一种磁浮式精密定位平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及到精密加工制造领域，特别设及一种磁浮式精密定位平台。
【背景技术】
[0002] 现代科学技术对微观领域的研究越来越深入，已经进入了高精度的纳米、原子量 级的时代。微定位技术是微观领域研究的核屯、关键技术之一，其技术发展水平直接影响 到微观领域技术的发展水平，因此作为微定位技术工程化应用的多自由度高精度定位平台 也就具有极为重要的现实研究意义。特别的，在光刻机领域，对光刻的工艺节点线宽达到 22nm，而且晶圆的直径的进一步增大，运意味着对定位平台的要求增高，需要运动平台达到 纳米级别的定位精度，达到数百毫米级别的运动行程范围且要求运动平台响应速度快。
[0003] 传统的接触式高精度定位平台主要有=种方式：一、利用旋转伺服电机驱动，然后 采用精密滚珠丝杆来传动；二、利用直线电机直接驱动；=、利用压电陶瓷驱动。采用伺服 电机驱动并且采用滚珠丝杆传动的定位平台是目前应用较为广泛的平面运动定位方式，但 其缺点是：由于运动平台与驱动机构之间存在包括联轴器、丝杆、轴承等中间过渡环节，增 加了定位机构的惯性质量，对系统的响应频率具有较大的影响，且由于中间过渡环节产生 的摩擦、弹性形变等因素，降低了系统的定位精度，并且由于丝杆的形状是细长的，在外力 场与溫度场的作用下会产生变形，进一步影响定位精度。采用直线电机直接驱动的缺点是： 由于系统的中间环节不存在缓冲环节W及存在相应的端部效应，使得系统的控制难度增 加，并且利用直线电机作为驱动机构存在发热严重、系统推力提供不足、移动部件轻量化等 问题。而压电陶瓷式精密定位平台W压电陶瓷作为驱动机构，广泛应用在纳米级别的定位 系统中，但是其缺点是运动行程小，一般不超过100ym。虽然通过粗定位与精密定位相结合 的方法可提高系统的运动行程，但也由于叠加方式的引入降低了系统的定位精度，使得定 位精度与运动行程范围成为一对固有的矛盾。
[0004] 当高精度定位平台的应用领域对其定位精度，响应速度，行程范围提出了越来越 高的要求时，传统接触式结构的定位平台难W满足要求，因此采用非接触式的定位平台。目 前非接触式的定位平台主要采用气悬浮平台，在气悬浮定位平台中，由于元件之间没有物 理上的接触，在忽略空气阻尼的情况下，可认为没有摩擦力，且平台与运动元件间无须使用 润滑剂，适合于超洁净加工环境。但是气悬浮平台惯性较大且悬浮支撑刚度较低，W致平台 承载能力和抗冲击能力较低，降低了整个平台的灵敏性和定位精度，而且气悬浮式定位平 台无法应用于真空环境中。
[0005] 因此，如何能够获得定位精度高，运动行程大，响应速度快且机械结构简单的非接 触式定位平台成为本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0006] 基于上述技术难题，本发明提供一种磁浮式精密定位平台，能够通过简单的机械 结构实现定位平台的定位精度高，运动行程大，响应速度快，W满足精密加工制造的要求。
[0007] 本发明提供的磁浮式精密定位平台，包括安装板、运动平台、基座、直线电机驱动 装置和电磁铁悬浮驱动装置，其中： 在垂直方向上将所述安装板、运动平台和基座通过固定装置依次连接； 所述电磁铁悬浮驱动装置包括电磁铁和衔铁，所述电磁铁安装在安装板上，在电磁铁 下方对应的位置上将衔铁安装在运动平台的上表面； 所述直线电机驱动装置包括永磁阵列和空屯、线圈绕组，所述永磁阵列镶嵌于运动平台 下表面，在永磁阵列下方对应的位置上将空屯、线圈绕组安装在基座上。
[0008] 优选的，所述安装板边缘安装有电满流传感器。
[0009] 优选的，所述电磁铁悬浮驱动装置为=组，=组电磁铁悬浮驱动装置在水平方向 上成等边=角形排列。
[0010] 优选的，所述直线电机驱动装置为=组，=组电直线电机驱动装置在水平方向上 成等边=角形排列。
[0011] 优选的，所述安装板、运动平台和基座均为等边=角形，所述基座直线电机驱动装 置和电磁铁悬浮驱动装置均设置在等边=角形的=个角的位置上。
[0012] 优选的，=角形底边的两组永磁阵列的面积之和与顶点位置上的永磁阵列面积相 等。
[0013] 优选的，立角形底边的两组永磁阵列按照相同的排列方式布置，顶点位置上的永 磁阵列排列方式与底边的两组永磁阵列相互垂直。
[0014] 优选的，所述电满流传感器为=个，分别设置在安装板的=个角上。
[0015] 优选的，所述电磁铁采用软磁材料的U型电磁铁，所述U型电磁铁开口向下的安装 于安装板的矩形槽中。
[0016] 优选的，所述安装板中屯、预留一个圆形孔。
[0017] 本发明在水平方向上，采用带空屯、线圈的直线电机驱动装置，通过控制永磁阵列 和空屯、线圈绕组之间的磁场功角，使电机仅产生水平方向上的驱动力，不产生垂直方向上 的悬浮力，从而对电磁铁悬浮不产生干扰作用，使平台在水平方向上可获取百毫米级别的 运动行程与纳米级别的定位精度。在悬浮方向上，采用=组电磁铁悬浮驱动装置实现毫米 量级的运动行程。上述磁浮式定位平台具有精度高、行程大，特别是对垂直方向上的运动行 程有较大的提高和响应速度快的特点，且简化了机械结构，便于产生多自由度的运动。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的结构示意图； 图2为图1的磁浮式精密定位平台的正视图； 图3为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的安装板关键尺寸图； 图4为本发明提供的一种电磁铁悬浮驱动装置的结构示意图； 图5为本发明提供的一种直线电机驱动装置中永磁阵列的结构示意图； 图6为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的运动机理示意图。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明 作进一步的详细说明。
[0020] 参见图1-2,图1为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的结构示意图，图2为 图1的磁浮式精密定位平台的正视图。
[0021] 本发明提供一种磁浮式精密定位平台包括安装板1、运动平台2、基座3、直线电机 驱动装置4和电磁铁悬浮驱动装置5,其中：在垂直方向上将所述安装板1、运动平台2和基 座3通过固定装置依次连接；所述电磁铁悬浮驱动装置4包括电磁铁41和衔铁42,所述电 磁铁41安装在安装板上1，在电磁铁41下方对应的位置上将衔铁42安装在运动平台2的 上表面；所述直线电机驱动装置5包括永磁阵列51和空屯、线圈绕组52,所述永磁阵列51镶 嵌于运动平台2下表面，在永磁阵列51下方对应的位置上将空屯、线圈52绕组安装在基座 3上。
[0022] 所述平台在垂直方向上将所述安装板1、运动平台2和基座3通过固定装置依次连 接。优选地，在安装板的边缘设置螺栓孔，通过螺栓与基座连接，实现位置固定。
[0023] 在垂直方向上，电磁铁41安装在安装板上1，在电磁铁41下方对应的位置上将衔 铁42安装在运动平台2的上表面，通过对电磁铁41中的电磁铁线圈通电，产生磁场，该磁 场在电磁铁41、空气间隙W及衔铁之间形成闭合回路，从而产生电磁吸力，在该吸力作用 下，运动平台在垂直方向上被抬起，使得平台在垂直方向上可获取毫米级别的运动行程。
[0024] 在水平方向上永磁阵列51镶嵌于运动平台2下表面，在永磁阵列51下方对应的 位置上将空屯、线圈52绕组安装在基座3上，通过控制永磁阵列和空屯、线圈绕组之间的磁场 功角，使直线电机驱动装置在水平方向上提供水平驱动力，使平台在水平方向上可获取百 毫米级别的运动行程与纳米级别的定位精度。由于直线电机驱动装置5采用空屯、线圈52 结构，使得永磁阵列51与基座3之间在运动平台在静态情况下不存在磁场吸力，故对电磁 铁41不存在干扰作用，即不会对正常的稳定悬浮造成影响。
[00巧]上述磁浮式定位平台具有精度高、行程大，特别是对垂直方向上的运动行程有较 大的提高和响应速度快的特点，且简化了机械结构，便于产生多自由度的运动。
[0026] 在进一步的方案中，所述安装板边缘安装有电满流传感器，用于在悬浮方向上测 量悬浮间隙，可计算运动平台在空间中的实时位置。
[0027] 优选的所述电磁铁悬浮驱动装置4为=组，=组电磁铁悬浮驱动装置4在水平方 向上成等边=角形排列。
[002引优选地，所述直线电机驱动装置5为立组，立组电直线电机驱动装置5在水平方向 上成等边=角形排列。
[0029] 参见图1和图3,图1为本发明提供的一种磁浮式精密定位平台的结构示意图