[发明专利]多自由度长行程磁悬浮工作台

说明书

技术领域

本发明涉及一种多自由度长行程磁悬浮工作台，属于电机领域。

背景技术

现代精密、超精密加工装备对高响应、高速度、高精度的多自由度工作台有着迫切的需求，如机械加工、电子产品生产、机械装卸、制造自动化仪表设备甚至机器人驱动等。通常这些工作台由旋转式电动机产生动力驱动，再由皮带、滚珠丝杆等机械装置，转换为多自由度运动。由于机械装置复杂，传动精度和速度都受到限制，且需经常调校，造成成本高、可靠性差、体积较大。最初的两自由度工作台是由两台直接驱动的直线电机来实现的，采用层叠式驱动结构，这种结构增加了传动系统的复杂性，从本质上没有摆脱低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机，要承载上层直线电机及其相关机械部件的总质量，从而严重影响了定位和控制精确度。而直接利用电磁能产生平面运动的平面电机，具有出力密度高、低热耗、高速度、高精度和高可靠性的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。根据平面电机电磁推力的产生原理，可以将平面电机分为变磁阻型、同步型和感应型。其中，同步型平面电机具有结构简单、推力大、效率高和响应速度快等良好的综合性能，在多自由度平面驱动装置中具有广阔的应用前景。

目前，精密工作台的支承方式主要有直线滑动轴承、直线滚动轴承、直线导轨以及直线气浮导轨等，直线滑动轴承和直线滚动轴承只适合短行程运动体的支承；直线导轨又称直线导轨副、滑轨、线性运动导轨、线性滑轨、直线滚动导轨，具有定位精度高、承载能力强、磨损小、适应高速运动、行程不受限制以及组装容易并具互换性等优点，已成为各种机床、数控加工中心、精密电子机械中不可缺少的重要功能部件。直线气浮导轨具有高速度、高精度、无摩擦力、无磨损、无噪音、不需要润滑油等优点。但是，直线导轨和直线气浮导轨不能在真空、超净环境中应用。

磁悬浮直线导轨是靠磁场力支承载荷或悬浮平台的一种新型导轨，其定子、动子之间不存在机械接触，动子可以达到很高的运行速度和支承精度。与传统的机床导轨相比，磁悬浮直线导轨具有无摩擦、无磨损、无需润滑、能耗低、噪声小、寿命长、无油污染、维护简单、工作温度范围大等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境。同时，由于相对运动表面间没有接触，因而彻底消除了爬行现象，没有因磨损和接触疲劳所产生的精度下降和寿命问题。

在高精度工作台（如光刻机掩模台）中，为了提高运动控制精度、减小冲击和振动，通常采用平衡质量框架来缓冲直线电机高速运动产生的反作用力，平衡质量框架一般采用气浮导轨支承，但气浮导轨不能在真空环境中使用。

发明内容

本发明提供了一种适用于真空环境使用的高精度的磁悬浮工作台。

本发明所述的多自由度长行程磁悬浮工作台包括磁悬浮平衡质量框架与多自由度运动单元；磁悬浮平衡质量框架包括平衡质量框架与磁悬浮单元；多自由度运动单元包括定子上基板、定子下基板、动子基板、两套Y向长行程直线电机、两套X向短行程直线电机以及两套Z向磁悬浮调整单元；定子上基板和定子下基板固定连接形成多自由度运动单元的定子框架，动子基板悬浮于该定子框架内；

平衡质量框架包括定子框架、两个动子框架，定子框架是由两个上边板、两个侧板和一个下边板组成的框架结构，所述动子框架为长方体结构，两个动子框架分别固定在多自由度运动单元的定子框架的两端，且所述两个动子框架分别嵌入在定子框架两端的上边板、侧板和下边板组成的凹槽内；磁悬浮单元包括六组块平板形平行充磁的动子永磁体和六组块平板形平行充磁的定子永磁体，所述六块动子永磁体分成两组，每组的三块动子永磁体分别固定在一个动子框架上面、下面和与定子框架相邻的侧面；所述六块定子永磁体分成两组，每组中的三块定子永磁体分别固定到定子框架一端的上边板的下表面、下边板的上表面和侧板的内侧面，位置相对应的定子永磁体和动子永磁体之间为气隙，并且位置相对应的动子永磁体与定子永磁体的充磁方向相反；

多自由度运动单元的Y向长行程直线电机沿Y向的轴线、X向短行程直线电机沿Y向的轴线以及Z向磁悬浮调整单元的沿Y向的轴线相互平行，两套Y向长行程直线电机沿Y向对称镜像设置，两套X向短行程直线电机沿Y向对称镜像设置，两套Z向磁悬浮调整单元沿Y向对称镜像设置；