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微電子領(lǐng)域磁懸浮進(jìn)給機構設計論文
現代制造技術(shù)正朝著(zhù)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要求不斷提高，進(jìn)給系統不僅要求速度快，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(chǎn)業(yè)的核心和基礎，其技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國家微電子工業(yè)發(fā)展的重要標志。在微電子設備中，傳統的進(jìn)給方式是剛性接觸支撐和“旋轉電機+滾珠絲杠”驅動(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，驅動(dòng)件的質(zhì)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(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(mǎn)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(jìn)給機構。
磁懸浮進(jìn)給機構是一種新型快速進(jìn)給機構。
它集成了磁懸浮技術(shù)和線(xiàn)性驅動(dòng)技術(shù)，能實(shí)現在水平和垂直兩方向的無(wú)接觸支撐和無(wú)接觸導向，具有無(wú)污染、響應速度快、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(xiàn)圈中的電流，實(shí)現平臺的穩定懸浮。此時(shí)，由安裝于平臺下面的次級和導軌中間的初級組成的直線(xiàn)電機驅動(dòng)平臺沿導軌方向移動(dòng)，這就是該平臺進(jìn)給機構的原理�？紤]到平臺運動(dòng)過(guò)程中，由于結構不對稱(chēng)導致磁力分布不均，產(chǎn)生左右偏擺運動(dòng)，造成運動(dòng)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(mǎn)足懸浮需要，又能實(shí)現自動(dòng)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，一旦出現左右偏擺現象，平臺會(huì )自動(dòng)對中。
由于直線(xiàn)同步電機和平臺之間無(wú)任何中間傳動(dòng)環(huán)節，此時(shí)，平臺負荷的變化、直線(xiàn)同步電機的“端部效應”及其產(chǎn)生的垂直吸力都是影響平臺穩定懸浮與驅動(dòng)的外界干擾因素。這些干擾因素無(wú)任何緩沖環(huán)節，直接作用到直線(xiàn)伺服系統上，如參數調節不當，就會(huì )造成系統性能指標降低，甚至導致系統失控而振蕩。因此，必須采用全閉環(huán)控制，才能滿(mǎn)足進(jìn)給系統需要。我們用渦流傳感器檢測懸浮系統的間隙，用光柵尺檢測機構運動(dòng)位移，采用數字PID控制系統來(lái)實(shí)現直線(xiàn)電機的伺服控制[7m°]。此系統采用軟件技術(shù)實(shí)現PID控制參數的智能化自動(dòng)整定，并利用整定后的控制參數控制直線(xiàn)電機的運行過(guò)程，同時(shí)，消除控制系統的穩態(tài)誤差，使直線(xiàn)驅動(dòng)系統能獲得較高的響應速度、穩定的控制精度和良好的控制效果。
通過(guò)上述公式計算懸浮力、直線(xiàn)電機的推力、吸引力，使懸浮進(jìn)給平臺在運動(dòng)過(guò)程中始終處于平衡狀態(tài)，即在進(jìn)給機構運動(dòng)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(dòng)過(guò)程中，磁懸浮吸力與機構的重力和直線(xiàn)電機產(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)的調整過(guò)程。因而，在進(jìn)給機構的整個(gè)運動(dòng)過(guò)程中，需隨時(shí)調整線(xiàn)圈電流，在機構設計過(guò)程中，采用有限元分析和結構優(yōu)化設計來(lái)減小運動(dòng)部件的質(zhì)量m。采用輕質(zhì)材料鋁合金制作非導磁部件，最終確定的運動(dòng)平臺的質(zhì)量為5kg,懸浮間隙為1mm,行程為100mm,進(jìn)給機構在前進(jìn)方向的運動(dòng)精度可控制在士〇.5fxm,與其垂直方向的運動(dòng)精度可控制在±2Mm。此懸浮進(jìn)給機構用渦流傳感器檢測懸浮系統的間隙，用光柵尺檢測機構運動(dòng)位移，采用全閉環(huán)數字PID控制系統實(shí)現直線(xiàn)電機的伺服控制。
在磁懸浮平臺進(jìn)給機構中，應用直線(xiàn)驅動(dòng)技術(shù)可實(shí)現無(wú)超調定位n°],使系統調節質(zhì)量和定位精度提高，且進(jìn)給系統移動(dòng)快速，定位時(shí)間短，顯著(zhù)提高設備的生產(chǎn)率。懸浮進(jìn)給平臺具有無(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(mǎn)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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