微电子领域磁悬浮进给机构设计

　　现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方向发展,对精密制造设备的切削参数要求不断提高，进给系统不仅要求速度快，与髙速主轴相匹配，而且要求动态特性好，能实现快速伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。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，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。后来人们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进给定位技术的研发工作。

　　基于以上分析，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。

　　磁悬浮进给机构是一种新型快速进给机构。

　　它集成了磁悬浮技术和线性驱动技术，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、响应速度快、刚度高和定位精确等优点，适用于微电子封装及光刻设备加工需求。

　　安装于U形电磁铁和倒F形导轨之间的涡流传感器检测二者间的间隙，以控制电磁铁线圈中的电流，实现平台的稳定悬浮。此时，由安裝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，产生左右偏摆运动，造成运动误差和导向误差，将严重影响平台的定位精度，所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形磁极与倒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。

　　由于直线同步电机和平台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。我们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[7m°]。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。

　　通过上述公式计算悬浮力、直线电机的推力、吸引力，使悬浮进给平台在运动过程中始终处于平衡状态，即在进给机构运动的初始位置和终定位位置,磁悬浮吸力与机构重力平衡，而在运动过程中，磁悬浮吸力与机构的重力和直线电机产生吸引力的合力相平衡，悬浮力的大小变化是一个动态的调整过程。因而，在进给机构的整个运动过程中，需随时调整线圈电流，在机构设计过程中，采用有限元分析和结构优化设计来减小运动部件的质量m。采用轻质材料铝合金制作非导磁部件，最终确定的运动平台的质量为5kg,悬浮间隙为1mm,行程为100mm,进给机构在前进方向的运动精度可控制在士〇.5fxm,与其垂直方向的运动精度可控制在±2Mm。此悬浮进给机构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，采用全闭环数字PID控制系统实现直线电机的伺服控制。

　　在磁悬浮平台进给机构中，应用直线驱动技术可实现无超调定位n°],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，显著提高设备的生产率。悬浮进给平台具有无接触、无摩擦、无粉尘污染及移动快速等特点，以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。