)負(fù)載增加,造成電機(jī)發(fā)熱增大。在很多超精密工作臺中,電機(jī)發(fā)熱過大,就會影響環(huán)境溫度,造成非接觸式測量誤差,最終影響定位精度。采用具有永磁體非接觸式重力補償結(jié)構(gòu)的磁懸浮運動臺,具有結(jié)構(gòu)簡單、零組件表面無需精密加工、適用于真空環(huán)境中應(yīng)用等優(yōu)點。
[0003]哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利CN101741290公布了一種六自由度磁懸浮微動平臺,能實現(xiàn)磁懸浮的六自由度運動,但是其六自由度的行程均非常小。清華大學(xué)的專利CN103066894和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利CN102951607公布了兩種采用磁懸浮的六自由度運動臺結(jié)構(gòu),這兩種結(jié)構(gòu)均能在水平面實現(xiàn)大行程的平動,并在其他自由度實現(xiàn)小行程運動,但是兩種結(jié)構(gòu)均無重力補償結(jié)構(gòu),功耗大,運動臺的加速度有限,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利CN102723842公布了一種多自由度長行程磁懸浮工作臺,該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)單自由度大行程運動和其他五自由度的小行程運動,但是該結(jié)構(gòu)沒有重力補償結(jié)構(gòu),功耗大,三個平動自由度分別由不同的電機(jī)控制,每種電機(jī)各自需要不同的永磁體陣列,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種六自由度磁懸浮運動臺,能實現(xiàn)水平面單自由度的大行程直線運動和其他五自由度的小行程運動,并使其具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種六自由度磁懸浮運動臺,包括運動部分和永磁體陣列定子,所述運動部分包括承載臺、多個X向電機(jī)動子、多個YZ向電機(jī)動子和四個重力補償機(jī)構(gòu)動子;所述永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列和下部永磁體陣列;其特征在于:在所述的承載臺的兩側(cè)沿Y向?qū)ΨQ布置永磁體陣列定子;所述的多個X向電機(jī)動子沿Y向?qū)ΨQ安裝在承載臺的兩側(cè),每側(cè)的X向電機(jī)動子和一組永磁體陣列定子組成多個X向動圈式直線電機(jī);所述的多個YZ向電機(jī)動子對稱安裝在承載臺的兩側(cè),每側(cè)的YZ向電機(jī)動子和一組永磁體陣列定子組成多個YZ向動圈式直線電機(jī);所述的四個重力補償機(jī)構(gòu)動子兩兩對稱安裝在兩側(cè)的YZ向電機(jī)動子上,重力補償機(jī)構(gòu)動子和永磁體陣列定子組成重力補償機(jī)構(gòu);重力補償機(jī)構(gòu)動子距上部永磁體陣列的距離小于該重力補償機(jī)構(gòu)動子距下部永磁體陣列的距離;每側(cè)YZ向電機(jī)動子上安裝的兩個重力補償機(jī)構(gòu)動子間的距離相差奇數(shù)個半截距。 [0006]本發(fā)明所述的一種六自由度磁懸浮運動臺,其特征在于:所述的上部永磁體陣列和下部永磁體陣列采用一維的NS陣列;或所述的上部永磁體陣列和下部永磁體陣列采用一維的Halbach陣列。
[0007]本發(fā)明所述的一種六自由度磁懸浮運動臺與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點及突出性的技術(shù)效果:①本發(fā)明利用重力補償機(jī)構(gòu)動子與永磁體陣列定子間的吸力之差補償重力,利用X向動圈式直線電機(jī)和YZ向動圈式直線電機(jī)驅(qū)動并調(diào)整其懸浮姿態(tài),可實現(xiàn)Y向的大行程運動及X向和z向的小行程運動,并可實現(xiàn)ΘΧ、ΘΥ、ΘΖ三個自由度的小角度轉(zhuǎn)動;②該磁懸浮運動臺的X向動圈式直線電機(jī)動子、YZ向動圈式直線電機(jī)動子和重力補償機(jī)構(gòu)動子共用永磁體陣列定子,因此具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易于加工和維護(hù)等優(yōu)點;③該磁懸浮運動臺具備重力補償機(jī)構(gòu),大大降低了電機(jī)負(fù)載和功耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的一種六自由度磁懸浮運動臺的三維圖,其中一組上部永磁體陣列被隱去。
[0009]圖2是本發(fā)明的一種六自由度磁懸浮運動臺的俯視圖,其中兩組上部永磁體陣列被隱去。
[0010]圖3a是本發(fā)明的永磁體陣列定子采用的一維NS陣列組成形式。
[0011]圖3b是本發(fā)明的永磁體陣列定子采用的一維Halbach陣列組成形式。
[0012]圖4是本發(fā)明的重力補償機(jī)構(gòu)示意。
[0013]圖5是本發(fā)明的兩類驅(qū)動電機(jī)的布置方式,其中電機(jī)動子的外殼被隱去。
[0014]圖中件號:100-承載臺;200-X向電機(jī)動子;201-X向電機(jī)動子線圈陣列;300_YZ向電機(jī)動子;301-ΥΖ向電機(jī)動子線圈陣列;400_重力補償機(jī)構(gòu)動子;500_上部永磁體陣列;501-上部永磁體陣列的一維NS陣列形式;502上部永磁體陣列的一維Halbach陣列形式;503_上部永磁體陣列背板;600_下部永磁體陣列;601_下部永磁體陣列的一維NS陣列形式;602下部永磁體陣列的一維Halbach陣列形式;603_下部永磁體陣列背板。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、機(jī)理和工作過程作進(jìn)一步的說明。
[0016]圖1、圖2是本發(fā)明提供的一種六自由度磁懸浮運動臺實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖,圖1中一組上部永磁體陣列被隱去,圖2中兩組上部永磁體陣列被隱去。該磁懸浮運動臺包括運動部分和永磁體陣列定子,所述運動部分包括承載臺100、多個X向電機(jī)動子200、多個YZ向電機(jī)動子300和四個重力補償機(jī)構(gòu)動子400 ;本實施例中的運動部分包括承載臺100、四個X向電機(jī)動子200、四個YZ向電機(jī)動子300和四個重力補償機(jī)構(gòu)動子400 ;永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列500和下部永磁體陣列600。X向電機(jī)動子200、ΥΖ向電機(jī)動子300和重力補償機(jī)構(gòu)動子400關(guān)于X軸和Y軸對稱安裝在承載臺上,可平衡其產(chǎn)生的力矩。
[0017]如圖2所示,在承載臺100的兩側(cè)沿Y向分別布置一組永磁體陣列定子。四個X向電機(jī)動子200沿Y向?qū)ΨQ安裝在承載臺100的兩側(cè),每側(cè)的X向電機(jī)動子200和一組永磁體陣列定子組成X向動圈式直線電機(jī)。四個YZ向電機(jī)動子300對稱安裝在承載臺100的兩側(cè),每側(cè)的YZ向電機(jī)動子300和一組永磁體陣列定子組成四個YZ向動圈式直線電機(jī)。四個重力補償機(jī)構(gòu)動子400兩兩安裝在兩側(cè)的YZ向電機(jī)動子300上,每側(cè)YZ向電機(jī)動子300上安裝的兩個重力補償機(jī)構(gòu)動子400間的距離相差奇數(shù)個半截距,以平衡多個重力補償機(jī)構(gòu)動子400在Y向運動過程中產(chǎn)生的齒槽力,重力補償機(jī)構(gòu)動子400和永磁體陣列定子組成重力補償機(jī)構(gòu)。
[0018]永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列500和下部永磁體陣列600。上部永磁體陣列和下部永磁體陣列可以采用一維的NS陣列,如圖3a所示,或是采用一維的Halbach陣列,如圖3b所示。永磁體陣列定子的Y向尺寸可延伸,以擴(kuò)大承載臺100的Y向尺寸或增加承載臺100的Y向行程。
[0019]如圖4所示,重力補償機(jī)構(gòu)動子400采用鐵磁性材料制造,重力補償機(jī)構(gòu)動子400距上部永磁體陣列500的距離應(yīng)小于該重力補償機(jī)構(gòu)動子400距下部永磁體陣列600的距離,以使其與上部永磁體陣列500間的吸力大于與下部永磁體陣列600間的吸力,用以補償重力。
[0020]如圖5所示,該磁懸浮運動臺含有兩種驅(qū)動電機(jī),其中X向動圈式直線電機(jī)提供X向的驅(qū)動力,利用永磁體陣列定子在其側(cè)面產(chǎn)生的周期性磁場勵磁,多相電流解耦控制;YZ向動圈式直線電機(jī)可同時提供Y向和Z向的驅(qū)動力,利用永磁體陣列定子中間產(chǎn)生的周期性磁場勵磁,多相電流解耦控制。
【權(quán)利要求】
1.一種六自由度磁懸浮運動臺,包括運動部分和永磁體陣列定子,所述永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列(500)和下部永磁體陣列(600);其特征在于:在所述的承載臺(100)的兩側(cè)沿Y向?qū)ΨQ布置永磁體陣列定子;所述的多個X向電機(jī)動子(200)沿Y向?qū)ΨQ安裝在承載臺(100)的兩側(cè),每側(cè)的X向電機(jī)動子(200)和一組永磁體陣列定子組成多個X向動圈式直線電機(jī);所述的多個YZ向電機(jī)動子(300)對稱安裝在承載臺(100)的兩側(cè),每側(cè)的YZ向電機(jī)動子(300)和一組永磁體陣列定子組成多個YZ向動圈式直線電機(jī);所述的四個重力補償機(jī)構(gòu)動子(400)兩兩對稱安裝在兩側(cè)的YZ向電機(jī)動子(300)上,重力補償機(jī)構(gòu)動子(400)和永磁體陣列定子組成重力補償機(jī)構(gòu);重力補償機(jī)構(gòu)動子(400)距上部永磁體陣列(500)的距離小于該重力補償機(jī)構(gòu)動子(400)距下部永磁體陣列(600)的距離;每側(cè)YZ向電機(jī)動子(300)上安裝的兩個重力補償機(jī)構(gòu)動子(400)間的距離相差奇數(shù)個半截距。
2.如權(quán)利要求1所述的一種六自由度磁懸浮運動臺,其特征在于:所述的上部永磁體陣列(500)和下部永磁體陣列(600)采用一維的NS陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的一種六自由度磁懸浮運動臺,其特征在于:所述的上部永磁體陣列(500)和下部永磁體陣列(600)采用一維的Halbach陣列。
【文檔編號】H02N15/00GK103929097SQ201410183531
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】張鳴, 朱煜, 葉偉楠, 成榮, 劉召, 張利, 秦慧超, 趙彥坡, 胡清平, 田麗, 張金, 尹文生, 穆海華, 胡金春 申請人:清華大學(xué), 北京華卓精科科技有限公司