專利名稱：磁懸浮式定位平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米級定位平臺，尤其涉及采用磁懸浮式直線電機驅(qū)動的納米定位平臺，屬于微納米制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)的發(fā)展給人們的生產(chǎn)、生活和安全方面帶來的變化將是無法估量的，它已經(jīng)并將繼續(xù)對信息技術(shù)、計算機技術(shù)、生物醫(yī)學以及國防領(lǐng)域等方面產(chǎn)生巨大的影響。在國家數(shù)控機床發(fā)展戰(zhàn)略中，對超精密裝備給予了高度重視，要求集成電路光刻機具有22nm的曝光系統(tǒng)，運動平臺的定位誤差小于2-3nm，光學鏡面精度為l_3nm，硅片表面粗糙度小于O. 5A。這些技術(shù)的實現(xiàn)都需要大行程納米精度定位平臺。針對目前納米定位采用壓電陶瓷只能實現(xiàn)微小范圍定位的問題，提出采用Halbach磁陣列構(gòu)建夾層結(jié)構(gòu)磁懸浮平臺，實 現(xiàn)大行程二維定位的方案。二維移動平臺所采用的結(jié)構(gòu)形式主要是柔性支撐式運動平臺、氣浮式運動平臺、磁懸浮式運動平臺和導軌加柔性支撐的二級驅(qū)動機構(gòu)。最常見的是以壓電陶瓷PZT作為驅(qū)動部件的柔性支撐機構(gòu)微動平臺，然而，要實現(xiàn)大范圍(指毫米量級運動范圍)納米級精度的運動時，柔性支撐和壓電陶瓷結(jié)合的機構(gòu)難以滿足要求，不能同時實現(xiàn)納米級精度和大運動范圍。而導軌加柔性支撐的二級驅(qū)動機構(gòu)可以實現(xiàn)大行程定位，但由于是二級控制，要對控制進行級間切換，降低了定位速度，并且要實現(xiàn)二維運動，仍然無法避免兩軸之間的機械結(jié)構(gòu)誤差和阿貝誤差帶來的影響。磁懸浮納米定位機構(gòu)方面的研究證明可以實現(xiàn)納米級定位精度，但目前也沒有同時具有大運動范圍和納米級定位精度的成熟成果。大行程的磁懸浮高精度定位平臺主要采用直線電機作為水平驅(qū)動，結(jié)構(gòu)上一般采用懸浮力和水平推力由同一部件提供的方式。另外，磁懸浮平臺雖然具有非接觸，無摩擦等優(yōu)點，但整個系統(tǒng)的阻尼比很小，因此需要加入阻尼裝置提高磁懸浮平臺系統(tǒng)的阻尼比。阻尼裝置可分為接觸摩擦型和非接觸無摩擦兩種。典型的非接觸無摩擦阻尼裝置為渦流阻尼器，因其原理簡單、無摩擦和高可靠性等優(yōu)點而在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁懸浮式定位平臺，不僅能擁有毫米級的移動范圍，同時還能達到納米級的定位及制造要求。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明利用上下兩組定子繞組線圈與移動平臺上下兩表面內(nèi)嵌的永磁陣列相互作用產(chǎn)生電磁力，將移動平臺和與之通過柔性支撐連接構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)的工作平臺，一起懸浮并產(chǎn)生共六個自由度的運動。同時，為了克服磁懸浮平臺慣性大，振動強的不足，利用永磁體與銅片之間的渦流阻尼作用，設(shè)計了永磁渦流阻尼器，實現(xiàn)運動平臺的平穩(wěn)運動。本發(fā)明包括平臺基座，兩組上定子平臺及繞組線圈，兩組下定子平臺及繞組線圈，移動平臺，三個柔性支撐，測量平臺，四組永磁陣列，一塊銅片，四塊永磁體，一個永磁渦流阻尼器基底。在移動平臺的上表面沿X方向分別內(nèi)嵌第一永磁陣列和第二永磁陣列，在移動平臺的下表面沿Y方向分別內(nèi)嵌第三永磁陣列和第四永磁陣列，在第一、第二永磁陣列的上方有與之相互作用的上定子繞組線圈，并固定在上定子平臺中，在第三、第四永磁陣列的下方有與之相互作用的下定子繞組線圈，并固定在下定子平臺中。移動平臺通過三個以平臺為中心呈120度均勻分布的柔性支撐與上方的工作平臺連接。移動平臺的下方固定一塊銅片，銅片的下方是四塊均勻分布的固定在永磁渦流阻尼器底座上的四塊永磁體，永磁渦流阻尼器底座內(nèi)嵌在磁懸浮式納米定位平臺的基座內(nèi)。


圖I是磁懸浮式定位平臺總體結(jié)構(gòu)示意圖(前視圖)。圖2是移動平臺不意圖(上視圖)。圖3是移動平臺和工作平臺通過柔性支撐連接的示意圖(前視圖)。圖4是永磁渦流阻尼器的示意圖(前視圖)。圖5是磁懸浮式定位平臺總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，磁懸浮式定位平臺包括平臺基座1，兩塊下定子平臺10，兩組下定子繞組線圈13，兩塊上定子平臺3，兩組上定子繞組線圈4，移動平臺2，工作平臺5，三個柔性支撐6，兩組上永磁陣列7，兩組下永磁陣列11，銅片9，渦流阻尼器永磁體8，永磁渦流阻尼器底座12。移動平臺2在兩對上定子繞組線圈4和上永磁陣列7的作用，以及下定子繞組線圈13和下永磁陣列11的作用下可以產(chǎn)生六自由度的運動，工作平臺5通過3個以平臺圓心為中心呈120度均勻分布的柔性支撐6連接；為了實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的小型化，將系統(tǒng)的運動機構(gòu)和測量機構(gòu)分開，移動平臺完成六自由度運動的功能，工作平臺完成納米級測量、裝配及定位的功能，移動平臺和工作平臺通過柔性支撐構(gòu)成了夾層結(jié)構(gòu)的磁懸浮納米定位平臺。如圖2所示，十字形狀的移動平臺上表面X方向上內(nèi)嵌兩個永磁陣列7，下表面Y方向上內(nèi)嵌了兩個永磁陣列11。移動平臺是直接產(chǎn)生運動的部件，上表面的兩個永磁陣列7對應(yīng)著位于上定子平臺3上的上定子繞組線圈4，永磁陣列產(chǎn)生的磁場和帶電的定子繞組線圈相互作用產(chǎn)生電磁力，解耦之后分解，一個是推動移動平臺沿著Y方向平動的水平驅(qū)動力Fy，同時產(chǎn)生沿Z方向向上的吸力Fzl，為移動平臺的磁懸浮狀態(tài)提供吸力，構(gòu)成兩個吸力型直線電機。下表面的兩個永磁陣列11對應(yīng)著位于下定子平臺10的下定子繞組線圈13，同樣相互作用并解耦之后分解，一個是推動移動平臺沿著X方向平動的水平驅(qū)動力Fx，同時產(chǎn)生沿著Z方向向上的斥力Fz2，為移動平臺的磁懸浮狀態(tài)提供斥力，構(gòu)成兩個斥力型直線電機。在上方吸力和下方斥力的共同作用下，移動平臺保持磁懸浮的狀態(tài)，調(diào)整上下定子繞組線圈中電流的大小即可以改變懸浮的高度，實現(xiàn)Z方向的運動。上面的吸力型直線電機負責一個方向的水平運動，下面的斥力型直線電機負責另一個方向的水平運動。如圖3所示，移動平臺2和工作平臺5之間通過柔性支撐6連接，組成磁懸浮式納米定位平臺的運動部件。工作平臺5通過3個以平臺圓心為中心呈120度均勻分布的柔性支撐6連接，隨移動平臺一起運動；由于采用上吸下斥磁懸浮方式，為實現(xiàn)納米精度和毫米行程的測量和裝配，通過柔性支撐將移動平臺和測量平臺連接起來，保證測量平臺能夠同步的實現(xiàn)六自由度的運動，并且由于永磁陣列和定子繞組線圈組成的直線電機工作產(chǎn)生大量的熱，能夠通過移動平臺不均勻的分布開來，為了減小這種熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力導致的變形不均勻，消除移動平臺和工作平臺之間的變形誤差，采用柔性支撐對稱布置連接移動平臺和測量平臺，起溫度補償作用。如圖4所示，永磁渦流阻尼器由薄銅片9，永磁體8和基底12組成。將薄銅片9固定在移動平臺2下方中心處，薄銅片的下方為四塊均勻分布的放在永磁渦流阻尼器基底上的四塊正方體永磁體。當薄銅片隨著移動平臺在永磁體產(chǎn)生的磁場中做相對運動時，薄銅片中的電子受到洛倫茲力的作用，將在薄銅片中產(chǎn)生電動勢，而薄銅片內(nèi)感應(yīng)電流將與所在區(qū)域內(nèi)的磁場發(fā)生相互作用，產(chǎn)生與薄銅片運動方向相反的力，即渦流阻尼力。磁懸浮平 臺基本屬于無阻尼系統(tǒng)，平臺在定位過程中容易發(fā)生振蕩，且繞組會產(chǎn)生高次諧波，影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，永磁渦流阻尼器可以改善磁懸浮系統(tǒng)的控制特性。如圖5所示，磁懸浮式定位平臺可以產(chǎn)生六自由度的運動，具體為沿Z方向的平動，沿X方向的平動，沿Y方向的平動，繞Z軸的轉(zhuǎn)動，繞X軸的轉(zhuǎn)動和繞Y軸的轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)方法為I)沿Z方向的平動將上定子平臺3中的繞組線圈4通電，產(chǎn)生的電磁場同兩組永磁陣列7產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，增大繞組線圈中的電流，則上面兩個吸力型直線電機沿Z方向的吸力Fzl增大，同時，將下定子平臺10中的繞組線圈13通電，產(chǎn)生的電磁場同兩組永磁陣列11產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，增加繞組線圈中的電流，則下面兩個斥力型直線電機沿Z方向的斥力Fz2增大，在兩方面的共同作用下，夾層結(jié)構(gòu)的平臺沿Z軸正方向運動。反之，F(xiàn)zl和Fz2同時減小,平臺沿Z軸反方向運動。2)沿X方向的平動將兩組定子平臺中的繞組線圈通電，控制上定子平臺3中的繞組線圈4中電流的大小和方向，使兩個吸力型直線電機只產(chǎn)生吸力Fzl，控制下定子平臺10中的繞組線圈13中的電流，使其大小和方向一致，在兩個斥力型直線電機產(chǎn)生斥力Fz2的同時，產(chǎn)生同一方向(沿X方向)的水平驅(qū)動力Fx，在Fx的驅(qū)動下，平臺沿X方向運動。若改變繞組線圈13中的電流方向，平臺將沿其反方向運動。3)沿Y方向的平動將兩組定子平臺中的繞組線圈通電，控制下定子平臺10中的繞組線圈13中電流的大小和方向，使兩個斥力型直線電機只產(chǎn)生斥力Fz2，控制下定子平臺3中的繞組線圈4中的電流，使其大小和方向一致，在兩個吸力型直線電機產(chǎn)生吸力Fzl的同時，產(chǎn)生同一方向(沿Y方向)的水平驅(qū)動力Fy，在Fy的驅(qū)動下，平臺沿Y方向運動。若改變繞組線圈4中的電流方向，平臺將沿其反方向運動。4)繞Z軸的轉(zhuǎn)動將四個定子平臺中的繞組線圈通電，控制電流的方向，若通電繞組線圈和永磁陣列相互作用產(chǎn)生的四個電磁力為順時針方向，則平臺繞Z軸順時針轉(zhuǎn)動，控制電流的大小，可以控制轉(zhuǎn)動的角度大小。反之，若產(chǎn)生的四個電磁力為逆時針方向，則平臺繞Z軸逆時針轉(zhuǎn)動，同樣控制電流的大小也可以控制轉(zhuǎn)動角度的大小。5)繞X軸的轉(zhuǎn)動將上定子平臺3中的繞組線圈4通以相同的電流，使其產(chǎn)生吸力Fzl，同時，將下定子平臺10中的繞組線圈13通以不同的電流，則兩個斥力型直線電機產(chǎn)生的斥力不同，使平臺繞X軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。
6)繞Y軸的轉(zhuǎn)動將下定子平臺10中的繞組線圈13通以相同的電流，使其產(chǎn)生斥力Fz2，同時，將下定子平臺3中的繞組線圈4通以不同的電流，則兩個吸力型直線電機產(chǎn)
生的吸力不同，使平臺繞Y軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
1.磁懸浮式定位平臺，其特征在于工作平臺和移動平臺構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)。目的在于減小磁懸浮式定位平臺空間體積，實現(xiàn)平臺小型化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁懸浮式定位平臺，其特征在于移動平臺只是實現(xiàn)磁懸浮式定位平臺的運動，移動平臺的運動通過柔性支撐傳遞給工作平臺，實現(xiàn)工作平臺的運動，而工作平臺實現(xiàn)エ件的定位及制造功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁懸浮式定位平臺，其特征在于移動平臺和工作平臺之間通過三個柔性支撐連接，三個柔性支撐以平臺中心為圓心呈120度均勻分布。目的在于減小永磁陣列和繞組線圈所組成的直線電機產(chǎn)生的熱量導致熱應(yīng)カ引起的變形誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁懸浮式定位平臺，其特征在于移動平臺的上表面X方向上對稱布置的ー堆永磁陣列同上定子平臺上的繞組線圈相互作用，產(chǎn)生沿Z方向的吸力和沿Y方向的推力，構(gòu)成吸力型直線電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁懸浮式定位平臺，其特征在于移動平臺下表面的Y方向上對稱布置的另ー堆永磁陣列同下定子平臺中的繞組線圈相互作用，產(chǎn)生Z方向的斥力和沿X方向的推力，構(gòu)成斥力型直線電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5所述的磁懸浮式定位平臺，其特征在于移動平臺受到吸力型直線電機和斥力型直線電機的共同作用，在下方的斥力和上方的吸力作用下保持平衡，同時不和下定子平臺以及上定子平臺接觸，處于懸浮狀態(tài)，并在兩組推力的作用下沿X方向和Y方向進行運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁懸浮式定位平臺，其特征在于在移動平臺的下方有ー個永磁渦流阻尼器，由固定在基座中心且均勻布置了四塊正方體永磁體和固定在移動平臺下表面中心處的ー塊銅片組成，移動平臺運動時產(chǎn)生渦流效應(yīng)，増加系統(tǒng)的阻尼比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁懸浮式定位平臺結(jié)構(gòu)，它包括磁懸浮式平臺基座，兩組上定子繞組，兩組下定子繞組線圈，運動平臺，四塊永磁陣列，三個柔性支撐，工作平臺，永磁渦流阻尼器。兩塊永磁陣列安裝在移動平臺的下方，對稱布置，與兩組下定子繞組線圈作用，構(gòu)成一組斥力型直線電機。另外兩塊永磁陣列安裝在移動平臺的上方，對稱布置，位置同下方的兩塊永磁陣列錯開九十度，與兩組上定子繞組線圈作用，構(gòu)成一組吸力型直線電機，兩組電機同時作用實現(xiàn)平臺的六自由度的運動。與直線電機直接作用的移動平臺通過三個柔性支撐同工作平臺連接。永磁渦流阻尼器安裝在移動平臺下方。本發(fā)明主要適用于大行程的納米加工、定位、測量以及組裝等微納米制造領(lǐng)域。
文檔編號B82B3/00GK102951607SQ20121049463
公開日2013年3月6日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者馬樹元, 謝虎, 王偉明, 閃明才, 黃杰, 宋謙 申請人:北京理工大學