專利名稱：基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置。
背景技術(shù)：
在IC(集成電路)制造、超精密加工和納米技術(shù)等領(lǐng)域都需要大行程納米級(jí)的定 位，而高性能的超精密定位工作臺(tái)是這些領(lǐng)域的支撐技術(shù)，其定位精度的高低成為制約這 些當(dāng)今前沿科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著IC集成度越來越高，要求刻線越來越細(xì)，IC裝備光刻機(jī)的定位工作臺(tái)就需要 有快速運(yùn)動(dòng)和精確定位的要求；除了 IC外，慣導(dǎo)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)以及光學(xué)非球面零件加工 等領(lǐng)域都需要大行程超精密加工，經(jīng)常要求其定位精度達(dá)到納米級(jí)。傳統(tǒng)機(jī)械定位裝置通常采用絲杠系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，其所存在的問題是精度低，不能 滿足超精密定位的需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適于高速準(zhǔn)確定位的定位裝置，該裝置是基于磁懸浮 平面電機(jī)的原理制造的，可克服傳統(tǒng)絲杠定位精度低的缺點(diǎn)，亦可克服壓電驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍 小，不適合大行程場(chǎng)合的不足。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種基于磁懸浮平面 電機(jī)的定位裝置，其特征在于，包括由立柱支撐在平衡座上的定子部分，定子部分包括定子 蓋板，其上面設(shè)置有多個(gè)蹄形線圈，蓋板下面設(shè)置有包圍在動(dòng)子部分四周的多個(gè)水平傳感 器，另外在蓋板的蹄形線圈中間位置開有工作臺(tái)孔，孔周圍均布有多個(gè)豎直傳感器；所述平 衡座上設(shè)有水平方向被限位的鋼塊，該鋼塊上面鑲嵌有永磁鐵陣列，鋼塊兩長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)位置 的平衡座上固聯(lián)有推進(jìn)裝置用于調(diào)節(jié)鋼塊垂直移動(dòng)的距離；在永磁鐵陣列與定子部分之間 設(shè)置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子部分，動(dòng)子部分包括動(dòng)子支架，動(dòng)子支架 上表面設(shè)置有多個(gè)銜鐵分別與所述多個(gè)蹄形線圈相對(duì)，動(dòng)子支架上表面中心凸起一工作臺(tái) 穿出蓋板的工作臺(tái)孔，動(dòng)子支架內(nèi)安裝有與蹄形線圈數(shù)量相等的多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，動(dòng)子部分 的初始位置由設(shè)置在鋼塊上的卡塊限定。上述方案中，所述多個(gè)蹄形線圈為四個(gè)，組成矩形吸引式懸浮結(jié)構(gòu)，提供動(dòng)子部分 的懸浮力，動(dòng)子支架上表面相應(yīng)設(shè)置四個(gè)銜鐵分別與四個(gè)蹄形線圈相對(duì)；動(dòng)子支架內(nèi)的多 個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈也為四個(gè)。該四個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，按兩兩相互垂直的排列方式布置。所述蹄形線圈 末端開有窄槽，由卡板插入窄槽中將其卡在定子蓋板上。每?jī)蓚€(gè)蹄形線圈外面可設(shè)有一個(gè) 保護(hù)罩。所述蓋板下面設(shè)置的多個(gè)水平傳感器可為六個(gè)電渦流傳感器，用于測(cè)量動(dòng)子的水平位移；均布在工作臺(tái)孔周圍多個(gè)豎直傳感器可為三個(gè)電渦流傳感器，用于測(cè)量動(dòng)子的懸 浮姿態(tài)。所述永磁鐵陣列中，永磁鐵塊長(zhǎng)寬相等，為5mm，高度為20mm，沿X向和Y向等間距分布，間距0. 1mm,并且每個(gè)永磁鐵塊極性方向一致，以產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)。所述固聯(lián)在平衡座上的推進(jìn)裝置為四個(gè)，每個(gè)推進(jìn)裝置包括固定在平衡座上的兩 個(gè)固定擋板，固定擋板之間設(shè)有螺母與一個(gè)連接推進(jìn)擋板的螺栓螺紋連接，推進(jìn)擋板前端 設(shè)置帶有斜面的推進(jìn)塊，通過旋轉(zhuǎn)螺母帶動(dòng)螺栓使推進(jìn)塊前進(jìn)或后退，從而調(diào)節(jié)鋼塊的垂 直位移。本發(fā)明的定位裝置基于磁懸浮平面電機(jī)的原理設(shè)計(jì)，動(dòng)子是核心，自由放置在定 子下面，動(dòng)子以動(dòng)子支架為主體，支架上面固連多塊銜鐵與定子上相應(yīng)數(shù)量的蹄形線圈相 對(duì)，二者共同完成懸浮動(dòng)作。動(dòng)子支架內(nèi)安裝對(duì)應(yīng)銜鐵數(shù)量的驅(qū)動(dòng)線圈，兩相鄰線圈垂直 放置，成交錯(cuò)對(duì)稱排布。動(dòng)子下面放置鑲嵌在鋼塊內(nèi)的永磁鐵陣列，為保證永磁鐵陣列的水 平，在永磁陣列四周設(shè)置推進(jìn)裝置以調(diào)平。本發(fā)明的定位裝置可使動(dòng)子穩(wěn)定懸浮并完成水平面內(nèi)X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，和繞 豎直方向Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過程中無摩擦力，故運(yùn)動(dòng)精度較機(jī)械式大大提高。
圖1為本發(fā)明基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置整體結(jié)構(gòu)圖。圖2為圖1中的定子部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中的動(dòng)子部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖1中的永磁鐵陣列排布結(jié)構(gòu)圖。圖5為圖1中的推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖1至圖5中1、定子蓋板；2、蹄形線圈；3、工作臺(tái)；4、豎直傳感器；5、保護(hù)罩；6、 動(dòng)子支架；7、傳感器支座；8、有機(jī)玻璃板；9、立柱；10、平衡座；11、推進(jìn)裝置；12、鋼塊；13、 永磁鐵陣列；14、卡塊；15、驅(qū)動(dòng)線圈；16、限位塊；17、玻璃板卡塊；18、水平傳感器；19、銜 鐵；20、推進(jìn)塊；21、推進(jìn)擋板；22、螺栓；23-24、固定擋板；25、螺母；26、斜面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參照?qǐng)D1至圖3，本發(fā)明基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置包括由四根立柱9支撐在 平衡座10上的定子部分，立柱9之間安裝有機(jī)玻璃板8，有機(jī)玻璃板通過卡塊17固定在立 柱9之間。定子部分包括定子蓋板1，其上面設(shè)置有四個(gè)蹄形線圈2，蓋板下面設(shè)置有包圍 在動(dòng)子部分四周的六個(gè)水平傳感器18，另外在蓋板的蹄形線圈中間開有工作臺(tái)孔，孔周圍 均布有三個(gè)豎直傳感器4 ；平衡座上設(shè)有水平方向被限位塊16限制的鋼塊12，該鋼塊上面 鑲嵌有永磁鐵陣列13，鋼塊兩長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)位置的平衡座上固聯(lián)有四個(gè)推進(jìn)裝置11用于調(diào)節(jié) 鋼塊垂直移動(dòng)的距離；在永磁鐵陣列13與定子部分之間設(shè)置有水平X、Y方向，垂直Z方向 自由運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子部分，動(dòng)子部分包括動(dòng)子支架6，動(dòng)子支架上表面設(shè)置有四個(gè)銜鐵19分別 與四個(gè)蹄形線圈2相對(duì)，動(dòng)子支架上表面中心凸起一工作臺(tái)3穿出蓋板的工作臺(tái)孔，動(dòng)子支 架內(nèi)安裝有四個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈15，動(dòng)子部分的初始位置由設(shè)置在鋼塊12上的卡塊14限定。以上裝置的工作原理如下首先，計(jì)算機(jī)對(duì)蹄形線圈2供電，經(jīng)過豎直傳感器4的 位置反饋，使定子懸浮起來，并處于穩(wěn)定狀態(tài)；然后，對(duì)動(dòng)子中的驅(qū)動(dòng)線圈15供電，并通過 水平傳感器18的反饋，使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到指定水平位置。
按照定位裝置的功能，本發(fā)明整體上分為懸浮部分和水平驅(qū)動(dòng)部分懸浮部分 本發(fā)明裝置采用吸引式懸浮結(jié)構(gòu)，動(dòng)子的懸浮動(dòng)作是通過蹄形線圈2和銜鐵19完成的，蹄 形線圈安裝在定子蓋板1上面固定不動(dòng)，銜鐵19固連在動(dòng)子支架6上表面與蹄形線圈相 對(duì)，線圈2通電后產(chǎn)生電磁力，吸引銜鐵，動(dòng)子向上運(yùn)動(dòng)，三個(gè)豎直傳感器4將動(dòng)子的位置反 饋回控制器，控制器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)蹄形線圈的輸入電壓，最終使定子穩(wěn)定懸浮。水平驅(qū)動(dòng)部分動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)通過永磁鐵陣列13和動(dòng)子中的驅(qū)動(dòng)線圈相互作用產(chǎn) 生的。動(dòng)子懸浮穩(wěn)定后，對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈15供電使其產(chǎn)生磁場(chǎng)，與永磁鐵陣列的磁場(chǎng)產(chǎn)生力作 用而運(yùn)動(dòng)，水平傳感器18將動(dòng)子的位置反饋回控制器，控制器根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)輸出電 壓，使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的位置。
參照?qǐng)D2 本發(fā)明所采用的傳感器4、18均為電渦流位移傳感器。蓋板工作臺(tái)孔周 圍的三個(gè)傳感器4是測(cè)量動(dòng)子在豎直方向的位移，相鄰兩個(gè)傳感器間相隔120度，可以檢測(cè) 動(dòng)子與水平面的平行性，完全掌握動(dòng)子的懸浮姿態(tài)。考慮到電渦流傳感器量程較小，而動(dòng)子 在水平方向上的位移又較大，所以用六個(gè)水平傳感器18對(duì)稱排布，形成傳感器接力形式， 測(cè)量動(dòng)子在水平方向上的位移。參照?qǐng)D3 動(dòng)子中的四個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈15在動(dòng)子支架6上呈交錯(cuò)對(duì)稱排布，每相鄰兩 線圈垂直放置，在X、Y方向上各有兩個(gè)線圈，這樣的布置形式，既可以產(chǎn)生水平驅(qū)動(dòng)力使動(dòng) 子水平運(yùn)動(dòng)，又可以產(chǎn)生繞豎直方向的力矩，使動(dòng)子轉(zhuǎn)過一定角度。參照?qǐng)D4 鑲嵌在鋼塊12中的永磁鐵陣列13中的磁體塊長(zhǎng)寬相等，為5mm，高度為 20mm，沿X和Y方向緊密排布，間隔0. 1mm。并且各個(gè)磁體塊的磁極方向完全一致。為了避 免磁場(chǎng)越過線圈交界處產(chǎn)生磁通波動(dòng)，采用大磁陣小繞組結(jié)構(gòu)，即永磁鐵陣列的面積要大 于驅(qū)動(dòng)線圈15的運(yùn)動(dòng)范圍。參照?qǐng)D5 每個(gè)推進(jìn)裝置11包括固定在平衡座10上的兩個(gè)固定擋板23、24，固定 擋板之間設(shè)有螺母25與一個(gè)連接推進(jìn)擋板21的螺栓22螺紋連接，推進(jìn)擋板21前端設(shè)置 帶有斜面26的推進(jìn)塊20，通過旋轉(zhuǎn)螺母帶動(dòng)螺栓使推進(jìn)塊前進(jìn)或后退，從而調(diào)節(jié)鋼塊的垂 直位移和控制永磁鐵陣列的水平。
權(quán)利要求
一種基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，包括由立柱支撐在平衡座上的定子部分，定子部分包括定子蓋板，其上面設(shè)置有多個(gè)蹄形線圈，蓋板下面設(shè)置有包圍在動(dòng)子部分四周的多個(gè)水平傳感器，另外在蓋板的蹄形線圈中間位置開有工作臺(tái)孔，孔周圍均布有多個(gè)豎直傳感器；所述平衡座上設(shè)有水平方向被限位的鋼塊，該鋼塊上面鑲嵌有永磁鐵陣列，鋼塊兩長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)位置的平衡座上固聯(lián)有推進(jìn)裝置用于調(diào)節(jié)鋼塊垂直移動(dòng)的距離；在永磁鐵陣列與定子部分之間設(shè)置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子部分，動(dòng)子部分包括動(dòng)子支架，動(dòng)子支架上表面設(shè)置有多個(gè)銜鐵分別與所述多個(gè)蹄形線圈相對(duì)，動(dòng)子支架上表面中心凸起一工作臺(tái)穿出蓋板的工作臺(tái)孔，動(dòng)子支架內(nèi)安裝有與蹄形線圈數(shù)量相等的多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，動(dòng)子部分的初始位置由設(shè)置在鋼塊上的卡塊限定。
2.如權(quán)利要求1所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，所述多個(gè)蹄形 線圈為四個(gè)，組成矩形吸引式懸浮結(jié)構(gòu)，提供動(dòng)子部分的懸浮力，動(dòng)子支架上表面相應(yīng)設(shè)置 四個(gè)銜鐵分別與四個(gè)蹄形線圈相對(duì)；動(dòng)子支架內(nèi)的多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈也為四個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，所述蹄形線圈 末端開有窄槽，由卡板插入窄槽中將其卡在定子蓋板上。
4.如權(quán)利要求2或3所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，每?jī)蓚€(gè)蹄形 線圈外面設(shè)有一個(gè)保護(hù)罩。
5.如權(quán)利要求1所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，所述蓋板下面 設(shè)置的多個(gè)水平傳感器為六個(gè)電渦流傳感器，用于測(cè)量動(dòng)子的水平位移；均布在工作臺(tái)孔 周圍多個(gè)豎直傳感器為三個(gè)電渦流傳感器，用于測(cè)量動(dòng)子的懸浮姿態(tài)。
6.如權(quán)利要求2所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，所述動(dòng)子支架 內(nèi)的四個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，按兩兩相互垂直的排列方式布置。
7.如權(quán)利要求2所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，所述永磁鐵陣 列中，永磁鐵塊長(zhǎng)寬相等，為5mm，高度為20mm，沿X向和Y向等間距分布，間距0. 1mm,并且 每個(gè)永磁鐵塊極性方向一致，以產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)。
8.如權(quán)利要求1所述的基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，其特征在于，所述固聯(lián)在平 衡座上的推進(jìn)裝置為四個(gè)，每個(gè)推進(jìn)裝置包括固定在平衡座上的兩個(gè)固定擋板，固定擋板 之間設(shè)有螺母與一個(gè)連接推進(jìn)擋板的螺栓螺紋連接，推進(jìn)擋板前端設(shè)置帶有斜面的推進(jìn) 塊，通過旋轉(zhuǎn)螺母帶動(dòng)螺栓使推進(jìn)塊前進(jìn)或后退，從而調(diào)節(jié)鋼塊的垂直位移。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁懸浮平面電機(jī)的定位裝置，包括定子部分，定子部分包括定子蓋板及上面設(shè)置的多個(gè)蹄形線圈，蓋板下面設(shè)置有多個(gè)水平傳感器，在蓋板的蹄形線圈中間位置開有工作臺(tái)孔，孔周圍均布多個(gè)豎直傳感器；平衡座上設(shè)有鋼塊，鋼塊上面鑲嵌有永磁鐵陣列，鋼塊兩長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)位置的平衡座上固聯(lián)有推進(jìn)裝置；在永磁鐵陣列與定子部分之間設(shè)置有水平X、Y方向，垂直Z方向自由運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子部分，包括動(dòng)子支架，動(dòng)子支架上表面設(shè)置有多個(gè)銜鐵分別與相應(yīng)蹄形線圈相對(duì)，動(dòng)子支架上表面中心凸起一工作臺(tái)穿出蓋板的工作臺(tái)孔，動(dòng)子支架內(nèi)安裝有與銜鐵數(shù)量相等的多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈。
文檔編號(hào)H02N15/00GK101834550SQ201010157828
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者姜歌東, 張東升, 張佳楫, 柳青, 梅雪松, 陶濤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)