本發(fā)明涉及一種磁懸浮導(dǎo)向裝置，適用于高速無摩擦靜音運(yùn)動裝置，諸如半導(dǎo)體制造設(shè)備、液晶顯示制造設(shè)備、檢測設(shè)備中的運(yùn)動臺定位裝置，運(yùn)動臺上承載有硅片、掩模、玻璃基底或者類似的基底用以曝光或者檢測。

背景技術(shù)：

隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步和半導(dǎo)體工業(yè)快速發(fā)展，對于光刻設(shè)備有四項(xiàng)基本性能指標(biāo)：線寬均勻性(cd，criticaldimensionuniformity)、焦深(focus)、套刻(overlay)和產(chǎn)率(throughput)。為了提高線寬均勻性，光刻機(jī)工件臺掩模臺必須提高水平向精密定位能力。為了提高焦深誤差精度，工件臺掩模臺必須提高垂向精密定位能力。為了提高光刻機(jī)套刻誤差精度，工件臺掩模臺必須提高其內(nèi)部模態(tài)來提升動態(tài)定位特性。此外，光刻設(shè)備必須增加產(chǎn)率，因此工件臺必須高速運(yùn)動，快速啟動和停止。光刻設(shè)備的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的。為了克服這個矛盾，當(dāng)前工件臺掩模臺技術(shù)采用了粗微動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速和高精度的技術(shù)分離。粗動結(jié)構(gòu)主要由直線電機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)大行程和高速度運(yùn)動。微動臺則層疊安裝于粗動臺上，可以動態(tài)補(bǔ)償定位偏差，微動臺實(shí)現(xiàn)納米精度，并具有多自由度運(yùn)動來進(jìn)行光刻曝光和對準(zhǔn)。

目前這種結(jié)構(gòu)采用氣浮軸承結(jié)構(gòu)驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動與執(zhí)行器的一體化耦合設(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)動結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大，驅(qū)動力隨著增大，驅(qū)動反力施加給系統(tǒng)的殘余振動也增大，從而影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。此外，由于產(chǎn)率要求高加速度導(dǎo)致附加傾翻力矩加大，工件臺掩模臺的氣浮靜剛度約束采用高剛性設(shè)計(jì)，對導(dǎo)向平面度、預(yù)載變形、氣浮工藝參數(shù)設(shè)計(jì)要求非常高。同時，考慮到配套的電、氣、水、真空通路與柜，工件臺掩模臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大、可靠性低、維修維護(hù)

傳統(tǒng)精密氣浮運(yùn)動臺利用高壓氣浮軸承支撐，保證運(yùn)動臺在平臺上作無摩擦運(yùn)動，其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)主要由高精密的氣浮導(dǎo)軌和氣浮滑塊結(jié)構(gòu)組成。氣浮結(jié)構(gòu)由提供正壓的氣浮墊和真空預(yù)緊力(或磁吸力預(yù)載)結(jié)構(gòu)由加工成一體。氣浮導(dǎo)向裝置工作時，氣浮結(jié)構(gòu)通入正壓氣體，在氣浮墊與大理 石導(dǎo)軌之間形成氣膜，使氣浮墊受到氣浮力n的支撐，保證氣浮墊在大理石平臺上作無摩擦運(yùn)動。真空預(yù)緊力結(jié)構(gòu)則通入負(fù)壓氣體，使真空預(yù)緊力結(jié)構(gòu)受到與氣浮力n方向相反的真空預(yù)緊力f作用。通過調(diào)節(jié)氣浮力n和真空預(yù)緊力f的大小，可以調(diào)節(jié)氣浮墊及氣浮導(dǎo)向裝置的氣浮剛度。如果提高氣浮墊的氣浮剛度，需要同時增加氣浮壓力n和真空預(yù)緊力f，而增加真空預(yù)緊力f會導(dǎo)致氣浮墊產(chǎn)生預(yù)壓彎曲，由于氣浮的氣膜厚度δ一般只有幾微米到十幾微米，因此，當(dāng)彎曲量σ過大使氣浮墊與導(dǎo)軌接觸時，氣浮墊運(yùn)動將產(chǎn)生機(jī)械摩擦，使氣浮結(jié)構(gòu)失去作用。當(dāng)提高承載力時，需要進(jìn)一步提高供給氣壓，氣浮易發(fā)生氣振，而且氣浮和真空預(yù)載的導(dǎo)向裝置在基于真空環(huán)境應(yīng)用的運(yùn)動臺中卻不能使用。

圖1示出一種傳統(tǒng)的導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置。如圖1所示，該導(dǎo)向裝置包括：導(dǎo)軌單元100、動子滑塊單元101以及導(dǎo)軌副單元102三部分共同構(gòu)成。導(dǎo)軌單元100通常用金屬導(dǎo)軌或剛性高的陶瓷導(dǎo)軌。動子滑塊單元101主要包括機(jī)械滑塊或氣浮滑塊，通?？稍O(shè)計(jì)為機(jī)械部件(如交叉滾子導(dǎo)軌)或氣浮部件(如氣浮墊)。導(dǎo)軌副單元102由機(jī)械滾子軸承組成或由高壓氣懸浮軸承組成，或由永磁懸浮軸承組成。導(dǎo)向裝置具有多個運(yùn)動自由度，第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?00的長軸方向。第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元100的長軸方向互相垂直正交。導(dǎo)向裝置的第三運(yùn)動自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向動子滑塊單元101。其中，動子滑塊單元101在導(dǎo)軌單元100上沿著第一運(yùn)動自由度方向能夠自由運(yùn)動。動子滑塊單元101在導(dǎo)軌單元100上沿著第二運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能或具有高剛性約束?；瑝K101在導(dǎo)軌單元100上沿著第三運(yùn)動自由度方向具有高剛性約束，可承擔(dān)運(yùn)動負(fù)載。

機(jī)械滾子軸承102與導(dǎo)軌單元100和動子滑塊單元101直接接觸，具有高的結(jié)構(gòu)剛性和承載能力，但在高速場景應(yīng)用下噪聲大，難于做到高精度。高壓氣懸浮軸承與導(dǎo)軌單元100與動子滑塊單元101非直接接觸，具有較高的結(jié)構(gòu)剛性和承載能力，噪聲低，但對應(yīng)用環(huán)境要求高。永磁懸浮軸承與導(dǎo)軌單元100與動子滑塊單元101非直接接觸，具有較低軸承剛性和較高的承載能力，無噪聲，但在靜態(tài)時難以處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。

傳統(tǒng)精密運(yùn)動臺還利用機(jī)械軸承導(dǎo)軌支撐運(yùn)動臺運(yùn)動，典型的機(jī)械軸承包括：球軸承、滾子軸承、滑動接觸軸承。但是為了減小滑動軸承或滾子軸承的振動和噪聲，常使用潤滑油，運(yùn)動接觸摩擦過程中會產(chǎn)生顆粒污染應(yīng)用環(huán)境，并且接觸摩擦力還會限制運(yùn)動臺的速度和精度。這種方案的實(shí) 施難度大。

綜上所述，傳統(tǒng)的氣浮或機(jī)械導(dǎo)軌軸承裝置或支撐方法并不能滿足精密運(yùn)動臺中應(yīng)用環(huán)境需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有更大的預(yù)載力，預(yù)載力可調(diào)，以及具有較高的動態(tài)響應(yīng)能力的磁懸浮導(dǎo)向裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于磁懸浮導(dǎo)向裝置的控制系統(tǒng)，所述磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊單元和導(dǎo)軌單元，所述動子滑塊單元成對地布置于所述導(dǎo)軌單元的兩側(cè)，每對所述動子包括第一動子滑塊單元和第二動子滑塊單元。所述控制系統(tǒng)包括：位置設(shè)定裝置，所述位置設(shè)定裝置用于設(shè)定所述動子滑塊單元相對于所述導(dǎo)軌單元懸浮的初始高度；間隙測量傳感器，所述間隙測量傳感器用于測量所述動子滑塊單元與所述導(dǎo)軌單元之間的懸浮間隙高度；以及控制電路，所述控制電路與所述位置設(shè)定裝置和所述間隙測量傳感器通信連接，并用于根據(jù)所述位置設(shè)定裝置和所述間隙測量傳感器所得到的值，來獲得所述動子滑塊單元所需的期望電流。

一實(shí)施例中，所述控制電路可包括第一求和器、控制器、預(yù)載力輸入器、第二求和器、第三求和器、第一非線性補(bǔ)償器、第二非線性補(bǔ)償器、第一電流驅(qū)動器、第二電流驅(qū)動器以及第四求和器，其中所述位置設(shè)定裝置的輸出端與所述第一求和器的輸入端通信連接，所述第一求和器的輸出端與所述控制器的輸入端通信連接，所述控制器的輸出端與所述第二求和器的輸入端和所述第三求和器的輸入端通信連接；所述預(yù)載力輸入器的輸出端與所述第二求和器的輸入端和所述第三求和器的輸入端通信連接；所述第二求和器和所述第三求和器的輸出端與第一非線性補(bǔ)償器和第二線性補(bǔ)償器的輸入端通信連接；所述間隙測量傳感器的輸入端與所述第一非線性補(bǔ)償器和第二非線性補(bǔ)償器的輸入端通信連接；所述第一非線性補(bǔ)償器和所述第二非線性補(bǔ)償器的輸出端分別與所述第一電流驅(qū)動器和所述第二電流驅(qū)動器的輸入端通信連接；以及所述第一電流驅(qū)動器和所述第二電流驅(qū)動器的輸出端分別與所述第一動子滑塊單元和所述第二動子滑塊單元電連接，用于控制所述第一動子滑塊單元和所述第二動子滑塊單元的運(yùn)動。

一實(shí)施例中，所述動子滑塊單元可包括鐵芯和線圈繞組，所述線圈繞組纏繞于所述鐵芯上，其中所述第一電流驅(qū)動器和所述第二電流驅(qū)動器分別為所述第一動子滑塊單元的線圈繞組和所述第二動子滑塊單元的線圈繞組 供電。

一實(shí)施例中，所述間隙測量傳感器可包括設(shè)置于所述動子滑塊單元上的第一間隙測量傳感器和第二間隙測量傳感器，所述第一間隙測量傳感器用于測量一對所述動子滑塊單元中的一個動子滑塊單元與所述鐵芯之間的距離，以及所述第二間隙測量傳感器用于測量該對所述動子滑塊單元中的另一個動子滑塊單元與所述鐵芯之間的距離。

一實(shí)施例中，所述動子滑塊單元的鐵芯可為e型鐵芯且所述線圈繞組纏繞于所述e型鐵芯的中間的突支上，以及所述導(dǎo)軌單元為i型鐵芯；或者，所述動子滑塊單元的鐵芯可為c型鐵芯且所述線圈繞組纏繞于所述c型鐵芯的中部上，以及所述導(dǎo)軌單元為i型鐵芯。

一實(shí)施例中，鐵芯可由軟磁材料制成。

一實(shí)施例中，所述磁懸浮導(dǎo)向裝置可包括多組成對布置的動子滑塊單元，所述多組動子滑塊單元按照對稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對稱周向布置于所述導(dǎo)軌單元兩側(cè)。

一實(shí)施例中，所述導(dǎo)軌單元的導(dǎo)軌的橫截面為口字形、十字形或工字形，所述多組動子滑塊單元成對布置在各橫截面的相對側(cè)上。

一實(shí)施例中，所述動子滑塊單元還可包括氣隙調(diào)節(jié)裝置，其中所述氣隙調(diào)節(jié)裝置設(shè)置于所述鐵芯的預(yù)定位置處，且在所述預(yù)定位置，所述氣隙調(diào)節(jié)裝置中斷由所述線圈繞組產(chǎn)生的磁力線的至少一部分。

一實(shí)施例中，所述氣隙調(diào)節(jié)裝置可包括設(shè)置于所述鐵芯的側(cè)面上的預(yù)定位置處的切口以及與所述切口配合的調(diào)節(jié)塊，所述調(diào)節(jié)塊能夠沿所述切口移動從而調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)塊與所述切口之間的間隙。

一實(shí)施例中，所述鐵芯的表面上方可設(shè)有支撐板，所述調(diào)節(jié)塊可動地安裝于所述支撐板上并延伸入所述切口。

一實(shí)施例中，所述支撐板上設(shè)有螺紋孔，所述調(diào)節(jié)塊通過螺栓安裝于所述支撐板上，其中所述螺栓與所述螺紋孔配合，以調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)塊延伸入所述切口的距離。

一實(shí)施例中，所述支撐板上設(shè)有定位裝置，所述定位裝置用于對所述調(diào)節(jié)塊進(jìn)行定位。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種磁懸浮導(dǎo)向裝置，所述磁懸浮導(dǎo)向裝置包括上述的控制系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種磁懸浮導(dǎo)向裝置的控制方法，所述磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊單元和導(dǎo)軌單元，所述動子滑塊單元成對地布置于所述導(dǎo)軌單元的兩側(cè)，每對所述動子包括第一動子滑塊單元和第 二動子滑塊單元，所述控制方法包括步驟：

步驟1：設(shè)定動子滑塊單元的滑塊的預(yù)載力；

步驟2：設(shè)定動子滑塊單元相對于導(dǎo)軌單元懸浮的高度設(shè)定值；

步驟3：測量動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間的間隙高度；

步驟4：將上述間隙高度與上述高度設(shè)定值進(jìn)行求和得到一偏差值；

步驟5：將該偏差值進(jìn)行處理得到控制力輸出；

步驟6：將該控制力輸出和上述預(yù)載力進(jìn)行求和得到期望輸出力；

步驟7：根據(jù)上述期望輸出力和上述間隙高度得到期望電流；以及

步驟8：根據(jù)上述期望電流來驅(qū)動動子滑塊單元。

一實(shí)施例中，所述處理通過pid控制器進(jìn)行，并且所述控制力輸出gcs(s)通過如下公式計(jì)算：

其中，kp為控制器增益，fi為積分頻率，fd為微分頻率，控制器增益kp將偏差值比例線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為控制力，將控制偏差值的累積偏差按照線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性靜差調(diào)節(jié)力，2πfds微分器將控制偏差值按照線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性阻尼力。

一實(shí)施例中，所述期望電流的計(jì)算公式如下：

其中，i1是期望電流，g1是動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間的間隙，f1是動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間的吸附力，k1是動子滑塊單元的電磁常數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的還一方面，提供了一種磁懸浮導(dǎo)向裝置，包括動子滑塊單元和導(dǎo)軌單元，所述動子滑塊單元成對地布置于所述導(dǎo)軌單元的兩側(cè)，所述動子滑塊單元包括鐵芯和線圈繞組，所述線圈繞組纏繞于所述鐵芯上。所述動子滑塊單元進(jìn)一步包括氣隙調(diào)節(jié)裝置，其中所述氣隙調(diào)節(jié)裝置設(shè)置于所述鐵芯的預(yù)定位置處，且在所述預(yù)定位置，所述氣隙調(diào)節(jié)裝置中斷由所述線圈繞組產(chǎn)生的磁力線的至少一部分。

一實(shí)施例中，所述氣隙調(diào)節(jié)裝置可包括設(shè)置于所述鐵芯的側(cè)面上的預(yù)定位置處的切口以及與所述切口配合的調(diào)節(jié)塊，所述調(diào)節(jié)塊能夠沿所述切口 移動從而調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)塊與所述切口之間的間隙。

一實(shí)施例中，所述鐵芯的表面上方可設(shè)有支撐板，所述調(diào)節(jié)塊可動地安裝于所述支撐板上并延伸入所述切口。

一實(shí)施例中，所述支撐板上可設(shè)有螺紋孔，所述調(diào)節(jié)塊通過螺栓安裝于所述支撐板上，其中所述螺栓與所述螺紋孔配合，以調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)塊延伸入所述切口的距離。

一實(shí)施例中，所述支撐板上可設(shè)有定位裝置，所述定位裝置用于對所述調(diào)節(jié)塊進(jìn)行定位。

一實(shí)施例中，所述切口為圓錐形切口，以及所述調(diào)節(jié)塊為圓錐體；或者，所述切口為楔形切口，以及所述調(diào)節(jié)塊為楔形體。

一實(shí)施例中，所述調(diào)節(jié)塊與所述切口之間的可調(diào)間隙大小為1μm～200μm。

一實(shí)施例中，所述鐵芯的一個或多個側(cè)面上可設(shè)有一個或多個切口和相應(yīng)數(shù)量的調(diào)節(jié)塊。

一實(shí)施例中，所述動子滑塊單元的鐵芯可為e型鐵芯且所述線圈繞組纏繞于所述e型鐵芯的中間的突支上，以及所述導(dǎo)軌單元為i型鐵芯；或者，所述動子滑塊單元的鐵芯可為c型鐵芯且所述線圈繞組纏繞于所述c型鐵芯的中部上，以及所述導(dǎo)軌單元為i型鐵芯。

一實(shí)施例中，鐵芯可由軟磁材料制成。

一實(shí)施例中，導(dǎo)軌單元可由諸如硅鋼、或疊層硅鋼、或具有低剩磁能力的材料加工制造而成。

一實(shí)施例中，所述磁懸浮導(dǎo)向裝置可包括多組成對布置的動子滑塊單元，所述多組動子滑塊單元按照對稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對稱周向布置于所述導(dǎo)軌單元兩側(cè)。

一實(shí)施例中，所述導(dǎo)軌單元的導(dǎo)軌的橫截面可為口字形、十字形或工字形，所述多組動子滑塊單元可成對布置在各橫截面的相對側(cè)上。

一實(shí)施例中，所述動子滑塊單元還可包括間隙測量裝置，所述間隙測量裝置包括設(shè)置于所述動子滑塊單元上的第一間隙測量傳感器和第二間隙測量傳感器，所述第一間隙測量傳感器用于測量一對所述動子滑塊單元中的一個動子滑塊單元與所述鐵芯之間的距離，以及所述第二間隙測量傳感器用于測量該對所述動子滑塊單元中的另一個動子滑塊單元與所述鐵芯之間的距離。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種磁懸浮導(dǎo)向裝置的控制方法，所述磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊單元和導(dǎo)軌單元，所述動子滑塊單元成對 地布置于所述導(dǎo)軌單元的兩側(cè)，所述動子滑塊單元包括鐵芯和線圈繞組，所述線圈繞組纏繞于所述鐵芯上，所述控制方法用于控制所述動子滑塊單元與所述導(dǎo)軌單元之間的吸附力，其特征在于，所述控制方法包括步驟：

步驟1：在所述動子滑塊單元上設(shè)置氣隙調(diào)節(jié)裝置，其中所述氣隙調(diào)節(jié)裝置設(shè)置于所述鐵芯的預(yù)定位置處，且在所述預(yù)定位置，所述氣隙調(diào)節(jié)裝置中斷由所述線圈繞組產(chǎn)生的磁力線的至少一部分；

步驟2：所述吸附力通過以下公式計(jì)算出：

其中，i10為繞組的標(biāo)稱電流，g10為在所述磁懸浮導(dǎo)向裝置的幾何對稱中心的磁路氣隙，以及δg為氣隙調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)的附加磁路氣隙。

一實(shí)施例中，所述g10由以下公式計(jì)算得出

其中，f0為動子滑塊與導(dǎo)軌之間的靜態(tài)預(yù)載力，由設(shè)計(jì)確定。

一實(shí)施例中，所述附加氣隙δg由以下公式計(jì)算得出

其中，m為動子滑塊上運(yùn)動負(fù)載的總質(zhì)量，g為重力加速度。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

(1)提出一種新的磁場氣隙調(diào)節(jié)裝置，可以通過手動或自動調(diào)節(jié)磁路中的磁阻，進(jìn)一步改進(jìn)在重載導(dǎo)軌裝調(diào)過程中便利的進(jìn)行懸浮高度調(diào)節(jié)，尤其適用于負(fù)載變化的場景；

(2)提出的“e”型或“c”型電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)軌的運(yùn)動自由度方向可按照需求進(jìn)行周期陣列拓展，能夠有效提升磁懸浮導(dǎo)軌進(jìn)行重載懸浮的能力，進(jìn)而提升非運(yùn)動自由度的抗扭轉(zhuǎn)能力；

(3)提出的非線性控制技術(shù)主動調(diào)節(jié)懸浮動剛度和懸浮氣隙高度，能夠使得懸浮的定位運(yùn)動系統(tǒng)獲得低的導(dǎo)軌靜剛度和更高的動態(tài)響應(yīng)能力，能夠有效的隔阻外部振動傳入運(yùn)動滑塊所駐在系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)形式的導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的具有氣隙調(diào)節(jié)裝置的“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的氣隙調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的具有氣隙調(diào)節(jié)裝置的陣列“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的控制系統(tǒng)框圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的吸附力的模擬計(jì)算曲線圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的具有氣隙調(diào)節(jié)裝置的“c”型磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的具有氣隙調(diào)節(jié)裝置陣列的“c”型磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。

圖12是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。

圖13是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以便更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對本發(fā)明范圍的限制，而只是為了說明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的磁懸浮導(dǎo)向裝置200的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，磁懸浮導(dǎo)向裝置200包括導(dǎo)軌單元25、滑塊單元201以及磁懸浮控制系統(tǒng)(也稱為主動懸浮控制單元)，其中，導(dǎo)軌單元25包括第一i型鐵芯26和第二i型鐵芯36?；瑝K單元包括第一e型鐵芯繞組20和第二e型鐵芯繞組30。第一e型鐵芯繞組20由第一e型鐵芯21和第一線圈繞組24，以及第一間隙測量傳感器22、氣隙調(diào)節(jié)裝置23組成。第二e型鐵 芯繞組30由第二e型鐵芯31和第二線圈繞組34，以及第二間隙測量傳感器32組成。第一間隙測量傳感器22測量第一e型鐵芯21和第一i型鐵芯26之間的距離。第二間隙測量傳感器32測量第二e型鐵芯31和第二i型鐵芯36之間的距離。導(dǎo)向裝置具有2個運(yùn)動自由度，第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?5的長軸方向，第二自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元25的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三運(yùn)動自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向第二e型鐵芯繞組30，遠(yuǎn)離第一e型鐵芯繞組20。這里，第一間隙測量傳感器和第二間隙測量傳感器可以例如是電容傳感器、電渦流傳感器或者接近式位置測量傳感器等，測量行程范圍0～10mm。

如圖2所示，其中，第一e型鐵芯繞組20在線圈通電時，電流i環(huán)繞線圈流動，根據(jù)右手定則在線圈中心的鐵芯中產(chǎn)生如圖2中所示的磁力線通路，磁力線通路使得第一e型鐵芯繞組20與第一i型鐵芯26的產(chǎn)生吸附力f1，沿著第三自由度方向指向遠(yuǎn)離第一i型鐵芯26表面方向；第二e型鐵芯繞組30在線圈通電時，電流i環(huán)繞線圈流動，根據(jù)右手定則在線圈中心的鐵芯中產(chǎn)生如圖2中所示的磁力線通路，磁力線通路使得第二e型鐵芯繞組30與第二i型鐵芯36的產(chǎn)生吸附力f2，沿著第三自由度方向指向遠(yuǎn)離指向第二i型鐵芯36表面方向；力f1、f2和滑塊上的負(fù)載重力fpreload處于平衡狀態(tài)時，滑塊穩(wěn)定懸浮于導(dǎo)軌25上表面。

fpreload＝f1-f2

圖2中所示的力f(f1或f2)是由e型繞組鐵芯與i型鐵芯之間通過磁隙g產(chǎn)生的磁吸力，磁吸力計(jì)算如下公式：

其中，μ0為空氣磁導(dǎo)率(h/m)

ap為磁隙的面積(m2)

g為磁隙(m)

i為電流(a)

n為e型鐵芯上的線圈匝數(shù)；

k為電磁常數(shù)

第一e型鐵芯繞組20中線圈通電流大小由圖4中83a的電流驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)制供給，第二e型鐵芯繞組30中線圈通電流大小由圖4中83b的電流驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)制供給。

如圖2所示，一對ei鐵芯執(zhí)行器組，平衡力描述為：

f1＝f10+δf1

f2＝f20-δf2

其中，f10和f20為偏置力，δf1為第一e型鐵芯繞組的控制器輸出的動態(tài)補(bǔ)償力，δf2為第二e型鐵芯繞組的控制器輸出的動態(tài)補(bǔ)償力。每個ei執(zhí)行器的標(biāo)稱力f10和f20分別源于執(zhí)行器給定的標(biāo)稱電流i10和i20。每個ei執(zhí)行器輸出的動態(tài)補(bǔ)償力δf1和δf2幅值相等，符號相反。在理論位置中心線上，δf1＝δf2＝0，fpreload＝f10-f20。

氣隙調(diào)節(jié)裝置23設(shè)計(jì)為一楔形裝置，沿著垂直于第一e型鐵芯21表面進(jìn)行位置移動。氣隙調(diào)節(jié)裝置23包括調(diào)節(jié)塊231和位于鐵芯21上的切口211。調(diào)節(jié)塊可相對于切口211移動，進(jìn)而改變調(diào)節(jié)塊231與鐵芯上的切口211之間的間隙，進(jìn)而可以改變環(huán)路氣隙δg，進(jìn)而改變所述磁路的磁阻，進(jìn)而改變滑塊第一e型鐵芯21與導(dǎo)軌25之間吸附力，進(jìn)而可以改變第一e型鐵芯21的吸附力f1與第二e型鐵芯繞組30的吸附力f2之間的力差，進(jìn)而可以改變滑塊之上的負(fù)載力(preloadforce)大小。第一e型鐵芯繞組可變吸附力計(jì)算如下：

第二e型鐵芯繞組可變吸附力計(jì)算如下：

其中，i10、i20為第一和第二e型鐵芯的執(zhí)行器輸入的標(biāo)稱電流，g10、g20為在理論位置中心線上磁路氣隙，δg為氣隙調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)的附加氣隙，δg最小值為0。

g10、g20通過如下公式計(jì)算：

其中，f0為動子滑塊與導(dǎo)軌之間的靜態(tài)預(yù)載力，由設(shè)計(jì)確定。

δg通過如下公式計(jì)算：

其中，m為動子滑塊上運(yùn)動負(fù)載的總質(zhì)量，g為重力加速度。

一實(shí)施例中，調(diào)節(jié)塊231設(shè)計(jì)為一楔形體。相應(yīng)地，鐵芯上的切口為楔形切口。

另一實(shí)施例中，鐵芯上的切口為圓錐形切口。相應(yīng)地，調(diào)節(jié)塊為圓錐體。

一實(shí)施例中，如圖2a所示，鐵芯的表面上方設(shè)有支撐板48。調(diào)節(jié)塊23可動地安裝于支撐板上，并能夠通過螺栓49延伸入鐵芯上的切口。

具體地，調(diào)節(jié)塊23固定連接有調(diào)節(jié)螺栓49。支撐板48上設(shè)有螺紋孔，從而調(diào)節(jié)螺栓與螺紋孔配合，使得調(diào)節(jié)塊53能夠相對于支撐板運(yùn)動，進(jìn)而調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊23伸入鐵芯上的切口的深度，進(jìn)而調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊的外表面與形成切口的表面之間的間隙。

需要指出的是，調(diào)節(jié)塊在支撐板上的定位可以通過本領(lǐng)域已知的或待開發(fā)的任何合適的定位裝置來實(shí)現(xiàn)，只要該定位裝置能夠在將調(diào)節(jié)塊移動到預(yù)定位置之后，對調(diào)節(jié)塊進(jìn)行定位即可。

另一實(shí)施例中(圖未示)，氣隙調(diào)節(jié)裝置包括貼于鐵芯表面的調(diào)節(jié)片，且調(diào)節(jié)片由抗磁材料制成。該調(diào)節(jié)片的結(jié)構(gòu)設(shè)置成能夠改變其大小，從而能夠調(diào)節(jié)其覆蓋鐵芯表面的面積。

應(yīng)理解的是，本發(fā)明的氣隙調(diào)節(jié)裝置主要是用來改變磁路的磁阻，進(jìn)而改變滑塊單元與導(dǎo)軌之間吸附力，進(jìn)而可以改變第一滑塊單元的吸附力與第二滑塊單元吸附力之間的力差，或與滑塊重力負(fù)載之間平衡力大小。在上述原理下，氣隙調(diào)節(jié)裝置可以采用任何合適的結(jié)構(gòu)。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的具有氣隙調(diào)節(jié)裝置的陣列式“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該陣列式“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置包括i型鐵芯700、陣列式“e”型鐵芯繞組、間隙測量傳感器710以及氣隙調(diào)節(jié)裝置720。i型鐵芯700作為定子導(dǎo)軌的一部分。陣列式“e”型鐵芯繞組730作為滑塊部分，其包括e型鐵芯陣列730、線圈繞組711、線圈繞組712和線圈繞組713。陣列式“e”型鐵芯繞組的線圈繞組可以是1組、2組、3組、4組、5組、6組、7組、8組，以此延展類推。間隙測量傳感器710測量e型鐵芯陣列730和i型鐵芯700之間的距離。

導(dǎo)向裝置具有2個運(yùn)動自由度，第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向i型鐵芯700的長軸方向，第二自由度方向?yàn)閥方向，與i型鐵芯700的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三運(yùn)動自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向e型鐵芯繞組陣列。

e型鐵芯陣列繞組711、712、713在線圈通電時，電流i環(huán)繞線圈流動，根據(jù)右手定則在線圈中心的鐵芯中產(chǎn)生如圖3中所示的磁力線通路，磁力線通路使得e型鐵芯繞組711、712、713與i型鐵芯700的產(chǎn)生吸附力f，沿著第三自由度方向指向遠(yuǎn)離i型鐵芯700表面方向。

具有可調(diào)節(jié)氣隙裝置的陣列式“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置可單側(cè)應(yīng)用，也可以在i型鐵芯對稱兩側(cè)同時采用第一和第二陣列式“e”型鐵芯繞組共同組合應(yīng)用。陣列式“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置在單側(cè)應(yīng)用時，ei之間產(chǎn)生的吸附力f可以與滑塊上的負(fù)載重力方向相反，幅值相同以平衡重力，二者處于平衡狀態(tài)時，“e”型陣列鐵芯730作為滑塊部分穩(wěn)定懸浮于i型鐵芯700作為導(dǎo)軌發(fā)上表面。

工作時，第一和第二陣列式“e”型鐵芯繞組共同組合應(yīng)用，第二e型鐵芯繞組陣列與第一e型鐵芯繞組陣列方向相反。在線圈通電時，電流i環(huán)繞線圈流動，根據(jù)右手定則在線圈中心的鐵芯中產(chǎn)生如圖3中所示的磁力線通路，磁力線通路第一和第二陣列式“e”型鐵芯繞組分別與i型鐵芯700的產(chǎn)生吸附力f1和f2，沿著第三自由度方向指向遠(yuǎn)離i型鐵芯700表面的方向。力f1、f2和滑塊上的負(fù)載重力fpreload處于平衡狀態(tài)時，滑塊穩(wěn)定懸浮于i型鐵芯700所在的導(dǎo)軌上表面。

第一e型鐵芯繞組陣列730中線圈通電流大小由圖4中第一ei裝置84a的電流驅(qū)動器83a進(jìn)行調(diào)制供給，第二e型鐵芯繞組陣列中線圈通電流大小由圖4中第二ei裝置84b的電流驅(qū)動器83b進(jìn)行調(diào)制供給。

氣隙調(diào)節(jié)裝置720可以改變所述磁路的磁阻，進(jìn)而改變滑塊e型鐵芯 繞組陣列730與i型鐵芯700之間吸附力，進(jìn)而可以改變e型鐵芯繞組陣列730的吸附力f與第二e型鐵芯繞組陣列吸附力之間的力差，或與滑塊重力負(fù)載之間平衡力大小。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的磁懸浮導(dǎo)向裝置的控制系統(tǒng)框圖。如圖4所示，該控制系統(tǒng)包括位置設(shè)定裝置60，求和器80，控制器81，預(yù)載力輸入器88，求和器90，求和器89，非線性補(bǔ)償器82a、82b，電流驅(qū)動器83a、83b，求和器86，以及間隙測量傳感器模塊91。該控制系統(tǒng)主要用于控制第一動子滑塊單元84a和第二動子滑塊單元84b。這里，位置設(shè)定裝置用于設(shè)定滑塊單元相對于導(dǎo)軌單元懸浮的高度。該高度可以在出廠時預(yù)設(shè)定。間隙測量傳感器模塊91包括上述的間隙測量傳感器22和32。控制器81為常用的pid控制器，用于通過增益放大和調(diào)諧得到控制力輸出。求和器89，求和器90，非線性補(bǔ)償器82a、82b，以及電流驅(qū)動器83a、83b可以采用本領(lǐng)域已知的任何合適的器件，只要其能實(shí)現(xiàn)下文描述的功能即可。

預(yù)載力輸入器88的輸出端與求和器89和90的輸入端通信連接。位置設(shè)定裝置60的輸入端與求和器80的輸入端通信連接。求和器80的輸出端與控制器81的輸入端通信連接。控制器81的輸出端與求和器89和90的輸入端通信連接。求和器89和90的輸出端分別與非線性補(bǔ)償器82a和82b的輸入端通信連接。同時，間隙測量傳感器模塊91的輸出端與非線性補(bǔ)償器82a和82b的輸入端通信連接。非線性補(bǔ)償器82a和82b的輸出端分別與電流驅(qū)動器83a和83b通信連接。電流驅(qū)動器83a和83b分別與第一動子滑塊單元和第二動子滑塊單元電連接，用于控制第一動子滑塊單元和第二動子滑塊單元的運(yùn)動。

工作時，上述fpreload滑塊重力預(yù)載力設(shè)定值寫入預(yù)載力輸入器88中，動子滑塊單元相對導(dǎo)軌單元懸浮的高度設(shè)定值寫入位置設(shè)定裝置60中(出廠時預(yù)設(shè)定值)。間隙測量傳感器22、32測量動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間的懸浮間隙高度(即e鐵芯與i鐵芯之間的距離)，其測量得到位置與高度設(shè)定值通過求和器80計(jì)算得到偏差值，輸入給控制器81，通過增益放大和調(diào)諧得到控制力輸出。該控制力輸出與預(yù)載力設(shè)定值共同輸入給求和器89和求和器90，分別計(jì)算得到第一動子滑塊單元84a和第二動子滑塊單元84b的第一期望輸出力和第二期望輸出力。第一期望輸出力輸入給第一非線性補(bǔ)償器82a，第二期望輸出力輸入給第二非線性補(bǔ)償器82b。同時，第一動子滑塊單元84a和第二動子滑塊單元84b上e鐵芯和i鐵芯之間的距離通過間隙測量傳感器22、32測量得到分別輸入給非線性補(bǔ)償器83a和 83b，分別計(jì)算出第一動子滑塊單元84a和第二動子滑塊單元84b所需要的期望電流，計(jì)算公式如下：

第一動子滑塊單元84a和第二動子滑塊單元84b所需要的期望電流分別輸入給電流驅(qū)動器83a和83b。第一動子滑塊單元84a和第二動子滑塊單元84b在電流驅(qū)動器83a和83b提供的電流激勵下，輸出實(shí)際驅(qū)動力共同作用在磁懸浮導(dǎo)軌85上。兩個驅(qū)動力通過求和器86形成力的矢量疊加和，使得滑塊穩(wěn)定懸浮在導(dǎo)軌之上。

如圖5所示，在給定典型設(shè)置參數(shù)下，在氣隙(gap)調(diào)節(jié)范圍從200μm～500μm變化時，e型線圈中通入電流(current)0a～5a變化時，e型線圈滑塊與i型鐵芯導(dǎo)軌之間的吸附力(force)可以從0n～7600n，快速按照指數(shù)級變化。通過一對ei對稱布局進(jìn)行重力預(yù)載，能夠以較低的能耗和滑塊體積實(shí)現(xiàn)大負(fù)載運(yùn)載能力。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，本申請的磁懸浮導(dǎo)向裝置的控制方法可包括如下步驟：

步驟1：設(shè)定動子滑塊單元的滑塊的預(yù)載力；

步驟2：設(shè)定動子滑塊單元相對于導(dǎo)軌單元懸浮的高度設(shè)定值；

步驟3：測量動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間的間隙高度；

步驟4：將上述間隙高度與上述高度設(shè)定值進(jìn)行求和得到一偏差值；

步驟5：將該偏差值進(jìn)行處理得到控制力輸出；

步驟6：將該控制力輸出和上述預(yù)載力進(jìn)行求和得到期望輸出力；

步驟7：根據(jù)上述期望輸出力和上述間隙高度得到期望電流；以及

步驟8：根據(jù)上述期望電流來驅(qū)動動子滑塊單元。

其中，步驟3通過設(shè)置于動子滑塊單元上的間隙測量傳感器來進(jìn)行。步驟4通過將上述間隙高度與上述高度設(shè)定值輸入求和器并進(jìn)行處理來獲得。步驟5通過將偏差值輸入pid控制器來進(jìn)行。步驟6通過求和器來進(jìn)行。步驟7通過將期望輸出力和上述間隙高度輸入對應(yīng)的非線性補(bǔ)償器來進(jìn)行。步驟8通過將上述期望電流輸入電流驅(qū)動器，并由電流驅(qū)動器驅(qū)動動子滑塊單元來進(jìn)行。

一實(shí)施例中，步驟5中，所述處理通過典型的pid控制器進(jìn)行。該處理包括控制器比例增益，控制器積分增益和控制器微分增益，控制力gcs(s)通過如下公式計(jì)算：

其中，kp為控制器增益，fi為積分頻率，fd為微分頻率，控制器增益kp將偏差值比例線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為控制力，將控制偏差值的累積偏差按照線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性靜差調(diào)節(jié)力，2πfds微分器將控制偏差值按照線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性阻尼力。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，其主要不同之處在于本實(shí)施例的動子滑塊部分有4個e型鐵芯線圈繞組按照90°分布在導(dǎo)軌的四周，包括e型鐵芯線圈繞組1001、e型鐵芯線圈繞組1002、e型鐵芯線圈繞組1003、e型鐵芯線圈繞組1004。導(dǎo)軌部分由4個i型鐵芯構(gòu)建成回字形的鐵芯導(dǎo)軌1000?；瑝K作為移動部分可沿著導(dǎo)軌在第一自由度方向作大行程移動，沿著第二或第三自由度方向作位移補(bǔ)償調(diào)整。第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?000的長軸方向，第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元1000的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向滑塊1001、1002、1003、1004。其中，動子滑塊1001、1002、1003、1004在導(dǎo)軌單元1000上沿著第一運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能，和/或滑塊1001、1002、1003、1004在導(dǎo)軌單元1000上沿著第二或第三運(yùn)動自由度方向具有微位移運(yùn)動功能或具有高剛性約束。

其中，動子滑塊1001、1002、1003、1004的結(jié)構(gòu)配置在導(dǎo)軌單元1000上沿著第一運(yùn)動自由度方向可按照2組、3組、4組，以此類推進(jìn)行拓展配置。

本實(shí)施例的動子滑塊單元的結(jié)構(gòu)及其控制方式與工作原理與上述實(shí)施例相同，在此不再詳述。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。如圖7所示，本實(shí)施例的磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊單元和導(dǎo)軌單元2000，其中導(dǎo)軌單元2000由1個十字形導(dǎo)軌構(gòu)成，每個十字臂構(gòu)成i型鐵芯構(gòu)，十字導(dǎo)軌的每個臂分支上均有一組成對的e型鐵芯線圈繞組(即動子滑塊單元)，共計(jì)4組的e型鐵芯線圈繞組按照90°分布在導(dǎo)軌的四周，包括e型鐵芯線圈繞組對2001、2002，e型鐵芯線圈繞組對2003、2004，e型鐵芯線圈繞組對2005、2006以及e型鐵芯線圈繞組對2007、2008。動 子滑塊單元作為移動部分可沿著導(dǎo)軌在第一自由度方向作大行程移動，沿著第二或第三自由度方向作位移補(bǔ)償調(diào)整。第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?000的長軸方向，第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元2000的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向滑塊2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007及2008。其中，滑塊2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007及2008在導(dǎo)軌單元2000上沿著第一運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能，與或滑塊2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007和2008在導(dǎo)軌單元2000上沿著第二或第三運(yùn)動自由度方向具有微位移運(yùn)動功能或具有高剛性約束。

其中，動子滑塊2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007和2008的結(jié)構(gòu)配置在導(dǎo)軌單元2000上沿著第一運(yùn)動自由度方向可按照2組、3組、4組，以此類推進(jìn)行拓展配置。

本實(shí)施例的動子滑塊單元的結(jié)構(gòu)及其控制方式與工作原理與上述實(shí)施例相同，在此不再詳述。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“e”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。如圖8所示，磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊和導(dǎo)軌單元3000，其中導(dǎo)軌單元3000由1個工字形導(dǎo)軌構(gòu)成，每個工字的梁構(gòu)成i型鐵芯構(gòu)，工字梁導(dǎo)軌的每個臂分支上均有一組成對的e型鐵芯線圈繞組，共計(jì)6組的e型鐵芯線圈繞組按照90°分布在導(dǎo)軌的四周，包括e型鐵芯線圈繞組對3001、3002，e型鐵芯線圈繞組對3003、3004，e型鐵芯線圈繞組對3005、3006，滑塊作為移動部分可沿著導(dǎo)軌在第一自由度方向作大行程移動，沿著第二或第三自由度方向作位移補(bǔ)償調(diào)整。第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?000的長軸方向，第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元3000的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向動子滑塊3001、3002、3003、3004、3005及3006。其中，動子滑塊3001、3002、3003、3004、3005及3006在導(dǎo)軌單元3000上沿著第一運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能，與或動子滑塊3001、3002、3003、3004、3005及3006在導(dǎo)軌單元3000上沿著第二或第三運(yùn)動自由度方向具有微位移運(yùn)動功能或具有高剛性約束。

其中，動子滑塊3001、3002、3003、3004、3005及3006的結(jié)構(gòu)配置在導(dǎo)軌單元3000上沿著第一運(yùn)動自由度方向可按照2組、3組、4組，以此類推進(jìn)行拓展配置。本實(shí)施例的動子滑塊單元的結(jié)構(gòu)及其控制方式與工 作原理與上述實(shí)施例相同，在此不再詳述。

圖9-13示出根據(jù)本發(fā)明的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖及布局示意圖。圖9-13所示的磁懸浮導(dǎo)向裝置與圖1-8所示的實(shí)施例的主要不同之處在于鐵芯的形狀。具體地，圖1-8所示的實(shí)施例中，鐵芯21為e形，而圖9-13所示的實(shí)施例的鐵芯是c形。

如圖9所示，磁懸浮導(dǎo)向裝置300包括導(dǎo)軌單元25、滑塊單元201以及磁懸浮控制系統(tǒng)(也稱為主動懸浮控制單元)，其中，導(dǎo)軌單元25包括第一i型鐵芯26和第二i型鐵芯36?；瑝K單元包括第一c型鐵芯繞組50和第二c型鐵芯繞組60。第一c型鐵芯繞組50由第一c型鐵芯51和第一線圈繞組54，以及第一間隙測量傳感器52、氣隙調(diào)節(jié)裝置53組成，其中氣隙調(diào)節(jié)裝置53與圖2所示的氣隙調(diào)節(jié)裝置23相同，在此不再詳述。第二c型鐵芯繞組60由第二c型鐵芯61和第二線圈繞組64，以及第二間隙測量傳感器62組成。第一間隙測量傳感器52測量第一c型鐵芯51和第一i型鐵芯26之間的距離。第二間隙測量傳感器62測量第二c型鐵芯61和第二i型鐵芯36之間的距離。導(dǎo)向裝置具有2個運(yùn)動自由度，第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?5的長軸方向，第二自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元25的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三運(yùn)動自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向第二c型鐵芯繞組60，遠(yuǎn)離第一c型鐵芯繞組50。這里，第一間隙測量傳感器和第二間隙測量傳感器可以例如是電容傳感器、電渦流傳感器或者接近式位置測量傳感器等，測量行程范圍0～10mm。本實(shí)施例的磁懸浮導(dǎo)向裝置300及其氣隙調(diào)節(jié)裝置和間隙測量傳感器的工作方式與圖2所示實(shí)施例相同，在此不再詳述。

與圖3類似地，本實(shí)施例的磁懸浮導(dǎo)向裝置也可包括陣列式“c”型磁懸浮導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖10所示，該陣列式“e”型磁懸浮導(dǎo)向裝置包括i型鐵芯620、陣列式“c”型鐵芯繞組、間隙測量傳感器610以及氣隙調(diào)節(jié)裝置640，其中氣隙調(diào)節(jié)裝置與圖2所示的氣隙調(diào)節(jié)裝置相同，在此不再詳述。i型鐵芯620作為定子導(dǎo)軌的一部分。陣列式“c”型鐵芯繞組730作為滑塊部分，其包括c型鐵芯陣列630、線圈繞組611、線圈繞組612、線圈繞組613和線圈繞組614，其中線圈繞組611、線圈繞組612、線圈繞組613和線圈繞組614分別與相應(yīng)的鐵芯段構(gòu)成鐵芯繞組621、622、623及624。陣列式“c”型鐵芯繞組的線圈繞組可以是1組、2組、3組、4組、5組、6組、7組、8組，以此延展類推。間隙測量傳感器610測量c型鐵芯陣列630和i型鐵芯620之間的距離。

圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。本實(shí)施例與圖6所示的實(shí)施例基本相同，如圖10所示，動子滑塊部分有4個c型鐵芯線圈繞組按照90°分布在導(dǎo)軌的四周，包括c型鐵芯線圈繞組4001、c型鐵芯線圈繞組4002、c型鐵芯線圈繞組4003、c型鐵芯線圈繞組4004。導(dǎo)軌部分由4個i型鐵芯構(gòu)建成回字形的鐵芯導(dǎo)軌4000。滑塊作為移動部分可沿著導(dǎo)軌在第一自由度方向作大行程移動，沿著第二或第三自由度方向作位移補(bǔ)償調(diào)整。第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?000的長軸方向，第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元4000的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向滑塊4001、4002、4003、4004。其中，動子滑塊4001、4002、4003、4004在導(dǎo)軌單元4000上沿著第一運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能，和/或滑塊4001、4002、4003、4004在導(dǎo)軌單元4000上沿著第二或第三運(yùn)動自由度方向具有微位移運(yùn)動功能或具有高剛性約束。

其中，動子滑塊4001、4002、4003、4004的結(jié)構(gòu)配置在導(dǎo)軌單元4000上沿著第一運(yùn)動自由度方向可按照2組、3組、4組，以此類推進(jìn)行拓展配置。

本實(shí)施例的動子滑塊單元的結(jié)構(gòu)及其控制方式與工作原理與上述實(shí)施例相同，在此不再詳述。

圖12是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。本實(shí)施例與圖7所示的實(shí)施例基本相同，如圖11所示，磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊單元和導(dǎo)軌單元5000，其中導(dǎo)軌單元5000由1個十字形導(dǎo)軌構(gòu)成，每個十字臂構(gòu)成i型鐵芯構(gòu)，十字導(dǎo)軌的每個臂分支上均有一組成對的c型鐵芯線圈繞組(即動子滑塊單元)，共計(jì)4組的c型鐵芯線圈繞組按照90°分布在導(dǎo)軌的四周，包括c型鐵芯線圈繞組對5001、5002，c型鐵芯線圈繞組對5003、5004，c型鐵芯線圈繞組對5005、5006以及c型鐵芯線圈繞組對5007、5008。動子滑塊單元作為移動部分可沿著導(dǎo)軌在第一自由度方向作大行程移動，沿著第二或第三自由度方向作位移補(bǔ)償調(diào)整。第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?000的長軸方向，第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元5000的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向滑塊5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007及5008。其中，滑塊5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007及5008在導(dǎo)軌單元5000上沿著第一運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能， 與或滑塊5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007和5008在導(dǎo)軌單元5000上沿著第二或第三運(yùn)動自由度方向具有微位移運(yùn)動功能或具有高剛性約束。

其中，動子滑塊5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007和5008的結(jié)構(gòu)配置在導(dǎo)軌單元5000上沿著第一運(yùn)動自由度方向可按照2組、3組、4組，以此類推進(jìn)行拓展配置。

本實(shí)施例的動子滑塊單元的結(jié)構(gòu)及其控制方式與工作原理與上述實(shí)施例相同，在此不再詳述。

圖13是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的“c”磁懸浮導(dǎo)向裝置的布局示意圖。本實(shí)施例與圖8所示的實(shí)施例基本相同，如圖13所示，磁懸浮導(dǎo)向裝置包括動子滑塊和導(dǎo)軌單元6000部分，其中導(dǎo)軌單元6000由1個工字形導(dǎo)軌構(gòu)成，每個工字的梁構(gòu)成i型鐵芯構(gòu)，工字梁導(dǎo)軌的每個臂分支上均有一組成對的c型鐵芯線圈繞組，共計(jì)6組的c型鐵芯線圈繞組按照90°分布在導(dǎo)軌的四周，包括c型鐵芯線圈繞組對6001、6002，c型鐵芯線圈繞組對6003、6004，c型鐵芯線圈繞組對6005、6006，滑塊作為移動部分可沿著導(dǎo)軌在第一自由度方向作大行程移動，沿著第二或第三自由度方向作位移補(bǔ)償調(diào)整。第一運(yùn)動自由度方向?yàn)閤方向，指向?qū)к墕卧?000的長軸方向，第二運(yùn)動自由度方向?yàn)閥方向，與導(dǎo)軌單元6000的長軸方向互相垂直正交，導(dǎo)向裝置的第三自由度方向?yàn)閦方向，它與第一運(yùn)動自由度方向和第二運(yùn)動自由度方向均垂直正交，指向動子滑塊6001、6002、6003、6004、6005及6006。其中，動子滑塊6001、6002、6003、6004、6005及6006在導(dǎo)軌單元6000上沿著第一運(yùn)動自由度方向具有自由運(yùn)動功能，與或動子滑塊6001、6002、6003、6004、6005及6006在導(dǎo)軌單元6000上沿著第二或第三運(yùn)動自由度方向具有微位移運(yùn)動功能或具有高剛性約束。

其中，動子滑塊6001、6002、6003、6004、6005及6006的結(jié)構(gòu)配置在導(dǎo)軌單元6000上沿著第一運(yùn)動自由度方向可按照2組、3組、4組，以此類推進(jìn)行拓展配置。本實(shí)施例的動子滑塊單元的結(jié)構(gòu)及其控制方式與工作原理與上述實(shí)施例相同，在此不再詳述。

本申請的磁懸浮導(dǎo)向裝置具有氣隙調(diào)節(jié)裝置，氣隙調(diào)節(jié)裝置能夠增加或減小“e”型鐵芯中磁路磁阻大小，進(jìn)而改變動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間的吸附力，進(jìn)而可便利地手動調(diào)節(jié)動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元之間相對間隙位置，與或進(jìn)而可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的負(fù)載大小。尤其是在導(dǎo)軌單元裝配階段，可便利的利用氣隙調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)裝調(diào)。

進(jìn)一步，本申請的磁懸浮導(dǎo)向裝置在懸浮方向?yàn)榈蛣偠取⒋筘?fù)載，同 時利用主動懸浮控制單元具有高響應(yīng)能力的主動，尤其適用于高精密運(yùn)動臺結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌，可減小非運(yùn)動方向的振動傳導(dǎo)進(jìn)入動子中。

本申請的磁懸浮導(dǎo)向裝置在重載條件下可提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)浮力和較大的間隙問題。本申請的動子滑塊單元與導(dǎo)軌單元具有比氣浮導(dǎo)軌的氣隙高的氣隙(即間隙)。典型地，氣浮導(dǎo)軌的氣隙為5um～20um，而本申請磁懸浮的氣隙高度為10um～2mm。對于不同配重，可以通過調(diào)整內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)在較寬的范圍內(nèi)改變浮力，達(dá)到調(diào)校間隙的目的。同時，解決在重載情況下的裝調(diào)問題。本發(fā)明可適應(yīng)高速高加速度高精度的運(yùn)動定位臺的應(yīng)用場合。

以上已詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但應(yīng)理解到，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改。這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。