CN109510430A - 一种精密直线运动台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种精密直线运动台，包括基座，基座上设置有导轨，导轨上设置载物台，导轨为气浮式结构，载物台的下端面与导轨的上端面之间形成气体薄膜，载物台可沿导轨气浮滑动；所述载物台下端通过过盈配合连接有动子，导轨为开口朝上的U形结构，导轨相对的内侧面上分别设置有两组永磁体阵列模块，永磁体阵列模块与导轨等长，动子夹设在两组永磁体阵列模块中间；永磁体阵列模块包括背铁和粘设在背铁内的梯形磁体阵列。该精密直线运动台与传统运动台相比，推力性能更好，且内部摩擦力近乎为零，可以达到很高的定位精度。

Description

一种精密直线运动台

技术领域

本发明属于机电工程技术领域，涉及一种精密直线运动台。

背景技术

精密定位技术是半导体制造、精密数控机床、精密光学仪器、纳米表面形貌测量等领域的基础性技术，它是衡量一个国家现代工业生产和科学研究发展水平的重要标志。精密直线定位***中传统的驱动机构采用“步进电机+滚珠丝杠”的传动方式，由于这种驱动方式必须依靠机械接触（螺纹、滚珠、螺母之间的接触）传递推力，难以避免摩擦、磨损、间隙、变形带来的一系列问题。虽然在这些问题通过不同的改进方法可以使传动性能得到提高，但问题很难从根本上解决。为解决这种问题，提出了“直接传动”的概念，将电能直接转换成直线运动机械能，取消了电动机到工作部件之间的各种中间环节，即采用直线电机进行驱动的精密直线运动台。但采用无铁芯直线电机驱动的精密直线运动台，由于驱动电机自身结构的缺点，缺少铁芯的聚磁作用，导致运动台的推力较小。而且精密直线运动台中通常需配置滚珠式导轨进行导向，滚珠式导轨与直线电机在精密直线运动台中需分别独立进行安装，安装过程对精度要求非常高，而且安装过后滚珠式导轨也难以避免存在摩擦力，摩擦力对于精密直线运动台的定位性能存在不良影响。故采用无铁芯直线电机驱动的精密直线运动台中依旧有推力不足、存在不良摩擦力的缺点。对于精密直线运动台推力不足的缺点，现有技术可以采用动子绕组线圈并联的方式解决，但这样会减少运动台的有效定位行程。因此提高精密运动台的推力，减小甚至消除不良摩擦力，成了目前需要解决的问题。

发明内容

本发明提供一种新型阵列下的精密直线运动台，要解决现有精密直线运动台推力不足的缺点，同时解决现有精密直线运动台中存在不良摩擦力的缺点。

为克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：

一种精密直线运动台，包括基座，所述基座上设置有导轨，导轨上设置载物台，所述导轨为气浮式结构，载物台的下端面与导轨的上端面之间形成气体薄膜，载物台可沿导轨气浮滑动；所述载物台下端通过过盈配合连接有动子，所述导轨为开口朝上的U形结构，导轨相对的内侧面上分别设置有两组永磁体阵列模块，所述永磁体阵列模块与导轨等长，所述动子夹设在两组永磁体阵列模块中间；

所述永磁体阵列模块包括背铁和粘设在背铁内的梯形磁体阵列，背铁固定于导轨内侧，所述梯形磁体阵列由多个沿导轨长度方向排列的磁体单元顺序相接构成，磁体单元为等腰梯形，相邻的磁体单元上底紧挨着相邻磁体单元的下底，磁体单元的充磁角度依次改变90度；

两组永磁体阵列模块上的磁体单元均相对对称设置，沿中心线对称分布的磁体单元水平充磁方向相反，沿中心线对称分布的磁体单元垂直充磁方向相同。

所述等腰梯形下角角度变化在45度-53度范围内。

所述导轨两端外设置有端盖，在所述导轨两端内壁均设置有防撞块；所述基座上设置光栅尺，载物台上设置有光栅尺读数头，所述光栅尺和光栅尺读数头通过线缆连接，线缆通过拖链约束。

所述磁体单元由钕铁硼永磁体制成。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种新型磁极阵列、采用气浮支撑的精密直线运动台，通过该新型磁极阵列方式与气浮的配合，既可以解决现有精密直线运动台推力不足的缺点，又可以消除滚珠导轨产生不良摩擦力的影响。该精密直线运动台与传统运动台相比，推力性能更好，且内部摩擦力近乎为零，可以达到很高的定位精度。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2-图4是矩形结构到本发明结构的演变示意图；

图5是永磁体阵列模块示意图；

图6是磁场强度图。

图中，1-基座，2-导轨，3-载物台，4-动子，5-永磁体阵列模块，6-背铁，7-等腰梯形磁体单元，8-端盖，9-防撞块，10-光栅尺，11-光栅尺读数头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细地说明。

参见图1，本发明提供一种精密直线运动台,在基座1上设置有气浮式导轨2，气浮导轨上设置有载物台，载物台与导轨2之间设置气体薄膜，在直线电机驱动力下，载物台可沿导轨滑动。所说导轨2两端外设置有端盖8，在导轨2两端内壁均设置有防撞块9；所说基座1上设置有光栅尺10，载物台3上设置有光栅尺读数头11，所述光栅尺10和光栅尺读数头11通过线缆连接，线缆通过拖链12约束。

所述载物台3下端通过过盈配合连接有动子4，所述导轨2为开口朝上的U形结构，导轨2相对的内侧面上分别设置有两组永磁体阵列模块5，所述永磁体阵列模块5与导轨2等长，所述动子4夹设在两组永磁体阵列模块5中间；

所述永磁体阵列模块5包括背铁6和粘设在背铁6内的梯形磁体阵列，背铁6固定于导轨2内侧，所述梯形磁体阵列由多个沿导轨长度方向排列的磁体单元7顺序相接构成，磁体单元7为等腰梯形，本实施例中等腰梯形下角角度变化在45-53度，相邻的磁体单元7上底紧挨着相邻磁体单元7的下底。所说磁体单元7的充磁角度依次改变90度，这样相邻的两组梯形磁体单元的磁场方向垂直，同一梯形磁体阵列中相间的两组梯形磁体单元的磁场方向相反。

所说的两组永磁体阵列模块5上的磁体单元7均相对对称设置，沿中心线对称分布的磁体单元7水平充磁方向相反，沿中心线对称分布的磁体单元7垂直充磁方向相同。

所述动子4由酚醛树脂浇灌而成。

所述基座1的材质为大理石。

本发明工作时，绕组线圈与永磁体阵列模块5之间因法拉第电磁感应现象产生动力，在导轨2的导向下进行直线运动，电机通过高精度磁栅进行反馈，可实现工作台的高精度定位。

参见图2-图4，本精密直线运动台中的永磁体不再采用传统矩形形状、180度角度变化的充磁方式，而是采用如图2所示的90度方向变化的充磁方式，采用此种形状的磁体，每一块等腰梯形永磁体相当于三块矩形形状45度充磁方向磁体的叠加；

矩形永磁体45度充磁方向变化的阵列中存在45度充磁方向的永磁体，此方向充磁的磁体可以看做如下x方向与y方向方向的叠加；

矩形永磁体阵列可分割成很多小块，重新划分，45度充磁方向的矩形永磁体小块根据其方向，变换成相应x方向充磁方向三角形小块与y方向充磁方向三角形小块的叠加，将充磁方向相同的小块视为同一永磁体，即两块三角形小块与一块矩形小块视为一体，如此可产生本发明中所提出的磁极阵列结构，此梯形阵列结构与传统径向阵列相比气隙磁场幅值与正弦性得到了提高，与矩形形状45度充磁方向的永磁体阵列相比又减小了工艺与组配的难度，一块梯形磁体相当于三块矩形形状45度充磁方向阵列的叠加。

参见图6，通过计算结果可得，本发明提供的阵列方式与传统阵列相比提高了气隙磁密波形幅值与正弦性，可以达到接近于矩形形状45度充磁方向变化阵列的水平。两者结合，将气浮支撑方式无摩擦的优点与此磁极阵列优点相结合，对提高精密运动台的推力性能有很大帮助。

Claims (4)

1.一种精密直线运动台，包括基座（1），所述基座（1）上设置有导轨（2），导轨（2）上设置载物台（3），其特征在于：所述导轨（2）为气浮式结构，载物台（3）的下端面与导轨（2）的上端面之间形成气体薄膜，载物台（3）可沿导轨（2）气浮滑动；所述载物台（3）下端通过过盈配合连接有动子（4），所述导轨（2）为开口朝上的U形结构，导轨（2）相对的内侧面上分别设置有两组永磁体阵列模块（5），所述永磁体阵列模块（5）与导轨（2）等长，所述动子（4）夹设在两组永磁体阵列模块（5）中间；

所述永磁体阵列模块（5）包括背铁（6）和粘设在背铁（6）内的梯形磁体阵列，背铁（6）固定于导轨（2）内侧，所述梯形磁体阵列由多个沿导轨长度方向排列的磁体单元（7）顺序相接构成，磁体单元（7）为等腰梯形，相邻的磁体单元（7）上底紧挨着相邻磁体单元（7）的下底，磁体单元（7）的充磁角度依次改变90度；

两组永磁体阵列模块（5）上的磁体单元（7）均相对对称设置，沿中心线对称分布的磁体单元（7）水平充磁方向相反，沿中心线对称分布的磁体单元（7）垂直充磁方向相同。

2.根据权利要求1所述精密直线运动台，其特征在于：所述等腰梯形下角角度变化在45度-53度范围内。

3.根据权利要求1或2所述精密直线运动台，其特征在于：所述导轨（2）两端外设置有端盖（8），在所述导轨（2）两端内壁均设置有防撞块（9）；所述基座（1）上设置光栅尺（10），载物台（3）上设置有光栅尺读数头（11），所述光栅尺（10）和光栅尺读数头（11）通过线缆连接，线缆通过拖链（12）约束。

4.根据权利要求3所述精密直线运动台，其特征在于：所述磁体单元（7）由钕铁硼永磁体制成。