一种动磁式长行程超精密直线运动机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超精密技术领域，更具体地，涉及一种动磁式长行程超精密直线运动机构。
【背景技术】
[0002]精密直线运动机构是精密加工装备、精密测量设备中的关键运动部件，其运动和定位精度对精密加工和测量装备的性能指标起着决定性作用。此类系统对精密直线运动机构的主要要求是在启动和停止阶段能达到很高的加速度(一般约等于数个重力加速度)以减少启停时间，在匀速运动段能在相对较长的行程(一般约数百毫米)内、在相对较高的速度(一般约数百甚至数千毫米每秒)下实现亚微米甚至纳米精度的定位或跟踪精度。
[0003]传统的直线运动机构多采用旋转电机加传动机构的形式实现直线运动，传动机构惯量大、存在反向间隙，运动精度有限。近年来广泛发展的直线电机利用沿直线布置的永磁体组产生的磁场与通电线圈之间的作用力直接生成直线运动，辅以非接触的气浮支承，具有响应快、精度高等优点，在精密加工和精密测量领域的应用日益广泛。
[0004]常规直线电机均采用永磁体组作为定子，永磁体的齿槽效应、端部效应、漏磁通等现象不可避免，定子磁场的分布随位置存在较大波动。为此需要通电线圈中的电流也相应大幅、快速变化，方可避免驱动力产生较大幅度的波动。鉴于永磁体磁场分布的准确辨识困难，加之驱动电流的大幅、快速变化实现困难，常规直线电机难以实现精确的推力控制，由此导致运动精度受到限制，很难利用单级驱动实现亚微米甚至更高精度的长行程直线运动。
[0005]在诸如光刻机、扫描电子显微镜等需要达到纳米精度的大行程运动场合，通常采用粗、微动双级驱动方式，粗动台采用常规直线电机实现数百毫米行程、微米精度的运动，微动台实现小行程、纳米精度运动。此类双级驱动系统的运动部件惯量大，运动加速度和速度受限，且结构动态特性和驱动控制复杂，实施难度大。
[0006]目前公开了一些采用永磁体作为动子的动磁式直线电机，但多是采用三相交流电进行驱动控制，如专利ZL201110074159.4 (高精度电磁力控制直线电机及其控制系统)，采用三相交流电驱动，这样会使得磁场分布不均匀，动子运行不够平稳。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种动磁式长行程超精密直线运动机构，其利用小尺寸的永磁体在大范围均匀恒定电场内运动时产生的电磁力合力保持恒定的原理，以永磁体做动子、以分段线圈绕组做定子，在加速和匀速运动阶段分别对不同区段的线圈绕组通电，辅以气浮支承和冷却系统，实现长行程范围内的高加速度、高速和超精密直线运动。
[0008]为实现上述目的，按照本发明，提供了一种动磁式长行程超精密直线运动机构，包括定子线圈组件、气浮支承组件和永磁体动子组件，其特征在于:
[0009]所述定子线圈组件包括一个以上的定子气浮导轨和一个以上的电感组件，其中，每个电感组件均包括线圈铁芯和线圈绕组，每个线圈铁芯分别固定连接在一定子气浮导轨上且其纵向与定子气浮导轨的纵向一致；
[0010]所述气浮支承组件包括气浮轴承，所述气浮轴承能与定子气浮导轨之间形成气浮气膜并能沿定子气浮导轨的纵向移动；
[0011]所述永磁体动子组件包括动子基座、一个以上的永磁体安装座及一个以上的永磁体组，其中，所述动子基座固定安装在气浮轴承上，所述动子基座的下部设置所述的永磁体安装座，并且所述永磁体安装座位于所述动子基座的下方；每个永磁体安装座上分别安装一永磁体组；所述永磁体组包括多个永磁体，并且同一永磁体安装座上的永磁体的同一侧磁场极性相同，以用于与通直流电的线圈绕组相互作用而产生电磁驱动力，从而驱动永磁体组和气浮轴承沿定子气浮导轨的纵向移动。
[0012]优选地，所述电感组件为并排设置的两个，所述的永磁体安装座及其上的永磁体组均位于两个电感组件之间。
[0013]优选地，所述的永磁体安装座为并排设置的两个，则永磁体组的数量也为两个；所述的电感组件位于两个永磁体安装座之间，两永磁组左右对称设置在电感组件的两侧，两永磁体组中的所有永磁体靠近电感组件的一端的磁场极性相同。
[0014]优选地，所述两永磁体安装座之间也设置有永磁体组，该永磁体组位于电感组件的上方，并且该永磁体组的永磁体靠近电感组件的一端的极性与另外两永磁体组的永磁体靠近电感组件的一端的极性相同。
[0015]优选地，所述永磁体安装座上设置有气流通道，并且该气流通道与气浮轴承内的气流通道连通，以用于与定子气浮导轨的竖直面之间形成气浮气膜。
[0016]优选地，所述气浮轴承包括水平气浮支撑轴承块和左右设置的两个竖直气浮支撑轴承块，所述水平气浮支撑轴承块和竖直气浮支撑轴承块上均设置有气流通道，所述水平气浮支撑轴承块用于与定子气浮导轨的水平面之间形成气浮气膜，所述竖直气浮支撑轴承块用于与定子气浮导轨的竖直面之间形成气浮气膜。
[0017]优选地，所述永磁体安装座位于两个竖直气浮支撑轴承块之间。
[0018]优选地，所述水平气浮支撑轴承块上设置有垂向预紧装置，所述垂向预紧装置位于定子气浮导轨的上方，用于吸附定子气浮导轨，从而施加向下的预紧力在水平气浮支撑轴承块上，以维持水平气浮支撑轴承块与定子气浮导轨之间的气浮气膜的厚度。
[0019]优选地，所述线圈铁芯内设置有冷却通道，以用于通冷却液对线圈绕组进行冷却。
[0020]优选地，所述线圈绕组包括多个线圈，并且相邻两线圈的导线的直径不等。
[0021]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0022]I)采用均匀布置的长行程线圈绕组作为定子，与传统的以永磁体组做定子的直线电机相比，可以显著降低甚至避免因永磁体磁场不均导致的电磁驱动力波动；
[0023]2)采用分段式线圈绕组结构，仅对动子所处区段的线圈绕组通电，且端部线圈和中间段线圈设计的通电电流大小不同，可以分别获得两端的高加减速运动和中间段的高精度匀速运动。
【附图说明】
[0024]图1为实施例一的结构示意图；
[0025]图2为图1中沿A-A线的剖面图；
[0026]图3为实施例一中永磁体动子组件的的B向视图；
[0027]图4为图3中沿C-C线的的剖面图；
[0028]图5为本发明中实施例二的整体结构示意图；
[0029]图6为图5中沿D-D线的剖面图；
[0030]图7和图8均为实施例二中的永磁体动子组件的剖面图，其中图7为图8中沿E-E线的阶梯剖视图，图8为图7中沿F-F线的阶梯剖视图。
【具体实施方式】
[0031]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032]实施例一
[0033]参照图1、图2，一种动磁式长行程超精密直线运动机构，包括定子线圈组件2、气浮支承组件3和永磁体动子组件1，所述定子线圈组件2包括定子底座24、一个以上的定子气浮导轨23和一个以上的电感组件20，定子气浮导轨23固定安装在定子底座24上，每个电感组件20均包括线圈铁芯22和线圈绕组21，每个线圈铁芯22分别固定连接在一定子气浮导轨23上且其纵向与定子气浮导轨23的纵向一致；
[0034]所述气浮支承组件3包括气浮轴承，所述气浮轴承能与定子气浮导轨23之间形成气浮气膜并能沿定子气浮导轨23的纵向移动；
[0035]本实施例的永磁体动子组件I包括动子支架12及一个永磁体组11，所述动子支架12包括动子基座121及一个永磁体安装座122，所述永磁体组11安装在永磁体安装座122上，所述动子基座121固定安装在气浮轴承上，所述动子基座121的下部设置所述的永磁体安装座122，所述永磁体安装座122位于所述动子基座121的下方；每个永磁体安装座122上安装一永磁体组11，所述永磁体组11包括多个永磁体，并且同一永