專利名稱：一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)的制作方法
一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種半導(dǎo)體制造過(guò)程中使用的六自由度磁懸浮工件臺(tái)。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)工件臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的平面運(yùn)動(dòng)并同時(shí)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)采用的是串聯(lián) 結(jié)構(gòu)，即由兩個(gè)或多個(gè)直線電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疊加實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的平面運(yùn)動(dòng)，在直線堆疊成的 平面運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上再串聯(lián)直驅(qū)電機(jī)，直驅(qū)電機(jī)可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)平面運(yùn) 動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，占地空間大，在結(jié)構(gòu)堆疊過(guò)程中出現(xiàn)傳遞誤 差，工件臺(tái)精度較難提高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，可以同時(shí)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)和大范圍平面 運(yùn)動(dòng)，目的在于減小工件臺(tái)占地空間，減少傳遞誤差，提聞運(yùn)動(dòng)精度。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，其特征在于該工件臺(tái)包括一個(gè)底座，一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 裝置，一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)裝置，角度測(cè)量裝置和位移測(cè)量裝置；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置 環(huán)形線圈陣列定子和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子；平面運(yùn)動(dòng)裝置包括平面運(yùn)動(dòng)裝置線 圈陣列定子、平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子和直線電機(jī)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子固 定在底座上，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子同軸懸空于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子 之上；平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子進(jìn)行軸連接，平面運(yùn) 動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在磁浮作用下懸空于平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子之上；角度測(cè)量裝置 位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子之上；位移測(cè)量裝置PSD組件包括接收裝置和發(fā)射裝 置，其中接收裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子四周的直線電機(jī)上，發(fā)射裝置對(duì) 稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的四周。
當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子通電時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子與平面運(yùn)動(dòng)裝 置永磁陣列動(dòng)子間產(chǎn)生洛倫茲力，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子產(chǎn)生沿X軸、Y軸、Z軸方 向的推力；水平方向沿X、y方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在XY平面上的平面 運(yùn)動(dòng)及繞Z軸的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z軸方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的懸浮，并 通過(guò)沿Z軸方向推力之間的差分使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子繞X軸與Y軸小角度轉(zhuǎn)動(dòng)， 因此實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的六自由度運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子與 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子之間由于洛侖茲力產(chǎn)生扭矩，使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣 列動(dòng)子實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)，使得平面運(yùn) 動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在洛侖茲力及力矩的作用下繞Z軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置中，所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列 動(dòng)子的永磁體和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子的線圈均采用矩形、扇形或梯形；平面運(yùn) 動(dòng)裝置中，所述的平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子采用疊層形式，相鄰兩層線圈陣列排列方向相互垂直。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在大范圍平面運(yùn)動(dòng)的平時(shí)可繞Z軸進(jìn)行360°大范圍運(yùn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不 冗余，同等條件下占地面積?。慌c傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，減少傳遞誤差；由于采用的磁懸浮技術(shù)， 通過(guò)有效控制，可以達(dá)到較高的精度，甚至可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度。


圖1是本發(fā)明提供的六自由度磁懸浮工件臺(tái)裝置的軸測(cè)圖。
圖2是本發(fā)明的平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子俯視圖。
圖3是本發(fā)明的平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子軸測(cè)圖。
圖4是本發(fā)明的平面運(yùn)動(dòng)裝置及位移測(cè)量裝置主視圖。
圖5是本發(fā)明的平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子受力分析圖。
圖6是本發(fā)明的平面運(yùn)動(dòng)裝置單個(gè)永磁陣列受力分析圖。
其中100-平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子；101-第一永磁陣列；102_第二永磁陣 列；103_第三永磁陣列；104_第四永磁陣列；200_平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子；201_第 一層線圈陣列，202-第二層線圈陣列；300_旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子；400_旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子；500_角度測(cè)量裝置；600_直線電機(jī)；601_第一直線電機(jī)； 602-第二直線電機(jī)；603_第三直線電機(jī)；604_第四直線電機(jī)；700_位移測(cè)量裝置PSD組 件；701_第一 PSD接受裝置；702_第二 PSD接受裝置；703_第三PSD接受裝置；704_第四 PSD接受裝置；705_第一 PSD發(fā)射裝置；706_第二 PSD發(fā)射裝置；707_第三PSD發(fā)射裝置； 708-第四PSD發(fā)射裝置；800_底座。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作過(guò)程作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本發(fā)明提供的一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，該工件臺(tái)包括一個(gè)底座800，一個(gè)旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)裝置，一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)裝置，角度測(cè)量裝置和位移測(cè)量裝置；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 裝置環(huán)形線圈陣列定子400和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子300 ;平面運(yùn)動(dòng)裝置包括平 面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200、平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100和直線電機(jī)600 ;旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 裝置環(huán)形線圈陣列定子固定在底座上，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子同軸懸空于旋轉(zhuǎn)驅(qū) 動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子之上；平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列 動(dòng)子進(jìn)行軸連接，平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在磁浮作用下懸空于平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列 定子之上；角度測(cè)量裝置500位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子之上；位移測(cè)量裝置PSD 組件700包括接收裝置和發(fā)射裝置，其中接收裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子 四周的直線電機(jī)上，發(fā)射裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的四周；
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣 列動(dòng)子。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子位于底座上，當(dāng)線圈通電流后，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形 線圈陣列定子和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子之間產(chǎn)生洛倫茲力，提供扭矩，使得旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
平面運(yùn)動(dòng)裝置位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子上，包括平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子和平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子。當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子通電時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子與平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子間產(chǎn)生洛倫茲力，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子產(chǎn)生沿X軸、Y軸、Z軸方向的推力，水平方向沿x、y方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在XY平面上的平面運(yùn)動(dòng)及繞Z軸的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z軸方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的懸浮，并通過(guò)沿Z軸方向推力之間的差分使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子繞X軸與Y軸小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的六自由度運(yùn)動(dòng)。平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子之上通過(guò)軸與之進(jìn)行固連， 從而在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子的帶動(dòng)下，平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子進(jìn)行360° 轉(zhuǎn)動(dòng)，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在洛侖茲力及力矩的作用下繞Z軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。
角度測(cè)量裝置位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可對(duì)其運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行測(cè)量。
位移測(cè)量裝置位于平面運(yùn)動(dòng)裝置上，四個(gè)直線電機(jī)位于平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子四周，四個(gè)PSD接受裝置分別位于四個(gè)直線電機(jī)之上，四個(gè)PSD射線發(fā)射裝置位于平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子四周，分別和四個(gè)PSD接受裝置對(duì)應(yīng)。
圖1是六自由度磁懸浮工件臺(tái)的軸測(cè)圖。在洛倫茲力的作用下，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子300相對(duì)于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈定子400產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子300和平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200由軸連接為一個(gè)整體， 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子300的旋轉(zhuǎn)即為平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200的旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子通電時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200和平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100之間產(chǎn)生洛倫茲力，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100產(chǎn)生沿X、y、z方向的力，水平方向沿X、y方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的平面運(yùn)動(dòng)及繞 Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z軸方向的推力克服平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的重力使其懸浮，并通過(guò)沿Z軸方向推力之間的差分使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100能夠繞X軸和Y軸進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200旋轉(zhuǎn)時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200和平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100之間產(chǎn)生相位差，從而產(chǎn)生扭矩，使得面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100相對(duì)面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100繞Z軸進(jìn)行360°任意角度旋轉(zhuǎn)，至此實(shí)現(xiàn)面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的六自由度運(yùn)動(dòng)。
角度測(cè)量裝置500用于對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子300進(jìn)行角度測(cè)量。位移測(cè)量裝置PSD組件700包括接收裝置和發(fā)射裝置。其中接收裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200四周的直線電機(jī)600上，發(fā)射裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的四周，可對(duì)平面運(yùn)動(dòng)裝置的六自由度位移進(jìn)行測(cè)量。
圖2是平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的俯視圖，包括第一永磁陣列101、第二永磁陣列102、第三永磁陣列103、第四永磁陣列104四組HALBACH永磁陣列。其中第一永磁陣列101、第三永磁陣列103沿X方向排列，第二永磁陣列102、第四永磁陣列104沿y方向排列。線圈通電時(shí)，第一永磁陣列101和第三永磁陣列103產(chǎn)生x、z方向的力，第二永磁陣列 102和第四永磁陣列104產(chǎn)生γ、z方向的力。實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置 永磁陣列動(dòng)子100沿X、y 方向的平面運(yùn)動(dòng)及z方向的懸浮，通過(guò)推力之間的差分能夠產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩以及繞X軸、 Y軸的轉(zhuǎn)矩，因此實(shí)現(xiàn)了平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的六自由度運(yùn)動(dòng)。
圖3是平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200的軸測(cè)圖。平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子 200由相互垂直的線圈陣列疊加形成，如第一層線圈陣列201和第二層線圈陣列202排列形 式相差90°。第一層線圈陣列201的各個(gè)線圈沿y方向連接固定，第二層線圈陣列202的 各個(gè)線圈沿X方向固定在一起。第三層線圈陣列和第一層線圈陣列排列方式一樣，第四層 線圈陣列和第二層線圈陣列排列方式一樣，依次類推，線圈陣列層數(shù)視實(shí)際需要確定。平面 運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200能夠?yàn)槠矫孢\(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100分別提供x、y、z三個(gè)不 同方向的洛倫茲力。
圖4是平面運(yùn)動(dòng)裝置及位移測(cè)量裝置主視圖。位移測(cè)量裝置用來(lái)測(cè)量平面運(yùn)動(dòng)裝 置永磁陣列動(dòng)子100相對(duì)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200的位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度。位移測(cè) 量裝置PSD的第一 PSD接收裝置701、第二 PSD接收裝置702、第三PSD接收裝置703和第 四PSD接收裝置704分別對(duì)稱固定于平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子200四周的第一直線電機(jī) 601、第二直線電機(jī)602、第三直線電機(jī)603、第四直線電機(jī)604上，第一 PSD發(fā)射裝置705、 第二 PSD發(fā)射裝置706、第三PSD發(fā)射裝置707、第四PSD發(fā)射裝置708對(duì)稱位于平面運(yùn)動(dòng) 裝置永磁陣列動(dòng)子100的四周。其中第一 PSD接收裝置701和第一 PSD發(fā)射裝置705為一 組，第二 PSD接收裝置702和第二 PSD發(fā)射裝置706為一組，第三PSD接收裝置703和第三 PSD發(fā)射裝置707為一組，第四PSD接收裝置704和第四PSD發(fā)射裝置708為一組。當(dāng)平面 運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一 PSD發(fā)射裝置705、第二 PSD發(fā)射裝置706、第 三PSD發(fā)射裝置707、第四PSD發(fā)射裝置708發(fā)射的射線分別在第一 PSD接收裝置701、第 二 PSD接收裝置702、第三PSD接收裝置703、第四PSD接收裝置704上的投影產(chǎn)生偏移，通 過(guò)解算可得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子100的平面移動(dòng)范圍及轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
圖5是平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子受力分析圖。平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子由四 個(gè)HALBACH永磁陣列第一永磁陣列101、第二永磁陣列102、第三永磁陣列103、第四永磁陣 列104組成。第一永磁陣列101、第三永磁陣列103沿X方向排列，第二永磁陣列102、第四 永磁陣列104沿y方向排列,在第一層線圈陣列201通電時(shí),第一永磁陣列101和第三永磁 陣列103產(chǎn)生沿X、z方向的力，而第二永磁陣列102和第四永磁陣列104不產(chǎn)生力。在第 二層線圈陣列202通電時(shí),第一永磁陣列101和第三永磁陣列103不產(chǎn)生力，第二永磁陣列 102和第四永磁陣列104產(chǎn)生沿y、z方向的力。依次類推，當(dāng)奇數(shù)層線圈通電時(shí)，第一永磁 陣列101和第三永磁陣列103產(chǎn)生沿X、z方向的力，該力可以推動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列 動(dòng)子沿X軸方向運(yùn)動(dòng)及沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝挥来抨嚵?01和第三永磁陣列103沿Z軸 方向推力大小不相等時(shí)，將產(chǎn)生繞X軸的扭矩，進(jìn)而可以使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子繞X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)偶數(shù)層線圈通電時(shí)，第二永磁陣列102和第四永磁陣列104產(chǎn)生沿y、z方向的 力，該力能夠推動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)及沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)诙?磁陣列102和第四永磁陣列104沿Z軸方向推力大小不相等時(shí)，將產(chǎn)生繞Y軸的扭矩，進(jìn)而 可以使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由 于平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子和平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的相位差作用，四個(gè)HALBACH 永磁陣列會(huì)在X、1、z方向均產(chǎn)生力，從而使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子能夠繞Z軸進(jìn)行轉(zhuǎn) 動(dòng)。在四個(gè)永磁陣列的作用力下，平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子可產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩，沿X、 y方向大范圍運(yùn)動(dòng)，繞X、Y軸俯仰及豎直方向高度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子的 六自由度運(yùn)動(dòng)。
圖6是平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子單個(gè)永磁陣列受力分析圖。第一永磁陣列101 沿X方向排列，第一層線圈陣列201即奇數(shù)層的線圈`陣列為第一永磁陣列101提供X、Z方向的洛侖茲力Fx、Fz。其他永磁陣列受力情況類似。
權(quán)利要求
1.一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，其特征在于該工件臺(tái)包括一個(gè)底座(800)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)裝置，角度測(cè)量裝置和位移測(cè)量裝置；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子(300);平面運(yùn)動(dòng)裝置包括平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子(200)、平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)和直線電機(jī)(600)； 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)固定在底座(800)上，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子(300)同軸懸空于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)之上；平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子(200)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子(300)進(jìn)行軸連接，平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)在磁浮作用下懸空于平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子(200)之上；角度測(cè)量裝置 (500)位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子(300)之上；位移測(cè)量裝置PSD組件包括接收裝置和發(fā)射裝置，其中接收裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子(200)四周的直線電機(jī)(600)上，發(fā)射裝置對(duì)稱固定在平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)的四周；當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子通電時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子(200)與平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)間產(chǎn)生洛倫茲力，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)產(chǎn)生沿 X軸、Y軸、Z軸方向的推力；水平方向沿X、y方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子 (100)在XY平面上的平面運(yùn)動(dòng)及繞Z軸的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z軸方向的推力實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)的懸浮，并通過(guò)沿Z軸方向推力之間的差分使平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)繞X軸與Y軸小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)的六自由度運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子(400)與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子 (300)之間由于洛侖茲力產(chǎn)生扭矩，使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子(300)實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子(200)進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子(100)在洛侖茲力及力矩的作用下繞Z軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，其特征在于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置中， 所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子的永磁體和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形線圈陣列定子的線圈均采用矩形、扇形或梯形。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，其特征在于平面運(yùn)動(dòng)裝置中， 所述的平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子采用疊層形式，相鄰兩層線圈陣列排列方向相互垂直。
全文摘要
一種六自由度磁懸浮工件臺(tái)，該裝置包括底座、一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)裝置、角度測(cè)量裝置和位移測(cè)量裝置。其中位移測(cè)量裝置包括四個(gè)直線電機(jī)、四個(gè)PSD組件。在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置作用下，和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置環(huán)形永磁陣列動(dòng)子由軸連接的平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列定子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子和平面運(yùn)動(dòng)裝置線圈陣列定子之間形成相位差，從而磁懸浮工件臺(tái)動(dòng)子即平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。同時(shí)平面運(yùn)動(dòng)裝置永磁陣列動(dòng)子在洛倫茲力作用下進(jìn)行大范圍的平面運(yùn)動(dòng)，并可進(jìn)行小幅度繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)及沿Z軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磁懸浮工件臺(tái)動(dòng)臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02N15/00GK103066894SQ20121053541
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者朱煜, 張鳴, 宋玉晶, 成榮, 劉昊, 劉召, 楊開(kāi)明, 胡金春, 徐登峰, 尹文生, 穆海華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)