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直线驱动磁悬浮进给机构设计

第31卷第3期

20XX年O6月

长春工业大学学报(自然科学版) JournalofChangchunUniversityofTeehonology(Natural—

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Jun.20XX

直线驱动磁悬浮进给机构设计

荆丹,陶晓巍,郝成弟

(长春工业大学机电工程学院,吉林长春130012)

摘要:采用直线同步电机对悬浮的平台进给机构提供驱动力,实现了进

给机构在水平和垂

直两方向的无接触支撑和导向.对磁悬浮力和直线电机推力进行了分析计算.

关键词:磁悬浮;进给机构;直线同步电机;数字PID控制

中图分类号:TH61.21文献标志码:A文章编号:1674—1374(20XX)03—0309—04 Designofmagneticlevitationstagedrivenbylinearmotor

JINGDan,TAOXiao—wei,HAoCheng—di (SchoolofMechatronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,C hangehun130012,China)

Abstract:Thelinearsynchronousmotorisappliedtocontroltheplatformwhich non-contactlymoves inboththehorizontalandverticaldirections.Themagneticforceandthrustingfo rceofthelinear

motorareanalyzedandcalculatedhere.

Keywords:magneticsuspension;feeder;linearsynchronousmotor;digitalPID contro1.

0引言

微电子制造业是信息产业的核心和基础,其

技术水平的高低已成为衡量一个国家微电子工业

发展的重要标志.在微电子设备中,传统的进给

方式是刚性接触支撑和”旋转电机+滚珠丝杠”驱

动方式.这种进给方式存在着很大的弊病,不仅

产生摩擦,磨损,金属粉尘,影响微电子产品的质量,而且驱动件的质量惯性和连接间隙降低了设备的定位精度和响应频率.文献[1—2]采用气浮进给定位方式,虽然消除了摩擦,但支撑刚度小, 承载能力和抗冲击能力降低,亦限制定位精度的提高,这就需要积极开展更适合微电子设备的进给定位技术的研发工作.文中提出了一种满足微电子设备超洁净加工环境需求和高精度,高效率加工需要的新型精密磁悬浮进给机构.

1磁悬浮进给机构设计

磁悬浮进给机构是针对微电子行业高精度的

IC芯片加工和超洁净的加工环境而设计制造的一

种新型快速进给机构.它取代传统的旋转电机

与滚珠丝杠驱动方式,将显着提高产品的生产率, 改善加工环境.芯片的整个加工工艺过程从划片,粘片,金丝球焊到封装过程中,除划片外,其余工序均为无切屑超精加工.整个加工车间空气含尘指数控制极为严格,且配有专门的设施除尘,如风淋室.由于芯片尺寸很小,加工面积达到微米

级甚至更小,有些灰尘的大小几乎超过了加工面

收稿日期:20XX—03一O1

作者简介:荆丹(1966一),女,汉族,吉林长春人,长春工业大学讲师,硕士,主要从事机械制造及其自动化方向研究,E-mail

jingdan@.

31O长春工业大学学报(自然科学版)第31卷

积尺寸,如附着在加工表面将严重影响芯片的加

工精度.为了避免常规的接触支撑式机械平台导

致的摩擦,粉尘污染,动态响应迟钝和速度慢等缺

点,并考虑到常规切削加工方法出现的漏磁粘屑

现象,文中采用磁悬浮技术与直线驱动技术设计

了适合于微电子领域无切屑精密,超精密加工的

悬浮进给机构.此进给机构能实现在水平和垂直

两方向的无接触支撑和无接触导向,具有无污染,

响应快速,刚度高和精确定位等优点.

1.1磁悬浮进给机构原理

直线电机驱动最高速度为1～3m/s,因而能

够满足快速进给的需要.磁悬浮系统可分为斥力

型和吸力型两类.斥力型磁悬浮系统虽结构简

单,但控制精度低,难以满足高精度加工需要.相

比之下,吸力型反馈控制磁悬浮系统虽结构复杂,

但其运动,定位精度易于控制,故采用稳定悬浮与

直线驱动合二为一的常导磁吸型平台结构.其结

构如图1所示.

次级移动平台初级

u形电磁铁线圈倒F形导轨

图1磁悬浮进给机构原理

将导轨固定,平台依靠与其装配成一体的U

形电磁铁励磁线圈与倒F形导轨耦合作用而悬浮,即当线圈通电后在U型电磁铁中产生磁场, 该磁场感应导轨使之对平台产生一向上的磁吸力,当吸力与平台重力平衡时,平台便悬浮于空中.此时,由安装于平台下面的次级和导轨中间的初级组成的直线电机驱动平台沿导轨方向移动,这就是该平台进给机构的原理.考虑到平台运动过程中由于结构不对称导致磁力分布不均, 出现左右偏摆运动,产生运动误差和导向误差,将严重影响平台的定位精度,图示结构既满足悬浮需要又能实现自动导向.因为磁吸力始终集中在U型磁极与倒F形导轨相对的位置,一旦出现左右偏摆现象,平台会自动对中.

1.2直线同步电机结构设计

由于微电子产品加工设备加工方法的特殊性(即无切屑JJn-v_),无进给冲击力,振动小,无切削颤振现象,所以平台质量轻,惯性小,所需进给推