磁悬浮进给机构设计

　　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,传统的刚性接触支撑和“旋转电动机+滚珠丝杠”驱动方式,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会降低设备的定位精度和响应频率。而气浮进给定位方式,虽然消除了摩擦,但支撑刚度小,承载能力和抗冲击能力低,限制了定位精度的提高。磁悬浮进给机构是一种新型快速进给机构,它集成了磁悬浮技术和线性驱动技术,能实现在水平和垂直两方向的无接触支撑和导向,具有无污染、响应快速、刚度高和定位精确等优点[1,2],适合微电子封装及光刻设备加工需求。

　　1磁悬浮进给机构的结构设计

　　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[3],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结构复杂,但其运动、定位精度易于控制。而直线电动机驱动最高速度为1~3 m/s,能够满足快速进给的需要[4]。所以可采用稳定悬浮与直线驱动合二为一的常导磁吸力型平台进给结构,其结构如图1所示。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。当线圈通电后在U形电磁铁中产生磁场,该磁场感应导轨使之对平台U形线圈产生向上的磁吸力,当吸力与平台重力平衡时,平台便悬浮于磁场中。在“U”形电磁铁和倒F形导轨之间安装涡流传感器检测二者之间的间隙,以控制电磁铁线圈中的电流,实现平台的稳定悬浮。而此时,安装于平台下面的次级和导轨中间的初级组成的直线电动机驱动平台沿导轨方向移动,实现平台的进给运动。另外,这种对称结构,磁吸力始终集中在U形磁极与倒F形导轨上的对称位置,能够防止平台在运动中出现偏摆,实现自动导向。

　　2进给机构悬浮力计算

　　倒F形导轨与U形电磁铁组合(图2)可实现进给机构的稳定悬浮。为了简化分析,忽略导轨中的饱和及涡流,并假设气隙区具有均匀磁场。以右半边为例,建立图3所示计算悬浮力的坐标系。根据许瓦兹-克利司多菲定理[5],可用式(1)将yoz平面(在u平面中)变换为t平面。

　　经过推导运算,得

再进行第二次变换,把t平面的上半部变换为w平面中相距为ψ0的两个无限长平面之间的区域(图3b),则可得

　　由式(5)和式(8)可找到u平面和w平面之间的关系。则“U”形电磁铁与倒F形导轨之间产生的电磁悬浮力Fl0和导向(侧向)力Fy可写为

式中:L1为磁体长度;Гxx和Гyy为麦可斯韦应力张量,且在平面①上有