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1、直线驱动磁悬浮进给机构设计第31卷第3期2010年O6月长春工业大学学报(自然科学版)JournalofChangchunUniversityofTeehonology(NaturalScieneeEd.i.t.ion)Vol_31No.3Jun.2010直线驱动磁悬浮进给机构设计荆丹,陶晓巍,郝成弟(长春工业大学机电工程学院,吉林长春130012)摘要:采用直线同步电机对悬浮的平台进给机构提供驱动力,实现了进给机构在水平和垂直两方向的无接触支撑和导向.对磁悬浮力和直线电机推力进行了分析计算.关键词:磁悬浮;进给机构;直线同步电机;数字PID控制中图分类号:TH61.21文献标志码:A文章编号
2、:16741374(2010)03030904DesignofmagneticlevitationstagedrivenbylinearmotorJINGDan,TAOXiaowei,HAoChengdi(SchoolofMechatronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changehun130012,China)Abstract:Thelinearsynchronousmotorisappliedtocontroltheplatformwhichnon-contactlymovesinboththehorizontalandvert
3、icaldirections.Themagneticforceandthrustingforceofthelinearmotorareanalyzedandcalculatedhere.Keywords:magneticsuspension;feeder;linearsynchronousmotor;digitalPIDcontro1.0引言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,传统的进给方式是刚性接触支撑和”旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式.这种进给方式存在着很大的弊病,不仅产生摩擦,磨损,金属粉尘,影响微电子产品的质量,
4、而且驱动件的质量惯性和连接间隙降低了设备的定位精度和响应频率.文献12采用气浮进给定位方式,虽然消除了摩擦,但支撑刚度小,承载能力和抗冲击能力降低,亦限制定位精度的提高,这就需要积极开展更适合微电子设备的进给定位技术的研发工作.文中提出了一种满足微电子设备超洁净加工环境需求和高精度,高效率加工需要的新型精密磁悬浮进给机构.1磁悬浮进给机构设计磁悬浮进给机构是针对微电子行业高精度的IC芯片加工和超洁净的加工环境而设计制造的一种新型快速进给机构.它取代传统的旋转电机与滚珠丝杠驱动方式,将显着提高产品的生产率,改善加工环境.芯片的整个加工工艺过程从划片,粘片,金丝球焊到封装过程中,除划片外,其余工序
5、均为无切屑超精加工.整个加工车间空气含尘指数控制极为严格,且配有专门的设施除尘,如风淋室.由于芯片尺寸很小,加工面积达到微米级甚至更小,有些灰尘的大小几乎超过了加工面收稿日期:201003一O1作者简介:荆丹(1966一),女,汉族,吉林长春人,长春工业大学讲师,硕士,主要从事机械制造及其自动化方向研究,E-mailjingdan.31O长春工业大学学报(自然科学版)第31卷积尺寸,如附着在加工表面将严重影响芯片的加工精度.为了避免常规的接触支撑式机械平台导致的摩擦,粉尘污染,动态响应迟钝和速度慢等缺点,并考虑到常规切削加工方法出现的漏磁粘屑现象,文中采用磁悬浮技术与直线驱动技术设计了适合于微
6、电子领域无切屑精密,超精密加工的悬浮进给机构.此进给机构能实现在水平和垂直两方向的无接触支撑和无接触导向,具有无污染,响应快速,刚度高和精确定位等优点.1.1磁悬浮进给机构原理直线电机驱动最高速度为13m/s,因而能够满足快速进给的需要.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,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虽结构复杂,但其运动,定位精度易于控制,故采用稳定悬浮与直线驱动合二为一的常导磁吸型平台结构.其结构如图1所示.次级移动平台初级u形电磁铁线圈倒F形导轨图1磁悬浮进给机构原理将导轨固定,平台依靠与其装配成一体的U形电磁铁励磁线
7、圈与倒F形导轨耦合作用而悬浮,即当线圈通电后在U型电磁铁中产生磁场,该磁场感应导轨使之对平台产生一向上的磁吸力,当吸力与平台重力平衡时,平台便悬浮于空中.此时,由安装于平台下面的次级和导轨中间的初级组成的直线电机驱动平台沿导轨方向移动,这就是该平台进给机构的原理.考虑到平台运动过程中由于结构不对称导致磁力分布不均,出现左右偏摆运动,产生运动误差和导向误差,将严重影响平台的定位精度,图示结构既满足悬浮需要又能实现自动导向.因为磁吸力始终集中在U型磁极与倒F形导轨相对的位置,一旦出现左右偏摆现象,平台会自动对中.1.2直线同步电机结构设计由于微电子产品加工设备加工方法的特殊性(即无切屑JJn-v_
8、),无进给冲击力,振动小,无切削颤振现象,所以平台质量轻,惯性小,所需进给推力不大,正合乎直线同步电机使用需求.平台是进给系统的运动部件,其质量与进给系统的最大加速度成反比,那么,要提高进给系统的加速度就必须减轻平台的质量3.文中采用高强度的轻质材料铝合金制作平台框架,U形电磁铁与框架采用螺钉联接,直线电机安装在平台与导轨之间(见图1),采用次级移动,初级固定的形式.次级固定在平台移动部件的下面,采用实心铁磁材料制作,初级绕组用叠片组成,以减小由交流激磁引起的涡流,横向通过的直流磁通不受叠片结构的影响.将直流激磁绕组和三相电枢绕组安装在U形铁芯上,以构成初级,再将整个初级结构安置在U形导轨中间
9、的凹槽中.直线同步电机结构如图2所示.开槽的次级直流激磁绕组图2直线同步电机结构直线异步电机次级的转速始终达不到同步速度E53,否则电机中的气隙行波磁场就不会使次级产生电磁推力,不能实现直线运动.直线异步电机滑差率及次级运行速度为:一Vs-一VS(1)一L1,V一(1一s)V(2)式中:s滑差率;次级运行速度,m/s;电机同步运行速度,m/s.电机运行时,滑差率s在0与1之间,所以,/r<.但是,对于直线同步电机,次级运行速度等于电机同步速度(即V),则滑差率S等于0,无法产生电磁推力.为此,采用沿运动方向开槽的次级形式解决第3期荆丹,等:直线驱动磁悬浮进给机构设计311上述问题(见图2
10、).设定开槽的次级结构的周期为2r(r为三相初级绕组的极距),在次级槽的凸,凹处有明显的磁极存在,这样造成初级和次级气隙分布不均匀,当初级绕组产生的磁势为正弦时,气隙磁密就不是正弦分布,除基波外还有一系列谐波,这些谐波会在次级产生推力,促使次级沿平行与初级的方向上作直线运动.同时,要想增大系统的推力,就必须减小运动部件的质量,为使直线电机推力满足进给系统的需要,可采用有限元分析和优化设计方法,求得所要求的动,静刚度条件下整个平台最轻的质量.1.3直线同步电机的推力和垂直力计算直线同步电机作为悬浮进给系统的推进装置,采用直流磁场激磁,电机产生的推力和垂直力通过计算电动机气隙磁场储存的能量来求得.
11、直线同步电机的纵向视图如图3所示.次级-?-2r_?_?_一2口_I.II,上tI/g.x,fU形铁芯初级图3直线同步电机纵向视图U形铁芯的一个芯柱下的气隙能量为:1rW=.2alH()g(x)dx(3)厶J式中:空气磁导率;2a铁芯宽度(U形铁芯一个芯柱的宽度);g(z)沿运动方向在某一点上的气隙长(g(z)一是g(z),其中,g(z)为实际气隙长,k为卡氏系数);H()磁场强度.由交流和直流激磁产生的磁动势分布可以表示为:()一J.+Jsinf型4-)(4)r,式中:功率角;J.总的直流磁势;.,每极交流磁势的基波分量,且其表达式为:J一342KWI1(5)丁cDK绕组分布系数;W每相匝数
12、;J初级电流;.D极数.g(z)的变化见图3,而)一(6)那么对于极数为2|0的直线电机来说,联立方程(3)(6)求解,得:wUo(a+)(+2+(1-)(丢c.s2sin2a+4CCOSsi)(7)其中,口,r,g和g见图3.C:J0k=:g2glg1=是gg2一点g7c6求得,则推力和吸引力F可分别由下面两式求出:F一(罟),F一(等)则对于U形铁芯的一个芯柱一.;(1一去)(sin23sin2a+4Csisina)(10)F一一”.(a+)(+2c)+(一)(专c.s2asin2a+4Cc.ssina)(1)312长春工业大学学报(自然科学版)第31卷因为整个平台在运动过程中始终处于悬浮
13、状态,前进过程中无阻力,则由推力F可求得直线电机次级沿运动方向运动的加速度:n一一Fx(12)式中:m整个进给运动平台的总质量,它包括平台质量,u形电磁铁励磁线圈的质量和电机次级的质量三部分.由此可见,要想提高平台进给加(减)速度,就必须减小运动部件质量,增大系统的推力.在此机构研究中,主要通过选择合适型号的电机增大推力,以及采用结构优化设计来减小运动部件的质量.2磁悬浮平台进给机构的运动控制由于直线同步电机和进给机构之间无任何中间传动环节,此时平台负荷的变化,直线同步电机的”端部效应”及其产生的垂直吸力都是影响平台稳定悬浮与驱动的外界干扰因素.这些干扰因素无任何缓冲环节直接作用到直线伺服系统
14、上,如参数调节不当,就会造成系统性能指标降低甚至导致系统失控而振荡.因此,必须采用全闭环控制才能满足进给系统需要.实际机构中,用涡流传感器检测悬浮系统的间隙,用光栅尺检测机构运动位移,采用数字PID控制系统来实现直线电机的伺服控制.此系统采用软件技术实现PID控制参数的智能化自动整定,并利用整定后的控制参数控制直线电机的运行过程,同时消除控制系统的稳态误差,使直线驱动系统能获得较高的响应速度,稳定的控制精度和良好的控制效果.3结语直线驱动技术在磁悬浮平台进给机构中的应用,可实现无超调定位,使系统调节质量和定位精度提高,且进给系统移动快速,定位时间短,显着提高了设备的生产率.悬浮平台无接触,无摩
15、擦,无粉尘污染及移动快速等特点满足微电子产品加工过程中高效率,高精度和超洁净加工环境的需要.参考文献:E1王先逵,陈定积,吴丹.机床进给系统用直线电动机综述口.制造技术与机床,2001,8:1820.E2TsukamotoO,YasudaK,ChenJz.AnewmagneticlevitationsystemwithACmagnetsJ.TransactionsonmagneticsofIEEE,1988,24(2):14971500.3夏红梅,张柏霖.直线电动机高速进给单元的关键技术EJ.制造技术与机床,2001,7:2224.E4SA纳斯尔,I波尔达.直线电机M.北京:科学出版社,1982.i-s3上海工业大学,上海电机厂.直线异步电动机M.北京:机械工业出版社,1979.I63陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用EM.北京:机械工业出版社,1998.E7李庆雷,王先逵.永磁交流同步直线电机位置伺服控制系统设计I-j.中国机械工程学报,2001,5:577581.83韩连英,孙宝玉,梁淑卿,等.微电子领域磁悬浮进给机构设计J.长春工业大学学报:自然科学版,2003.24(1):6588.
