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微電子領(lǐng)域磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)論文
現(xiàn)代制造技術(shù)正朝著高速化、精密化和模塊化方向發(fā)展,對(duì)精密制造設(shè)備的切削參數(shù)要求不斷提高，進(jìn)給系統(tǒng)不僅要求速度快，與髙速主軸相匹配，而且要求動(dòng)態(tài)特性好，能實(shí)現(xiàn)快速伺服控制和誤差補(bǔ)償，具有較高的定位精度和剛度。微電子制造業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，其技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家微電子工業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志。在微電子設(shè)備中，傳統(tǒng)的進(jìn)給方式是剛性接觸支撐和“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動(dòng)方式。
這種進(jìn)給方式存在很大的弊病，不僅產(chǎn)生摩擦、磨損、金屬粉塵，影響微電子產(chǎn)品的質(zhì)量，且，驅(qū)動(dòng)件的質(zhì)量慣性和連接間隙降低了設(shè)備的定位精度和響應(yīng)頻率。后來(lái)人們采用氣浮進(jìn)給定位方式。
雖然消除了摩擦，但支撐剛度小，承載能力和抗沖擊能力降低，亦限制定位精度的提高，這就需要積極開(kāi)展更適合微電子設(shè)備進(jìn)給定位技術(shù)的研發(fā)工作。
基于以上分析，提出了一種滿足微電子設(shè)備超潔凈加工環(huán)境需求和高精度、高效率加工需要的新型精密磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
磁懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)是一種新型快速進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
它集成了磁懸浮技術(shù)和線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)在水平和垂直兩方向的無(wú)接觸支撐和無(wú)接觸導(dǎo)向，具有無(wú)污染、響應(yīng)速度快、剛度高和定位精確等優(yōu)點(diǎn)，適用于微電子封裝及光刻設(shè)備加工需求。
安裝于U形電磁鐵和倒F形導(dǎo)軌之間的渦流傳感器檢測(cè)二者間的間隙，以控制電磁鐵線圈中的電流，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定懸浮。此時(shí)，由安裝于平臺(tái)下面的次級(jí)和導(dǎo)軌中間的初級(jí)組成的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)，這就是該平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的原理�？紤]到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致磁力分布不均，產(chǎn)生左右偏擺運(yùn)動(dòng)，造成運(yùn)動(dòng)誤差和導(dǎo)向誤差，將嚴(yán)重影響平臺(tái)的定位精度，所示結(jié)構(gòu)既滿足懸浮需要，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向。因?yàn)榇盼κ冀K集中在U形磁極與倒F形導(dǎo)軌相對(duì)的位置，一旦出現(xiàn)左右偏擺現(xiàn)象，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)對(duì)中。
由于直線同步電機(jī)和平臺(tái)之間無(wú)任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，此時(shí)，平臺(tái)負(fù)荷的變化、直線同步電機(jī)的“端部效應(yīng)”及其產(chǎn)生的垂直吸力都是影響平臺(tái)穩(wěn)定懸浮與驅(qū)動(dòng)的外界干擾因素。這些干擾因素?zé)o任何緩沖環(huán)節(jié)，直接作用到直線伺服系統(tǒng)上，如參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)，就會(huì)造成系統(tǒng)性能指標(biāo)降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失控而振蕩。因此，必須采用全閉環(huán)控制，才能滿足進(jìn)給系統(tǒng)需要。我們用渦流傳感器檢測(cè)懸浮系統(tǒng)的間隙，用光柵尺檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移，采用數(shù)字PID控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的伺服控制[7m°]。此系統(tǒng)采用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的智能化自動(dòng)整定，并利用整定后的控制參數(shù)控制直線電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)，消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能獲得較高的響應(yīng)速度、穩(wěn)定的控制精度和良好的控制效果。
通過(guò)上述公式計(jì)算懸浮力、直線電機(jī)的推力、吸引力，使懸浮進(jìn)給平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終處于平衡狀態(tài)，即在進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置和終定位位置,磁懸浮吸力與機(jī)構(gòu)重力平衡，而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磁懸浮吸力與機(jī)構(gòu)的重力和直線電機(jī)產(chǎn)生吸引力的合力相平衡，懸浮力的大小變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)整過(guò)程。因而，在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需隨時(shí)調(diào)整線圈電流，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量m。采用輕質(zhì)材料鋁合金制作非導(dǎo)磁部件，最終確定的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量為5kg,懸浮間隙為1mm,行程為100mm,進(jìn)給機(jī)構(gòu)在前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)精度可控制在士〇.5fxm,與其垂直方向的運(yùn)動(dòng)精度可控制在±2Mm。此懸浮進(jìn)給機(jī)構(gòu)用渦流傳感器檢測(cè)懸浮系統(tǒng)的間隙，用光柵尺檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移，采用全閉環(huán)數(shù)字PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的伺服控制。
在磁懸浮平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)定位n°],使系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量和定位精度提高，且進(jìn)給系統(tǒng)移動(dòng)快速，定位時(shí)間短，顯著提高設(shè)備的生產(chǎn)率。懸浮進(jìn)給平臺(tái)具有無(wú)接觸、無(wú)摩擦、無(wú)粉塵污染及移動(dòng)快速等特點(diǎn)，以滿足微電子產(chǎn)品加工過(guò)程中高效率、高精度和超潔凈加工環(huán)境的需要。
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