專利名稱：超精密微位移導(dǎo)軌磁懸浮方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密、超精密加工制造設(shè)備，尤其涉及一種能滿足微電子、IT等行業(yè)高新科技產(chǎn)品的精密加工要求和超潔凈制造環(huán)境要求的超精密微位移導(dǎo)軌磁懸浮方法及其裝置。
背景技術(shù)：
在微電子、IT等行業(yè)產(chǎn)品的制造領(lǐng)域，各種精密、超精密加工制造設(shè)備上使用的進(jìn)給機(jī)構(gòu)一般都采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密滾珠絲杠傳動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐的傳統(tǒng)方案，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)絲杠帶動(dòng)導(dǎo)軌平臺(tái)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于從電機(jī)到導(dǎo)軌平臺(tái)(即工作臺(tái))之間需要聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、導(dǎo)軌等諸多中間環(huán)節(jié)，不僅加大了進(jìn)給機(jī)構(gòu)的慣性質(zhì)量，影響了機(jī)構(gòu)響應(yīng)頻率，降低了機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度和加速度；而且在機(jī)構(gòu)要完成啟動(dòng)、加(減)速、反轉(zhuǎn)和停車等動(dòng)作時(shí)，中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、聯(lián)結(jié)間隙以及反向間隙等，會(huì)造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滯后和非線性誤差。所以傳統(tǒng)方案進(jìn)給精度較低，加工工時(shí)較長(zhǎng)，使設(shè)備不能滿足對(duì)加工工件的指標(biāo)要求。20世紀(jì)90年代以來(lái)，出現(xiàn)了用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)取代旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲杠傳動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌平臺(tái)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)的應(yīng)用取消了源動(dòng)力和工作臺(tái)之間的所有中間傳動(dòng)聯(lián)結(jié)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的零傳動(dòng)，克服了傳統(tǒng)進(jìn)給方案存在的主要缺點(diǎn)，可提高機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度。但由于滑動(dòng)導(dǎo)軌副之間仍然存在摩擦，摩擦?xí)饘?dǎo)軌副的磨損，從而逐漸降低進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度。而且，摩擦?xí)a(chǎn)生金屬粉塵，這極有害于微電子產(chǎn)品如半導(dǎo)體元器件的性能和質(zhì)量。因此，許多微電子、IT產(chǎn)品要求在超潔凈環(huán)境下完成加工制作，加工區(qū)域?qū)饘俜蹓m及其它微細(xì)顆粒的含量有著極為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。所以，因?yàn)榇嬖谀Σ?，以上兩種類型的進(jìn)給機(jī)構(gòu)都不能直接滿足超潔凈制作環(huán)境要求。況且，摩擦阻尼的存在會(huì)降低機(jī)構(gòu)的響應(yīng)頻率，影響機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決背景技術(shù)中導(dǎo)軌副間的摩擦，進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度低、導(dǎo)軌副間剛度小的問(wèn)題，為了達(dá)到上述目的本發(fā)明將使進(jìn)給機(jī)構(gòu)無(wú)金屬粉塵和油脂污染，有效地提高機(jī)構(gòu)的微進(jìn)給精度，使機(jī)構(gòu)滿足超潔凈制作環(huán)境的要求及超精密加工精度的要求，為此本發(fā)明將提供一種超精密微位移導(dǎo)軌磁懸浮方法及其裝置。
下面闡述本發(fā)明的方法(1)、首先利用兩只線圈同時(shí)通以足夠大的電流，將在線圈與導(dǎo)軌斜平面之間產(chǎn)生與斜平面垂直的兩股電磁吸力，電磁吸力可分解為垂直和水平兩個(gè)方向的分量，垂直方向分量的合力是所需的磁懸浮力；(2)、再利用磁懸浮力把平臺(tái)以及與之固定聯(lián)接的部件懸浮起來(lái)；(3)、當(dāng)磁懸浮力與平臺(tái)、與之固定聯(lián)接部件總重量以及外加載荷之和相等時(shí)，則使平臺(tái)穩(wěn)定懸浮在導(dǎo)軌上，且使線圈與導(dǎo)軌斜平面之間保持穩(wěn)定的氣隙ε；(4)、當(dāng)受到外界力的干擾時(shí)，線圈與導(dǎo)軌斜平面之間的氣隙ε發(fā)生變化，利用氣隙傳感器具有輸出電流(或電壓)大小與氣隙的大小在一定范圍內(nèi)成近似正比例線性關(guān)系的特性，由氣隙傳感器輸出變化的電流；(5)、利用輸出變化的電流通過(guò)控制器與功率放大器的處理和放大作用調(diào)整線圈的輸入電流，從而改變線圈產(chǎn)生的電磁吸力，使電磁吸力的垂直分量合力與重力以及外加力重新達(dá)到平衡，使變化的氣隙恢復(fù)到原來(lái)的大小，平臺(tái)被迅速調(diào)整回到原來(lái)平衡時(shí)的懸浮位置；(6)、利用電磁吸力分解于水平方向的兩個(gè)分量在理想狀況下應(yīng)大小相等、方向相反的特性，當(dāng)水平分量大小不等時(shí)，平臺(tái)產(chǎn)生左右偏擺，此時(shí)線圈與導(dǎo)軌斜平面之間氣隙發(fā)生變化，電磁吸力小的一邊間隙變大，電磁吸力大的一邊間隙變小，與此同時(shí)，氣隙傳感器的電流或電壓值也相應(yīng)改變，則控制系統(tǒng)修正線圈的電流或電壓，以使電磁吸力的水平分量大小相等，平臺(tái)重新回歸到原來(lái)的平衡位置，與導(dǎo)軌左右兩側(cè)斜平面保持相等的氣隙，由此保證了平臺(tái)進(jìn)給時(shí)的導(dǎo)向精度。
本發(fā)明的裝置由實(shí)施例的圖1和圖2所示，由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械系統(tǒng)包括直線電機(jī)初級(jí)1、導(dǎo)軌2、微進(jìn)給平臺(tái)3、直線電機(jī)次級(jí)4、初級(jí)底座5、機(jī)構(gòu)底座6、磁懸浮線圈7、起落支撐8，控制系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)9、電機(jī)功率放大器10、磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11、氣隙傳感器12，導(dǎo)軌2對(duì)稱地固定聯(lián)接在機(jī)構(gòu)底座6上，微進(jìn)給平臺(tái)3與一對(duì)磁懸浮線圈7固定聯(lián)接，兩只起落支撐8固定安裝在微進(jìn)給平臺(tái)3的下方，微進(jìn)給平臺(tái)3由起落支撐8支撐在導(dǎo)軌2上平面，直線電機(jī)次級(jí)4固定安裝在微進(jìn)給平臺(tái)3的正下方，直線電機(jī)初級(jí)1安裝在初級(jí)底座5里，并且直線電機(jī)次級(jí)4與直線電機(jī)初級(jí)1保持一定的間隙，初級(jí)底座5與機(jī)構(gòu)底座6固定聯(lián)接；磁懸浮線圈7的控制信號(hào)線連接到磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11，直線電機(jī)次極4的控制信號(hào)線與電機(jī)功率放大器10連接，電機(jī)功率放大器10和磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11均與控制計(jì)算機(jī)9的信號(hào)端相連，氣隙傳感器12固定安裝在磁懸浮線圈7上，其探頭與導(dǎo)軌2斜平面保持合適的間隙，氣隙傳感器12的傳輸信號(hào)線與磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11相連，導(dǎo)軌2采用V形形狀。
本發(fā)明工作時(shí)，起落支撐收起，控制系統(tǒng)控制磁懸浮線圈向上浮起，并與導(dǎo)軌斜平面保持穩(wěn)定的間隙，微進(jìn)給平臺(tái)由此穩(wěn)定地懸浮在導(dǎo)軌上，當(dāng)控制系統(tǒng)給直線電機(jī)輸出位移數(shù)字信號(hào)，直線電機(jī)次級(jí)將要移動(dòng)給定的數(shù)字位移量，從而驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給平臺(tái)沿導(dǎo)軌無(wú)摩擦地實(shí)現(xiàn)精密、超精密直線微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的積極效果由于本發(fā)明采用了磁懸浮技術(shù)，并結(jié)合了直線電機(jī)能實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)的特點(diǎn)，所以微進(jìn)給機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)工作臺(tái)與導(dǎo)軌之間沒(méi)有摩擦，省去了油脂潤(rùn)滑，消除了機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品制作環(huán)境污染；(2)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦阻尼作用，很小的作用力就可以驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，大大節(jié)省動(dòng)力；(3)因沒(méi)有摩擦，所以運(yùn)動(dòng)件不會(huì)有磨損，可以長(zhǎng)期有效地保持機(jī)構(gòu)的精度，延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的使用壽命；(4)沒(méi)有摩擦阻尼，有利于提高機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度，縮短了機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，提高了機(jī)構(gòu)的響應(yīng)頻率；
(5)直線電機(jī)的應(yīng)用省略了中間所有傳動(dòng)聯(lián)接環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，大大減輕了機(jī)構(gòu)質(zhì)量，相應(yīng)地減小了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)慣量，可較大幅度地提高機(jī)構(gòu)進(jìn)給精度和工作效率；(6)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)將磁懸浮力和導(dǎo)向力的產(chǎn)生系統(tǒng)合二為一，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、減少了控制環(huán)節(jié)、降低了制作成本，且可以保證微進(jìn)給機(jī)構(gòu)具有較高的磁懸浮和導(dǎo)向精度。
由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、具有潔凈、高效的特點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)超精密的進(jìn)給精度，將廣泛應(yīng)用于微電子、IT等產(chǎn)品制造領(lǐng)域的專用設(shè)備上，還將應(yīng)用于航空航天、軍工、醫(yī)藥、儀器儀表、生命科學(xué)以及基因工程等等眾多高科技領(lǐng)域的科研、實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品生產(chǎn)加工等設(shè)備上，具有廣闊的市場(chǎng)前景。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及控制示意圖。
圖2是本發(fā)明原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1和圖2本發(fā)明的機(jī)械系統(tǒng)包括直線電機(jī)初級(jí)1、導(dǎo)軌2、微進(jìn)給平臺(tái)3、直線電機(jī)次級(jí)4、初級(jí)底座5、機(jī)構(gòu)底座6、磁懸浮線圈7、起落支撐8，控制系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)9、電機(jī)功率放大器10、磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11、氣隙傳感器12。根據(jù)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度確定直線電機(jī)初級(jí)1采用五組線圈組成，并要求五組線圈上平面在同一水平面內(nèi)，誤差不大于0.1mm；導(dǎo)軌2由兩塊V型導(dǎo)軌板組成，采用鐵磁性材料，上下表面進(jìn)行拋光加工，平面度要求達(dá)到0.3μm/25mm，并對(duì)上下表面進(jìn)行均質(zhì)處理，使得表面金屬性能為各向同性；微進(jìn)給平臺(tái)3由10mm厚鋁合金板加工而成，可減輕平臺(tái)的重量；直線電機(jī)次級(jí)4采用輕質(zhì)鋁合金制作，并且直線電機(jī)次級(jí)4與直線電機(jī)初級(jí)1的間隙保持在0.3～0.5mm或根據(jù)需要選擇兩者的間隙；初級(jí)底座5采用鋁合金材料；機(jī)構(gòu)底座6由大理石拋光加工而成；磁懸浮線圈7采用一對(duì)U型磁懸浮線圈，其磁極表面要拋光研磨加工，平面度要求達(dá)到0.3μm/25mm；起落支撐8采用兩只起落支撐由耐磨材料制作?？刂葡到y(tǒng)硬件由外界采購(gòu)器件組裝，控制計(jì)算機(jī)9可采用EVOC810工業(yè)計(jì)算機(jī)，內(nèi)有多個(gè)插槽，控制程序和運(yùn)行軟件自行編寫。電機(jī)功率放大器10和磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11可采用美國(guó)ParKer公司的6KGeminiGV型號(hào)功率放大器。氣隙傳感器12采用德國(guó)Micro-Epsilon公司的EU型號(hào)傳感器以及相匹配的eddyNCDT3300傳感器監(jiān)控器。如將該微進(jìn)給機(jī)構(gòu)取代現(xiàn)有的摩擦導(dǎo)軌式或者氣浮導(dǎo)軌式進(jìn)給機(jī)構(gòu)，安裝在微電子光刻設(shè)備上，可以大幅度地提高光刻設(shè)備的性能如定位精度和加工精度。
權(quán)利要求
1.超精密微位移導(dǎo)軌磁懸浮方法，其特征在于(1)、首先利用兩只線圈同時(shí)通以足夠大的電流，將在線圈與導(dǎo)軌斜平面之間產(chǎn)生與斜平面垂直的兩股電磁吸力，電磁吸力可分解為垂直和水平兩個(gè)方向的分量，垂直方向分量的合力是所需的磁懸浮力；(2)、再利用磁懸浮力把平臺(tái)以及與之固定聯(lián)接的部件懸浮起來(lái)；(3)、當(dāng)磁懸浮力與平臺(tái)、與之固定聯(lián)接部件總重量以及外加載荷之和相等時(shí)，則使平臺(tái)穩(wěn)定懸浮在導(dǎo)軌上，且使線圈與導(dǎo)軌斜平面之間保持穩(wěn)定的氣隙ε；(4)、當(dāng)受到外界力的干擾時(shí)，線圈與導(dǎo)軌斜平面之間的氣隙ε發(fā)生變化，利用氣隙傳感器具有輸出電流(或電壓)大小與氣隙的大小在一定范圍內(nèi)成近似正比例線性關(guān)系的特性，由氣隙傳感器輸出變化的電流；(5)、利用輸出變化的電流通過(guò)控制器與功率放大器的處理和放大作用調(diào)整線圈的輸入電流，從而改變線圈產(chǎn)生的電磁吸力，使電磁吸力的垂直分量合力與重力以及外加力重新達(dá)到平衡，使變化的氣隙恢復(fù)到原來(lái)的大小，平臺(tái)被迅速調(diào)整回到原來(lái)平衡時(shí)的懸浮位置；(6)、利用電磁吸力分解于水平方向的兩個(gè)分量在理想狀況下應(yīng)大小相等、方向相反的特性，當(dāng)水平分量大小不等時(shí)，平臺(tái)產(chǎn)生左右偏擺，此時(shí)線圈與導(dǎo)軌斜平面之間氣隙發(fā)生變化，電磁吸力小的一邊間隙變大，電磁吸力大的一邊間隙變小，與此同時(shí)，氣隙傳感器的電流或電壓值也相應(yīng)改變，則控制系統(tǒng)修正線圈的電流或電壓，以使電磁吸力的水平分量大小相等，平臺(tái)重新回歸到原來(lái)的平衡位置，與導(dǎo)軌左右兩側(cè)斜平面保持相等的氣隙，由此保證了平臺(tái)進(jìn)給時(shí)的導(dǎo)向精度。
2.超精密微位移導(dǎo)軌磁懸浮裝置，包括微進(jìn)給平臺(tái)3、初級(jí)底座5、機(jī)構(gòu)底座6，初級(jí)底座5與機(jī)構(gòu)底座6固定聯(lián)接；其特征在于還包括機(jī)械系統(tǒng)直線電機(jī)初級(jí)1、導(dǎo)軌2、直線電機(jī)次級(jí)4、磁懸浮線圈7、起落支撐8，控制系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)9、電機(jī)功率放大器10、磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11、氣隙傳感器12，導(dǎo)軌2對(duì)稱地固定聯(lián)接在機(jī)構(gòu)底座6上，微進(jìn)給平臺(tái)3與一對(duì)磁懸浮線圈7固定聯(lián)接，兩只起落支撐8固定安裝在微進(jìn)給平臺(tái)3的下方，微進(jìn)給平臺(tái)3由起落支撐8支撐在導(dǎo)軌2上平面，直線電機(jī)次級(jí)4固定安裝在微進(jìn)給平臺(tái)3的正下方，直線電機(jī)初級(jí)1安裝在初級(jí)底座5里，并且直線電機(jī)次級(jí)4與直線電機(jī)初級(jí)1保持一定的間隙，磁懸浮線圈7的控制信號(hào)線連接到磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11，直線電機(jī)次極4的控制信號(hào)線與電機(jī)功率放大器10連接，電機(jī)功率放大器10和磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11均與控制計(jì)算機(jī)9的信號(hào)端相連，氣隙傳感器12固定安裝在磁懸浮線圈7上，其探頭與導(dǎo)軌2斜平面保持合適的間隙，傳輸信號(hào)線與磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11相連，導(dǎo)軌2采用V形形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及超精密微位移導(dǎo)軌磁懸浮方法及裝置，方法是控制磁懸浮線圈向上浮起，使微進(jìn)給平臺(tái)懸浮在導(dǎo)軌上，利用控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給平臺(tái)沿導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)精密、超精密直線微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。裝置包括直線電機(jī)初級(jí)1、導(dǎo)軌2、微進(jìn)給平臺(tái)3、直線電機(jī)次級(jí)4、初級(jí)底座5、機(jī)構(gòu)底座6、磁懸浮線圈7、起落支撐8、控制計(jì)算機(jī)9、電機(jī)功率放大器10、磁懸浮線圈功率放大器及控制器組合11和氣隙傳感器12。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、具有潔凈、高效的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)超精密的進(jìn)給精度，將應(yīng)用于微電子、IT等產(chǎn)品制造領(lǐng)域的專用設(shè)備上、或航空航天、軍工、醫(yī)藥、儀器儀表、生命科學(xué)以及基因工程等其它高科技領(lǐng)域的科研、實(shí)驗(yàn)等儀器設(shè)備上，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)B23Q1/00GK1415456SQ02132839
公開(kāi)日2003年5月7日 申請(qǐng)日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者宋文榮, 何惠陽(yáng), 王延風(fēng), 于國(guó)飛, 查明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所