[发明专利]一种动磁式长行程超精密直线运动机构

说明书

技术领域

本发明属于超精密技术领域，更具体地，涉及一种动磁式长行程超精密直线运动机构。

背景技术

精密直线运动机构是精密加工装备、精密测量设备中的关键运动部件，其运动和定位精度对精密加工和测量装备的性能指标起着决定性作用。此类系统对精密直线运动机构的主要要求是在启动和停止阶段能达到很高的加速度(一般约等于数个重力加速度)以减少启停时间，在匀速运动段能在相对较长的行程(一般约数百毫米)内、在相对较高的速度(一般约数百甚至数千毫米每秒)下实现亚微米甚至纳米精度的定位或跟踪精度。

传统的直线运动机构多采用旋转电机加传动机构的形式实现直线运动，传动机构惯量大、存在反向间隙，运动精度有限。近年来广泛发展的直线电机利用沿直线布置的永磁体组产生的磁场与通电线圈之间的作用力直接生成直线运动，辅以非接触的气浮支承，具有响应快、精度高等优点，在精密加工和精密测量领域的应用日益广泛。

常规直线电机均采用永磁体组作为定子，永磁体的齿槽效应、端部效应、漏磁通等现象不可避免，定子磁场的分布随位置存在较大波动。为此需要通电线圈中的电流也相应大幅、快速变化，方可避免驱动力产生较大幅度的波动。鉴于永磁体磁场分布的准确辨识困难，加之驱动电流的大幅、快速变化实现困难，常规直线电机难以实现精确的推力控制，由此导致运动精度受到限制，很难利用单级驱动实现亚微米甚至更高精度的长行程直线运动。

在诸如光刻机、扫描电子显微镜等需要达到纳米精度的大行程运动场合，通常采用粗、微动双级驱动方式，粗动台采用常规直线电机实现数百毫米行程、微米精度的运动，微动台实现小行程、纳米精度运动。此类双级驱动系统的运动部件惯量大，运动加速度和速度受限，且结构动态特性和驱动控制复杂，实施难度大。

目前公开了一些采用永磁体作为动子的动磁式直线电机，但多是采用三相交流电进行驱动控制，如专利ZL201110074159.4(高精度电磁力控制直线电机及其控制系统)，采用三相交流电驱动，这样会使得磁场分布不均匀，动子运行不够平稳。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种动磁式长行程超精密直线运动机构，其利用小尺寸的永磁体在大范围均匀恒定电场内运动时产生的电磁力合力保持恒定的原理，以永磁体做动子、以分段线圈绕组做定子，在加速和匀速运动阶段分别对不同区段的线圈绕组通电，辅以气浮支承和冷却系统，实现长行程范围内的高加速度、高速和超精密直线运动。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种动磁式长行程超精密直线运动机构，包括定子线圈组件、气浮支承组件和永磁体动子组件，其特征在于：

所述定子线圈组件包括一个以上的定子气浮导轨和一个以上的电感组件，其中，每个电感组件均包括线圈铁芯和线圈绕组，每个线圈铁芯分别固定连接在一定子气浮导轨上且其纵向与定子气浮导轨的纵向一致；

所述气浮支承组件包括气浮轴承，所述气浮轴承能与定子气浮导轨之间形成气浮气膜并能沿定子气浮导轨的纵向移动；

所述永磁体动子组件包括动子基座、一个以上的永磁体安装座及一个以上的永磁体组，其中，所述动子基座固定安装在气浮轴承上，所述动子基座的下部设置所述的永磁体安装座，并且所述永磁体安装座位于所述动子基座的下方；每个永磁体安装座上分别安装一永磁体组；所述永磁体组包括多个永磁体，并且同一永磁体安装座上的永磁体的同一侧磁场极性相同，以用于与通直流电的线圈绕组相互作用而产生电磁驱动力，从而驱动永磁体组和气浮轴承沿定子气浮导轨的纵向移动。

优选地，所述电感组件为并排设置的两个，所述的永磁体安装座及其上的永磁体组均位于两个电感组件之间。

优选地，所述的永磁体安装座为并排设置的两个，则永磁体组的数量也为两个；所述的电感组件位于两个永磁体安装座之间，两永磁组左右对称设置在电感组件的两侧，两永磁体组中的所有永磁体靠近电感组件的一端的磁场极性相同。

优选地，所述两永磁体安装座之间也设置有永磁体组，该永磁体组位于电感组件的上方，并且该永磁体组的永磁体靠近电感组件的一端的极性与另外两永磁体组的永磁体靠近电感组件的一端的极性相同。

优选地，所述永磁体安装座上设置有气流通道，并且该气流通道与气浮轴承内的气流通道连通，以用于与定子气浮导轨的竖直面之间形成气浮气膜。