一種六自由度磁懸浮運動臺的制作方法
【專利摘要】一種六自由度磁懸浮運動臺，包括運動部分和永磁體陣列定子，其中運動部分包括承載臺、多個X向電機動子、多個YZ向電機動子和四個重力補償機構動子；X向電機動子和YZ向電機動子分別與永磁體陣列定子組成X向動圈式直線電機和YZ向動圈式直線電機；X向動圈式直線電機動子、YZ向動圈式直線電機動子和重力補償機構動子共用永磁體陣列定子。該磁懸浮運動臺利用重力補償機構動子與永磁體陣列定子間的吸力之差補償重力，利用X向動圈式直線電機和YZ向動圈式直線電機驅動并調整其懸浮姿態，可實現Y向的大行程運動及X向和Z向的小行程運動，并可實現θX、θY、θZ三個自由度的小角度轉動，且能在Y向實現大行程、高速高加速運動，結構簡單、功耗低。
【專利說明】
—種六自由度磁懸浮運動臺
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種六自由度磁懸浮運動臺，可用于集成電路加工及檢測裝備用的精密及超精密工作臺，屬于精密及超精密加工與測量領域。
【背景技術】
[0002]在很多工業設備中，需要驅動工件或工件臺進行多自由度運動，并對其進行精確定位，例如光刻機中的硅片臺、掩模臺等設備。為實現多自由度運動及其精確定位，如果直接使用驅動電機來提供支承，就會使得驅動電機負載增加，造成電機發熱增大。在很多超精密工作臺中，電機發熱過大，就會影響環境溫度，造成非接觸式測量誤差，最終影響定位精度。采用具有永磁體非接觸式重力補償結構的磁懸浮運動臺，具有結構簡單、零組件表面無需精密加工、適用于真空環境中應用等優點。
[0003]哈爾濱工業大學的專利CN101741290公布了一種六自由度磁懸浮微動平臺，能實現磁懸浮的六自由度運動，但是其六自由度的行程均非常小。清華大學的專利CN103066894和哈爾濱工業大學的專利CN102951607公布了兩種采用磁懸浮的六自由度運動臺結構，這兩種結構均能在水平面實現大行程的平動，并在其他自由度實現小行程運動，但是兩種結構均無重力補償結構，功耗大，運動臺的加速度有限，結構復雜。哈爾濱工業大學的專利CN102723842公布了一種多自由度長行程磁懸浮工作臺，該結構能實現單自由度大行程運動和其他五自由度的小行程運動，但是該結構沒有重力補償結構，功耗大，三個平動自由度分別由不同的電機控制，每種電機各自需要不同的永磁體陣列，結構復雜，造價高。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是提供一種六自由度磁懸浮運動臺，能實現水平面單自由度的大行程直線運動和其他五自由度的小行程運動，并使其具有結構簡單、功耗低等特點。
[0005]本實用新型的技術方案如下:一種六自由度磁懸浮運動臺，包括運動部分和永磁體陣列定子，所述運動部分包括承載臺、多個X向電機動子、多個YZ向電機動子和四個重力補償機構動子；所述永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列和下部永磁體陣列；其特征在于:在承載臺的兩側沿Y向對稱布置永磁體陣列定子；多個X向電機動子沿Y向對稱安裝在承載臺的兩側，每側的X向電機動子和一組永磁體陣列定子組成多個X向動圈式直線電機；多個YZ向電機動子對稱安裝在承載臺的兩側，每側的YZ向電機動子和一組永磁體陣列定子組成多個YZ向動圈式直線電機；所述的四個重力補償機構動子兩兩對稱安裝在兩側的YZ向電機動子上，重力補償機構動子和永磁體陣列定子組成重力補償機構；重力補償機構動子距上部永磁體陣列的距離小于該重力補償機構動子距下部永磁體陣列的距離；每側YZ向電機動子上安裝的兩個重力補償機構動子間的距離相差奇數個半截距。
[0006]本實用新型所述的一種六自由度磁懸浮運動臺，其特征在于:所述的上部永磁體陣列和下部永磁體陣列采用一維的NS陣列；或所述的上部永磁體陣列和下部永磁體陣列米用一維的Halbach陣列。
[0007]本實用新型所述的一種六自由度磁懸浮運動臺與現有技術相比，具有以下優點及突出性的技術效果:①本實用新型利用重力補償機構動子與永磁體陣列定子間的吸力之差補償重力，利用X向動圈式直線電機和YZ向動圈式直線電機驅動并調整其懸浮姿態，可實現Y向的大行程運動及X向和Z向的小行程運動，并可實現ΘΧ、ΘΥ、Θ Z三個自由度的小角度轉動；②該磁懸浮運動臺的X向動圈式直線電機動子、YZ向動圈式直線電機動子和重力補償機構動子共用永磁體陣列定子，因此具有結構簡單、造價低、易于加工和維護等優點該磁懸浮運動臺具備重力補償機構，大大降低了電機負載和功耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是本實用新型的一種六自由度磁懸浮運動臺的三維圖，其中一組上部永磁體陣列被隱去。
[0009]圖2是本實用新型的一種六自由度磁懸浮運動臺的俯視圖，其中兩組上部永磁體陣列被隱去。
[0010]圖3a是本實用新型的永磁體陣列定子采用的一維NS陣列組成形式。
[0011]圖3b是本實用新型的永磁體陣列定子采用的一維Halbach陣列組成形式。
[0012]圖4是本實用新型的重力補償機構示意。
[0013]圖5是本實用新型的兩類驅動電機的布置方式，其中電機動子的外殼被隱去。
[0014]圖中件號:100-承載臺；200-X向電機動子；201-X向電機動子線圈陣列；300_YZ向電機動子；301-ΥΖ向電機動子線圈陣列；400_重力補償機構動子；500_上部永磁體陣列；501-上部永磁體陣列的一維NS陣列形式；502上部永磁體陣列的一維Halbach陣列形式；503_上部永磁體陣列背板；600_下部永磁體陣列；601_下部永磁體陣列的一維NS陣列形式；602下部永磁體陣列的一維Halbach陣列形式；603_下部永磁體陣列背板。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本實用新型的具體結構、機理和工作過程作進一步的說明。
[0016]圖1、圖2是本實用新型提供的一種六自由度磁懸浮運動臺實施例的結構原理示意圖，圖1中一組上部永磁體陣列被隱去，圖2中兩組上部永磁體陣列被隱去。該磁懸浮運動臺包括運動部分和永磁體陣列定子，所述運動部分包括承載臺100、多個X向電機動子200、多個YZ向電機動子300和四個重力補償機構動子400 ;本實施例中的運動部分包括承載臺100、四個X向電機動子200、四個YZ向電機動子300和四個重力補償機構動子400 ；永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列500和下部永磁體陣列600。X向電機動子200、ΥΖ向電機動子300和重力補償機構動子400關于X軸和Y軸對稱安裝在承載臺上，可平衡其產生的力矩。
[0017]如圖2所示，在承載臺100的兩側沿Y向分別布置一組永磁體陣列定子。四個X向電機動子200沿Y向對稱安裝在承載臺100的兩側，每側的X向電機動子200和一組永磁體陣列定子組成X向動圈式直線電機。四個YZ向電機動子300對稱安裝在承載臺100的兩側，每側的YZ向電機動子300和一組永磁體陣列定子組成四個YZ向動圈式直線電機。四個重力補償機構動子400兩兩安裝在兩側的YZ向電機動子300上，每側YZ向電機動子300上安裝的兩個重力補償機構動子400間的距離相差奇數個半截距，以平衡多個重力補償機構動子400在Y向運動過程中產生的齒槽力，重力補償機構動子400和永磁體陣列定子組成重力補償機構。
[0018]永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列500和下部永磁體陣列600。上部永磁體陣列和下部永磁體陣列可以采用一維的NS陣列，如圖3a所示，或是采用一維的Halbach陣列，如圖3b所示。永磁體陣列定子的Y向尺寸可延伸，以擴大承載臺100的Y向尺寸或增加承載臺100的Y向行程。
[0019]如圖4所示，重力補償機構動子400采用鐵磁性材料制造，重力補償機構動子400距上部永磁體陣列500的距離應小于該重力補償機構動子400距下部永磁體陣列600的距離，以使其與上部永磁體陣列500間的吸力大于與下部永磁體陣列600間的吸力，用以補償重力。
[0020]如圖5所示，該磁懸浮運動臺含有兩種驅動電機，其中X向動圈式直線電機提供X向的驅動力，利用永磁體陣列定子在其側面產生的周期性磁場勵磁，多相電流解耦控制；YZ向動圈式直線電機可同時提供Y向和Z向的驅動力，利用永磁體陣列定子中間產生的周期性磁場勵磁，多相電流解耦控制。
【權利要求】
1.一種六自由度磁懸浮運動臺，包括運動部分和永磁體陣列定子，所述永磁體陣列定子包括上部永磁體陣列(500)和下部永磁體陣列￠00);其特征在于:在承載臺(100)的兩側沿Y向對稱布置永磁體陣列定子；多個X向電機動子(200)沿Y向對稱安裝在承載臺(100)的兩側，每側的X向電機動子(200)和一組永磁體陣列定子組成多個X向動圈式直線電機；多個YZ向電機動子(300)對稱安裝在承載臺(100)的兩側，每側的YZ向電機動子(300)和一組永磁體陣列定子組成多個YZ向動圈式直線電機；四個重力補償機構動子(400)兩兩對稱安裝在兩側的YZ向電機動子(300)上，重力補償機構動子(400)和永磁體陣列定子組成重力補償機構；重力補償機構動子(400)距上部永磁體陣列(500)的距離小于該重力補償機構動子(400)距下部永磁體陣列(600)的距離；每側YZ向電機動子(300)上安裝的兩個重力補償機構動子(400)間的距離相差奇數個半截距。
2.如權利要求1所述的一種六自由度磁懸浮運動臺，其特征在于:所述的上部永磁體陣列(500)和下部永磁體陣列(600)采用一維的NS陣列。
3.如權利要求1所述的一種六自由度磁懸浮運動臺，其特征在于:所述的上部永磁體陣列(500)和下部永磁體陣列(600)采用一維的Halbach陣列。
【文檔編號】H02N15/00GK203951388SQ201420222649
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張鳴, 朱煜, 葉偉楠, 成榮, 劉召, 張利, 秦慧超, 趙彥坡, 胡清平, 田麗, 張金, 尹文生, 穆海華, 胡金春 申請人:清華大學, 北京華卓精科科技有限公司