CN105278255A - 一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置及方法。本发明的装置及方法包括：在磁浮平面电机的动子上建立笛卡尔坐标系，在所述的笛卡尔坐标系的X轴方向上设置第一激光干涉测量装置，在所述的笛卡尔坐标系的Y轴方向上设置第二激光干涉测量装置，所述的磁浮平面电机的动子上设置反光镜；所述的磁浮平面电机的动子上还设置若干涡流传感器，在磁浮平面电机的定子上表面贴设水平的铝板，通过激光干涉测量装置和涡流传感器测得数据，并进行运算得到结果。本发明提供一种能够实现大行程距离测量，受外界因素干扰较小，结构简单，且精度更高的应用于大行程磁浮平面电机动子的六自由度非接触位置检测装置及方法。

Description

一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置及方法

技术领域

本发明涉及一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置及方法。

背景技术

磁浮平面电机可以极大简化平面运动机构，减轻运动质量，实现无摩擦、无磨损的微米级精度高速运动，是目前大行程高速精密运动控制***研究的热点。特别是在IC光刻机领域拥有宽广的前景。磁浮平面电机的结构示意图如图1所示，磁浮平面电机包括动子(1’)和定子(2’)。磁浮平面电机简洁的构造有效避免了传统电机驱动***中传动环节存在的弹性变形、因支持部件存在摩擦力带来的运动滞后等不良现象，减少了插补运动时因传动***滞后带来的跟踪误差，提升运动***的稳定性及定位精度。而它本身革命性的结构设计也使原为难题的双工作台交换问题得以简化。双工件台光刻机解决了调焦调平和校准精度产生的时耗问题并将生产率提升了35％左右，但双工件台光刻机是采用“H”型直线电机驱动的工作台，复杂的机械结构给双工作台交换的问题带来了结构设计及运动轨迹规划的难题。而磁浮平面电机简洁的机械结构大幅降低了双工作台交换***结构及控制规划设计的难度。并且，由于动子运动质量的大幅减轻使得电机工作效率得到飞跃性提高。与传统采用H桥式运动***光刻机相比，采用了磁浮平面电机的TwinscanNXT1950I光刻机工作台加速度从8g提高至15g、运动速度从2.4m/s提高至3.2m/s、运动精度达1.5nm，产率达175硅片/小时，生产效率与质量得到了极大提升。从另一方面来说，磁浮平面电机可在真空环境下工作。采用光波波长为10-14nm的极端远紫外光源(ExtremeUltraVioletLithography，EUVL)进行IC芯片光刻的技术作为下一代光刻技术的发展趋势被提出，EUVL的采用能够将光刻分辨率提升至10nm级别，EUVL光刻已成为微电子制造技术研究热点，13.5nm波长的极紫外光容易被空气分子吸收，因而对工作台提出的要求是能够在真空环境下进行工作，“H”型直线电机采用的传统的气浮工作台无法满足极紫外光刻机苛刻要求，磁浮平面电机去除了复杂庞大的H桥式运动***及气浮导轨，使工作台能够在真空环境下工作。

综上所述，采用无铁式永磁阵列制造的磁浮平面电机作为工作台，除了能够提升运动***的传动刚度、控制精度以及动态响应速度等性控制性能能外，并且由于不存在磁阻吸力，能够在真空环境下完全悬浮工作。磁浮平面电机优越的性能得到了国内外学术界广泛的关注。由于磁浮平面电机是6自由度悬浮运动，需要对动子进行6自由度非接触精密定位测量。定位测量***为运动控制***提供位置反馈，高精度运动控制依赖于高精度定位***。故如何对磁浮平面电机动子进行精确的6自由度定位在磁浮平面电机运动控制中至关重要。

现有的多种传感器被应用于精密位置测量，包括光栅尺、电容传感器、激光测距传感器、电涡流传感器、激光干涉测量***和线性霍尔传感器等，各类传感器特性分析如下：

1)光栅尺：光栅尺被大量应用于高精度大行程直线位移测量，测量分辨率能够达到亚纳米级，ASML推出的采用最新技术光栅尺分辨率甚至达到了纳米级，但由于光栅尺采用的是接触式测量，应用于完全悬浮的电机动子内直接破坏电机动力学模型，也破坏动子运动自由度，导致电机控制失效。

2)电容传感器：电容传感器通过检查自身与测量物之间电容量来推算测量距离，具有测量精度高、价格昂贵等特点，但由于其测量距离小，无法应用于大行程距离测量，且被测目标表面粗糙度直接影响测量结果的精度。

3)激光测距传感器：该传感器设计原理基于光学的三角测距方法，拥有微米级的分辨率，但由于量程段，无法应用于大行程运动。

4)电涡流传感器：电涡流传感器拥有良好的频率响应特性，分辨率可达1微米，可用于段距离位移测量，但如交变磁场、环境温度等外界条件会对其测量结果造成干扰，需对结果进行位移补偿。

5)激光干涉测量***：激光干涉测量***多应用于光刻机大行程位移测量，具有高响应、高稳定性、高分辨率的特点，是大行程纳米级测量的理想装备，但其价格昂贵，***结构复杂。

6)线性霍尔传感器：根据霍尔效应制作的一种测量磁通密度值的传感器，可根据磁场分布解析模型来确定传感器与磁场距离或所处周期磁场的相位值。但由于制造工艺等因素影响，空间磁场分布并不完全符合解析模型计算结果，从而对霍尔传感器实际测量结果造成误差。

由于上述技术手段存在的各种不足，现有的技术中还没有一种能够不破坏动子运动自由度，能够实现大行程距离测量，受外界因素干扰较小，结构简单费用较低，且精度更高的精密位置测量方法。

发明内容

本发明的发明目的是解决上述现有平面电机位置检测方法的局限性，提供一种能够实现大行程距离测量，受外界因素干扰较小，结构简单，且精度更高的应用于大行程磁浮平面电机动子的六自由度非接触位置检测装置及方法。

本发明包括磁浮平面电机的动子和定子，在磁浮平面电机的动子上建立笛卡尔坐标系，在所述的笛卡尔坐标系的X轴方向上设置第一激光干涉测量装置，在所述的笛卡尔坐标系的Y轴方向上设置第二激光干涉测量装置2.2，所述的磁浮平面电机的动子上设置反光镜；所述的磁浮平面电机的动子上还设置若干涡流传感器，在磁浮平面电机的定子上表面贴设水平的铝板。

作为优选，所述的涡流传感器的数量为4个，分别对称布置在所述的磁浮平面电机的动子的四个角上。

作为优选，所述的铝板的厚度小于1mm。因为空间磁通强度随与永磁阵列距离呈指数次衰减，铝板厚度过大会导致线圈与永磁阵列距离过大，线圈所处空间磁通强度降低、电机能耗增加，此处优选厚度小于11mm的铝板。

本发明的测量方法包括如下步骤:

1)所述的第一激光干涉测量装置发出三束光束至磁浮平面电机的动子表面的三个位置进行激光干涉测量得到相应的位置数据X1、X2、X3，并定义X1和X3在X轴方向上的距离为C_x，在Y轴方向上的距离为C_y；所述的第二激光干涉测量装置发出光束至磁浮平面电机的动子表面的三个位置进行激光干涉测量得到相应的位置数据Y1、Y2、Y3，并定义Y1和Y3在X轴方向上的距离为A_x，在Y轴方向上的距离为A_y；

2)根据步骤1测得的数据，计算得到动子X轴方向上的位移^mX_ow和X轴方向上绕Z轴的旋转角度^mφ_zx，Y轴方向上的位移^mY_ow和Y轴方向上绕Z轴的旋转角度^mφ_zy,动子绕X轴的旋转角度^mφ_x，以及动子绕Y轴的旋转角度^mφ_y,计算公式如下：

$X_{\mathrm{ow}}^m=\frac{X1+X3}{2}$

$Y_{\mathrm{ow}}^m=\frac{Y1+Y3}{2}$

$\sin \mathrm{\φ}_x^m=(-Y2+\frac{Y1+Y3}{2})/A_y$

$\sin \mathrm{\φ}_y^m=(-X2+\frac{X1+X3}{2})/A_x$

sin^mφ_zx＝(X3-X1)/C_x

sin^mφ_zy＝(Y3-Y1)/C_y；

3)通过所述的涡流传感器测量所述的涡流传感器与所述的铝板之间的距离，从而得到各个测量值，再取测量值的平均数得到动子在Z轴方向上的位移^mZ_ow；

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置及方法能够实现对磁浮平面电机的动子最大运动速度为150mm/s，定位精度为μm级别，旋转行程测量范围为-1mrad至1mrad,水平运动行程为300mm以上的高精度测量，并能够无接触进行六自由度同步测量，且不受外界干扰；本发明不破坏动子运动自由度，能够实现大行程距离测量，受外界因素干扰较小，结构简单费用较低。

附图说明

图1是现有技术中磁浮平面电机的结构示意图。

图2是本发明激光干涉测量示意图。

图3是图2的X轴向示意图。

图4是图2的Y轴向示意图。

图5是本发明涡流位移测量示意图。

图6是本发明的结构示意图。

图中所示1、动子，2.1、第一激光干涉测量装置，2.2、第二激光干涉测量装置，3、反光镜，4、涡流传感器，5、铝板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2-3所示本发明本发明包括磁浮平面电机的动子1和定子，在磁浮平面电机的动子1上建立笛卡尔坐标系，在所述的笛卡尔坐标系的X轴方向上设置第一激光干涉测量装置2.1，在所述的笛卡尔坐标系的Y轴方向上设置第二激光干涉测量装置2.2，所述的磁浮平面电机的动子1上设置反光镜3；所述的磁浮平面电机的动子1上还设置若干涡流传感器4，在磁浮平面电机的定子上表面贴设水平的铝板5。所述的涡流传感器4的数量为4个，分别对称布置在所述的磁浮平面电机的动子1的四个角上。所述的铝板的厚度小于1mm。

本发明的测量方法包括如下步骤:

1)所述的第一激光干涉测量装置2.1发出三束光束至磁浮平面电机的动子1表面的三个位置进行激光干涉测量得到相应的位置数据X1、X2、X3，并定义X1和X3在X轴方向上的距离为C_x，在Y轴方向上的距离为C_y；所述的第二激光干涉测量装置2.2发出光束至磁浮平面电机的动子1表面的三个位置进行激光干涉测量得到相应的位置数据Y1、Y2、Y3，并定义Y1和Y3在X轴方向上的距离为A_x，在Y轴方向上的距离为A_y；

2)根据步骤1测得的数据，计算得到动子1X轴方向上的位移^mX_ow和X轴方向上绕Z轴的旋转角度^mφ_zx，Y轴方向上的位移^mY_ow和Y轴方向上绕Z轴的旋转角度^mφ_zy,动子1绕X轴的旋转角度^mφ_x，以及动子1绕Y轴的旋转角度^mφ_y,计算公式如下：

$X_{\mathrm{ow}}^m=\frac{X1+X3}{2}$

$Y_{\mathrm{ow}}^m=\frac{Y1+Y3}{2}$

$\sin \mathrm{\φ}_x^m=(-Y2+\frac{Y1+Y3}{2})/A_y$

$\sin \mathrm{\φ}_y^m=(-X2+\frac{X1+X3}{2})/A_x$

sin^mφ_zx＝(X3-X1)/C_x

sin^mφ_zy＝(Y3-Y1)/C_y；

4)通过所述的涡流传感器4测量所述的涡流传感器4与所述的铝板5之间的距离，从而得到各个测量值，再取测量值的平均数得到动子1在Z轴方向上的位移^mZ_ow；

更进一步地，由于当转角φ趋于零时sinφ≈φ，则上述公式可以简化为：

$\mathrm{\φ}_x^m=(-Y2+\frac{Y1+Y3}{2})/A_y$

$\mathrm{\φ}_y^m=(-X2+\frac{X1+X3}{2})/A_x$

^mφ_zx＝(X3-X1)/C_x

^mφ_zy＝(Y3-Y1)/C_y

$\mathrm{\φ}_z^m=\frac{1}{2}(\mathrm{\φ}_{\mathrm{zx}}^m+\mathrm{\φ}_{\mathrm{zy}}^m)$

本发明以涡流传感器4的数量为4个，分别对称布置在所述的磁浮平面电机的动子1的四个角上为例加以说明，测量值为所述的涡流传感器4与所述的铝板5的距离。为提高Z向测量精度，采用四个涡流传感器4在动子1四个角对称分布，如图5-6所示。Z_ecs1、Z_ecs2、Z_ecs3、Z_ecs4分别为四个涡流传感器4的测量值，在测量坐标系下，动子1结合中心在z方向上的位移：可以用公式 $Z_{\mathrm{ow}}^m=\frac{1}{4}(Z_{\mathrm{ecs}1}+Z_{\mathrm{ecs}2}+Z_{\mathrm{ecs}3}+Z_{\mathrm{ecs}4})$ 进行计算。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置，其特征在于：包括磁浮平面电机的动子(1)和定子，在磁浮平面电机的动子(1)上建立笛卡尔坐标系，在所述的笛卡尔坐标系的X轴方向上设置第一激光干涉测量装置(2.1)，在所述的笛卡尔坐标系的Y轴方向上设置第二激光干涉测量装置(2.2)，所述的磁浮平面电机的动子(1)上设置反光镜(3)；所述的磁浮平面电机的动子(1)上还设置若干涡流传感器(4)，在磁浮平面电机的定子上表面贴设水平的铝板(5)。

2.根据权利要求1所述的一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置，其特征在于：所述的涡流传感器(4)的数量为4个，分别对称布置在所述的磁浮平面电机的动子(1)的四个角上。

3.根据权利要求1所述的一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置，其特征在于：所述的铝板的厚度小于1mm。

4.一种采用如权利要求1所述的一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)所述的第一激光干涉测量装置(2.1)发出三束光束至磁浮平面电机的动子(1)表面的三个位置进行激光干涉测量得到相应的位置数据X1、X2、X3，并定义X1和X3在X轴方向上的距离为C_x，在Y轴方向上的距离为C_y；所述的第二激光干涉测量装置(2.2)发出光束至磁浮平面电机的动子(1)表面的三个位置进行激光干涉测量得到相应的位置数据Y1、Y2、Y3，并定义Y1和Y3在X轴方向上的距离为A_x，在Y轴方向上的距离为A_y；

2)根据步骤1测得的数据，计算得到动子(1)X轴方向上的位移^mX_ow和X轴方向上绕Z轴的旋转角度^mφ_zx，Y轴方向上的位移^mY_ow和Y轴方向上绕Z轴的旋转角度^mφ_zy,动子(1)绕X轴的旋转角度^mφ_x，以及动子(1)绕Y轴的旋转角度^mφ_y,计算公式如下：

sin^mφ_zx＝(X3-X1)/C_x

sin^mφ_zy＝(Y3-Y1)/C_y；

3)通过所述的涡流传感器(4)测量所述的涡流传感器(4)与所述的铝板之间的距离，从而得到各个测量值，再取测量值的平均数得到动子(1)在Z轴方向上的位移^mZ_ow。