微電子領域磁懸浮進給機構設計論文

　　現(xiàn)代制造技術正朝著高速化、精密化和模塊化方向發(fā)展,對精密制造設備的切削參數(shù)要求不斷提高，進給系統(tǒng)不僅要求速度快，與髙速主軸相匹配，而且要求動態(tài)特性好，能實現(xiàn)快速伺服控制和誤差補償，具有較高的定位精度和剛度。微電子制造業(yè)是信息產業(yè)的核心和基礎，其技術水平的高低已成為衡量一個國家微電子工業(yè)發(fā)展的重要標志。在微電子設備中，傳統(tǒng)的進給方式是剛性接觸支撐和“旋轉電機+滾珠絲杠”驅動方式。

　　這種進給方式存在很大的弊病，不僅產生摩擦、磨損、金屬粉塵，影響微電子產品的質量，且，驅動件的質量慣性和連接間隙降低了設備的定位精度和響應頻率。后來人們采用氣浮進給定位方式。

　　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，這就需要積極開展更適合微電子設備進給定位技術的研發(fā)工作。

　　基于以上分析，提出了一種滿足微電子設備超潔凈加工環(huán)境需求和高精度、高效率加工需要的新型精密磁懸浮進給機構。

　　磁懸浮進給機構是一種新型快速進給機構。

　　它集成了磁懸浮技術和線性驅動技術，能實現(xiàn)在水平和垂直兩方向的無接觸支撐和無接觸導向，具有無污染、響應速度快、剛度高和定位精確等優(yōu)點，適用于微電子封裝及光刻設備加工需求。

　　安裝于U形電磁鐵和倒F形導軌之間的渦流傳感器檢測二者間的間隙，以控制電磁鐵線圈中的電流，實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定懸浮。此時，由安裝于平臺下面的次級和導軌中間的初級組成的直線電機驅動平臺沿導軌方向移動，這就是該平臺進給機構的原理�？紤]到平臺運動過程中，由于結構不對稱導致磁力分布不均，產生左右偏擺運動，造成運動誤差和導向誤差，將嚴重影響平臺的定位精度，所示結構既滿足懸浮需要，又能實現(xiàn)自動導向。因為磁吸力始終集中在U形磁極與倒F形導軌相對的位置，一旦出現(xiàn)左右偏擺現(xiàn)象，平臺會自動對中。

　　由于直線同步電機和平臺之間無任何中間傳動環(huán)節(jié)，此時，平臺負荷的變化、直線同步電機的“端部效應”及其產生的垂直吸力都是影響平臺穩(wěn)定懸浮與驅動的外界干擾因素。這些干擾因素無任何緩沖環(huán)節(jié)，直接作用到直線伺服系統(tǒng)上，如參數(shù)調節(jié)不當，就會造成系統(tǒng)性能指標降低，甚至導致系統(tǒng)失控而振蕩。因此，必須采用全閉環(huán)控制，才能滿足進給系統(tǒng)需要。我們用渦流傳感器檢測懸浮系統(tǒng)的間隙，用光柵尺檢測機構運動位移，采用數(shù)字PID控制系統(tǒng)來實現(xiàn)直線電機的伺服控制[7m°]。此系統(tǒng)采用軟件技術實現(xiàn)PID控制參數(shù)的智能化自動整定，并利用整定后的控制參數(shù)控制直線電機的運行過程，同時，消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使直線驅動系統(tǒng)能獲得較高的響應速度、穩(wěn)定的控制精度和良好的控制效果。

　　通過上述公式計算懸浮力、直線電機的推力、吸引力，使懸浮進給平臺在運動過程中始終處于平衡狀態(tài)，即在進給機構運動的初始位置和終定位位置,磁懸浮吸力與機構重力平衡，而在運動過程中，磁懸浮吸力與機構的重力和直線電機產生吸引力的合力相平衡，懸浮力的大小變化是一個動態(tài)的調整過程。因而，在進給機構的整個運動過程中，需隨時調整線圈電流，在機構設計過程中，采用有限元分析和結構優(yōu)化設計來減小運動部件的質量m。采用輕質材料鋁合金制作非導磁部件，最終確定的運動平臺的質量為5kg,懸浮間隙為1mm,行程為100mm,進給機構在前進方向的運動精度可控制在士〇.5fxm,與其垂直方向的運動精度可控制在±2Mm。此懸浮進給機構用渦流傳感器檢測懸浮系統(tǒng)的間隙，用光柵尺檢測機構運動位移，采用全閉環(huán)數(shù)字PID控制系統(tǒng)實現(xiàn)直線電機的伺服控制。

　　在磁懸浮平臺進給機構中，應用直線驅動技術可實現(xiàn)無超調定位n°],使系統(tǒng)調節(jié)質量和定位精度提高，且進給系統(tǒng)移動快速，定位時間短，顯著提高設備的生產率。懸浮進給平臺具有無接觸、無摩擦、無粉塵污染及移動快速等特點，以滿足微電子產品加工過程中高效率、高精度和超潔凈加工環(huán)境的需要。

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