直線驅(qū)動(dòng)磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、直線驅(qū)動(dòng)磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)第31卷第3期2010年o6月長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)journalofchangchununiversityofteehonology(naturalscieneeed.i.t.ion)vol_31no.3jun.2010直線驅(qū)動(dòng)磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)荊丹,陶曉巍,郝成弟(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130012)摘要:采用直線同步電機(jī)對(duì)懸浮的平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給機(jī)構(gòu)在水平和垂直兩方向的無(wú)接觸支撐和導(dǎo)向.對(duì)磁懸浮力和直線電機(jī)推力進(jìn)行了分析計(jì)算.關(guān)鍵詞:磁懸浮;進(jìn)給機(jī)構(gòu);直線同步電機(jī);數(shù)字pid控制中圖分類號(hào):th61.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼:a文章編號(hào)

2、:16741374(2010)03030904designofmagneticlevitationstagedrivenbylinearmotorjingdan,taoxiaowei,haochengdi(schoolofmechatronicengineering,changchununiversityoftechnology,changehun130012,china)abstract:thelinearsynchronousmotorisappliedtocontroltheplatformwhichnon-contactlymovesinboththehorizontalandvert

3、icaldirections.themagneticforceandthrustingforceofthelinearmotorareanalyzedandcalculatedhere.keywords:magneticsuspension;feeder;linearsynchronousmotor;digitalpidcontro1.0引言微電子制造業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ),其技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家微電子工業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志.在微電子設(shè)備中,傳統(tǒng)的進(jìn)給方式是剛性接觸支撐和”旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動(dòng)方式.這種進(jìn)給方式存在著很大的弊病,不僅產(chǎn)生摩擦,磨損,金屬粉塵,影響微電子產(chǎn)品的質(zhì)量,

4、而且驅(qū)動(dòng)件的質(zhì)量慣性和連接間隙降低了設(shè)備的定位精度和響應(yīng)頻率.文獻(xiàn)12采用氣浮進(jìn)給定位方式,雖然消除了摩擦,但支撐剛度小,承載能力和抗沖擊能力降低,亦限制定位精度的提高,這就需要積極開展更適合微電子設(shè)備的進(jìn)給定位技術(shù)的研發(fā)工作.文中提出了一種滿足微電子設(shè)備超潔凈加工環(huán)境需求和高精度,高效率加工需要的新型精密磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu).1磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)是針對(duì)微電子行業(yè)高精度的ic芯片加工和超潔凈的加工環(huán)境而設(shè)計(jì)制造的一種新型快速進(jìn)給機(jī)構(gòu).它取代傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式,將顯著提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率,改善加工環(huán)境.芯片的整個(gè)加工工藝過程從劃片,粘片,金絲球焊到封裝過程中,除劃片外,其余工序

5、均為無(wú)切屑超精加工.整個(gè)加工車間空氣含塵指數(shù)控制極為嚴(yán)格,且配有專門的設(shè)施除塵,如風(fēng)淋室.由于芯片尺寸很小,加工面積達(dá)到微米級(jí)甚至更小,有些灰塵的大小幾乎超過了加工面收稿日期:201003一o1作者簡(jiǎn)介:荊丹(1966一),女,漢族,吉林長(zhǎng)春人,長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師,碩士,主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方向研究,e-mailjingdan.31o長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第31卷積尺寸,如附著在加工表面將嚴(yán)重影響芯片的加工精度.為了避免常規(guī)的接觸支撐式機(jī)械平臺(tái)導(dǎo)致的摩擦,粉塵污染,動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲鈍和速度慢等缺點(diǎn),并考慮到常規(guī)切削加工方法出現(xiàn)的漏磁粘屑現(xiàn)象,文中采用磁懸浮技術(shù)與直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)了適合于微

6、電子領(lǐng)域無(wú)切屑精密,超精密加工的懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu).此進(jìn)給機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)在水平和垂直兩方向的無(wú)接觸支撐和無(wú)接觸導(dǎo)向,具有無(wú)污染,響應(yīng)快速,剛度高和精確定位等優(yōu)點(diǎn).1.1磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)原理直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)最高速度為13m/s,因而能夠滿足快速進(jìn)給的需要.磁懸浮系統(tǒng)可分為斥力型和吸力型兩類.斥力型磁懸浮系統(tǒng)雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但控制精度低,難以滿足高精度加工需要.相比之下,吸力型反饋控制磁懸浮系統(tǒng)雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但其運(yùn)動(dòng),定位精度易于控制,故采用穩(wěn)定懸浮與直線驅(qū)動(dòng)合二為一的常導(dǎo)磁吸型平臺(tái)結(jié)構(gòu).其結(jié)構(gòu)如圖1所示.次級(jí)移動(dòng)平臺(tái)初級(jí)u形電磁鐵線圈倒f形導(dǎo)軌圖1磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)原理將導(dǎo)軌固定,平臺(tái)依靠與其裝配成一體的u形電磁鐵勵(lì)磁線

7、圈與倒f形導(dǎo)軌耦合作用而懸浮,即當(dāng)線圈通電后在u型電磁鐵中產(chǎn)生磁場(chǎng),該磁場(chǎng)感應(yīng)導(dǎo)軌使之對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生一向上的磁吸力,當(dāng)吸力與平臺(tái)重力平衡時(shí),平臺(tái)便懸浮于空中.此時(shí),由安裝于平臺(tái)下面的次級(jí)和導(dǎo)軌中間的初級(jí)組成的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)軌方向移動(dòng),這就是該平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的原理.考慮到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致磁力分布不均,出現(xiàn)左右偏擺運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差和導(dǎo)向誤差,將嚴(yán)重影響平臺(tái)的定位精度,圖示結(jié)構(gòu)既滿足懸浮需要又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向.因?yàn)榇盼κ冀K集中在u型磁極與倒f形導(dǎo)軌相對(duì)的位置,一旦出現(xiàn)左右偏擺現(xiàn)象,平臺(tái)會(huì)自動(dòng)對(duì)中.1.2直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于微電子產(chǎn)品加工設(shè)備加工方法的特殊性(即無(wú)切屑jjn-v_

8、),無(wú)進(jìn)給沖擊力,振動(dòng)小,無(wú)切削顫振現(xiàn)象,所以平臺(tái)質(zhì)量輕,慣性小,所需進(jìn)給推力不大,正合乎直線同步電機(jī)使用需求.平臺(tái)是進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件,其質(zhì)量與進(jìn)給系統(tǒng)的最大加速度成反比,那么,要提高進(jìn)給系統(tǒng)的加速度就必須減輕平臺(tái)的質(zhì)量3.文中采用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料鋁合金制作平臺(tái)框架,u形電磁鐵與框架采用螺釘聯(lián)接,直線電機(jī)安裝在平臺(tái)與導(dǎo)軌之間(見圖1),采用次級(jí)移動(dòng),初級(jí)固定的形式.次級(jí)固定在平臺(tái)移動(dòng)部件的下面,采用實(shí)心鐵磁材料制作,初級(jí)繞組用疊片組成,以減小由交流激磁引起的渦流,橫向通過的直流磁通不受疊片結(jié)構(gòu)的影響.將直流激磁繞組和三相電樞繞組安裝在u形鐵芯上,以構(gòu)成初級(jí),再將整個(gè)初級(jí)結(jié)構(gòu)安置在u形導(dǎo)軌中間

9、的凹槽中.直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示.開槽的次級(jí)直流激磁繞組圖2直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)直線異步電機(jī)次級(jí)的轉(zhuǎn)速始終達(dá)不到同步速度e53,否則電機(jī)中的氣隙行波磁場(chǎng)就不會(huì)使次級(jí)產(chǎn)生電磁推力,不能實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng).直線異步電機(jī)滑差率及次級(jí)運(yùn)行速度為:一vs-一vs(1)一l1,v一(1一s)v(2)式中:s滑差率;次級(jí)運(yùn)行速度,m/s;電機(jī)同步運(yùn)行速度,m/s.電機(jī)運(yùn)行時(shí),滑差率s在0與1之間,所以,/r<.但是,對(duì)于直線同步電機(jī),次級(jí)運(yùn)行速度等于電機(jī)同步速度(即v),則滑差率s等于0,無(wú)法產(chǎn)生電磁推力.為此,采用沿運(yùn)動(dòng)方向開槽的次級(jí)形式解決第3期荊丹,等:直線驅(qū)動(dòng)磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)311上述問題(見圖2

10、).設(shè)定開槽的次級(jí)結(jié)構(gòu)的周期為2r(r為三相初級(jí)繞組的極距),在次級(jí)槽的凸,凹處有明顯的磁極存在,這樣造成初級(jí)和次級(jí)氣隙分布不均勻,當(dāng)初級(jí)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)為正弦時(shí),氣隙磁密就不是正弦分布,除基波外還有一系列諧波,這些諧波會(huì)在次級(jí)產(chǎn)生推力,促使次級(jí)沿平行與初級(jí)的方向上作直線運(yùn)動(dòng).同時(shí),要想增大系統(tǒng)的推力,就必須減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量,為使直線電機(jī)推力滿足進(jìn)給系統(tǒng)的需要,可采用有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,求得所要求的動(dòng),靜剛度條件下整個(gè)平臺(tái)最輕的質(zhì)量.1.3直線同步電機(jī)的推力和垂直力計(jì)算直線同步電機(jī)作為懸浮進(jìn)給系統(tǒng)的推進(jìn)裝置,采用直流磁場(chǎng)激磁,電機(jī)產(chǎn)生的推力和垂直力通過計(jì)算電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量來(lái)求得.

11、直線同步電機(jī)的縱向視圖如圖3所示.次級(jí)-?-2r_?_?_一2口_i.ii,上ti/g.x,fu形鐵芯初級(jí)圖3直線同步電機(jī)縱向視圖u形鐵芯的一個(gè)芯柱下的氣隙能量為:1rw=.2alh()g(x)dx(3)厶j式中:空氣磁導(dǎo)率;2a鐵芯寬度(u形鐵芯一個(gè)芯柱的寬度);g(z)沿運(yùn)動(dòng)方向在某一點(diǎn)上的氣隙長(zhǎng)(g(z)一是g(z),其中,g(z)為實(shí)際氣隙長(zhǎng),k為卡氏系數(shù));h()磁場(chǎng)強(qiáng)度.由交流和直流激磁產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)分布可以表示為:()一j.+jsinf型4-)(4)r,式中:功率角;j.總的直流磁勢(shì);.,每極交流磁勢(shì)的基波分量,且其表達(dá)式為:j一342kwi1(5)丁cdk繞組分布系數(shù);w每相匝數(shù)

12、;j初級(jí)電流;.d極數(shù).g(z)的變化見圖3,而)一(6)那么對(duì)于極數(shù)為2|0的直線電機(jī)來(lái)說(shuō),聯(lián)立方程(3)(6)求解,得:wuo(a+)(+2+(1-)(丟c.s2sin2a+4ccossi)(7)其中,口,r,g和g見圖3.c:j0k=:g2glg1=是gg2一點(diǎn)g7c6求得,則推力和吸引力f可分別由下面兩式求出:f一(罟),f一(等)則對(duì)于u形鐵芯的一個(gè)芯柱一.;(1一去)(sin23sin2a+4csisina)(10)f一一”.(a+)(+2c)+(一)(專c.s2asin2a+4cc.ssina)(1)312長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第31卷因?yàn)檎麄€(gè)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中始終處于懸浮

13、狀態(tài),前進(jìn)過程中無(wú)阻力,則由推力f可求得直線電機(jī)次級(jí)沿運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的加速度:n一一fx(12)式中:m整個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的總質(zhì)量,它包括平臺(tái)質(zhì)量,u形電磁鐵勵(lì)磁線圈的質(zhì)量和電機(jī)次級(jí)的質(zhì)量三部分.由此可見,要想提高平臺(tái)進(jìn)給加(減)速度,就必須減小運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量,增大系統(tǒng)的推力.在此機(jī)構(gòu)研究中,主要通過選擇合適型號(hào)的電機(jī)增大推力,以及采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量.2磁懸浮平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制由于直線同步電機(jī)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)之間無(wú)任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),此時(shí)平臺(tái)負(fù)荷的變化,直線同步電機(jī)的”端部效應(yīng)”及其產(chǎn)生的垂直吸力都是影響平臺(tái)穩(wěn)定懸浮與驅(qū)動(dòng)的外界干擾因素.這些干擾因素?zé)o任何緩沖環(huán)節(jié)直接作用到直線伺服系統(tǒng)

14、上,如參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng),就會(huì)造成系統(tǒng)性能指標(biāo)降低甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失控而振蕩.因此,必須采用全閉環(huán)控制才能滿足進(jìn)給系統(tǒng)需要.實(shí)際機(jī)構(gòu)中,用渦流傳感器檢測(cè)懸浮系統(tǒng)的間隙,用光柵尺檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移,采用數(shù)字pid控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的伺服控制.此系統(tǒng)采用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)pid控制參數(shù)的智能化自動(dòng)整定,并利用整定后的控制參數(shù)控制直線電機(jī)的運(yùn)行過程,同時(shí)消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,使直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能獲得較高的響應(yīng)速度,穩(wěn)定的控制精度和良好的控制效果.3結(jié)語(yǔ)直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)在磁懸浮平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)定位,使系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量和定位精度提高,且進(jìn)給系統(tǒng)移動(dòng)快速,定位時(shí)間短,顯著提高了設(shè)備的生產(chǎn)率.懸浮平臺(tái)無(wú)接觸,無(wú)摩擦,無(wú)粉塵污染及移動(dòng)快速等特點(diǎn)滿足微電子產(chǎn)品加工過程中高效率,高精度和超潔凈加工環(huán)境的需要.參考文獻(xiàn):e1王先逵,陳定積,吳丹.機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)用直線電動(dòng)機(jī)綜述口.制造技術(shù)與機(jī)床,2001,8:1820.e2tsukamotoo,yasudak,chenjz.anewmagneticlevitationsystemwithacmagnetsj.transactionsonmagneticsofieee,1988,24(2):14971500.3夏紅梅,張柏霖.直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元的關(guān)鍵技術(shù)ej.制造技術(shù)與機(jī)床,2001,7:2224.e4sa納