Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологий

РЕФЕРАТ

на тему:

«Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями»

Минск, 2008

В разомкнутых системах цифрового программного управления с точным позиционированием, а также при реализации сложных двигателей по двум координатам целесообразно применение линейных шаговых двигателей (ЛШД), допускающих изменение в широких пределах числа фаз, частоты и форм напряжения на фазах.

Разработано несколько конструкций координатных столов с ЛШД и электронными блоками управления. Предназначены они для установки в различном технологическом оборудовании производства ИЭТ, металлообрабатывающих станков с ЧПУ, медицинском оборудовании и т.д. Принципиально ЛШД представляет собой шаговый двигатель с развернутыми подвижными и неподвижными частями. Конструкция одного из вариантов ЛШД приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Двигатель содержит якорь состоящий из двух жестко соединенных электромагнитных модулей А и В и безобмоточного зубчатого пассивного статора, выполненного из магнитомягкого материала.

Каждый из модулей А и В состоит из двух П-образных магнитопроводов объединенных постоянным магнитом.

Обмотки управления охватывают средние полюсы А2, А3 и соответственно В2 и В3 модулей А и В.

Электромагнитные модули расположены со взаимным линейным сдвигом, равным , где k=0,1,2… целое число, значения которого выбирается из конструктивных соображений.

Между первичным и вторичным элементами ЛШД имеется зазор δ.

Движение вторичного элемента (якоря) с шагом осуществляется разнополярной коммутацией обмоток модулей А и В. Порядок коммутации определяет направление движения.

ЛШД обеспечивает перемещение координатного стола в плоскости конструктивно объединяющей по меньшей мере три ЛШД: один на одной координатной оси, два на другой.

Необходимый рабочий зазор δ между статором и якорем чаще всего обеспечивается применением аэростатических опор.

Схематически одна из конструкций такого координатного стола показана на рисунке 1а. Подвижная каретка 1, имеющая в качестве основания парумодулей ЛШД2, предназначенных для движения по оси Х (Х-ЛШД), и две пары модулей 3 (Y-ЛШД), скользит по статору 4 на воздушной подушке. Подушка образуется струей сжатого воздуха подаваемого в которые расположены по периметру ЛШД.

Рисунок 1 а - Координатные столы с ЛШД:

а) конструктивная схема.

б) координатный стол с разделенной нарезкой статора.

в) координатный стол с совмещенной нарезкой статора.

В варианте с разделенной нарезкой статора по координатным осям (рисунок 1б) Х-ЛШД позиция 2 обеспечивает перемещение каретки в пределах средней зоны зубцов статора. Y-ЛШД позиция 3 перемещает каретку поперек нарезки статора в крайних зонах. В варианте с совмещенной по обеим осям нарезкой зубцов статора (рисунок 1в) каретка содержит по паре Х-ЛШД-2 и Y-ЛШД позиция 3. Диапазон перемещений по осям в этом случае ограничен лишь размерами статора. При движении по оси Х коммутируются обмотки электромагнитов модулей Х-ЛШД при статическом состоянии токов в обмотках Y-ЛШД. При коммутации обмоток Y-ЛШД обеспечивается движение по координате Н.

При одновременном перемещении по двум координатам управляют токами фаз обеих групп ЛШД.

Зубчатые поверхности статора и якорей приготавливаются фрезерованием прецизионной групповой фрезой или химическим травлением по прецизионным фотошаблонам с последующей заливкой пазов эпоксидными компаундами с твердым немагнитным наполнителем. После этого поверхности шлифуют и притирают. Это обеспечивает высокую степень параллельности и чистоту рабочих поверхностей.

Электромагнитное взаимодействие якоря со статором происходит в воздушном слое между кареткой и статором, поэтому постоянство зазора δ сказывается на стабильности тяговых точностных характеристик координатной системы. Сама же величина зазора получается как результат уравновешивания аэростатической силы отталкивания F_>a> магнитной силой притяжения F_>M>.

Таким образом для обеспечения стабильности величины зазора δ, должно быть обеспечено условие “всплывания” каретки над плоскостью статора т.е. δ>0, F_>а>>F_>M>. Типичный характер зависимостей F_>M>(δ) и F_>a>(δ) из образцов координатной системы для технологических установок микроэлектроники с ЛШД показан на рисунке 2.

Взаимодействие сил притяжения F_>M> и аэростатических сил F_>a>.

Рисунок 2 - Взаимодействие сил притяжения F_>M> и аэростатических сил F_>a>.

Величина зазора фиксируется на уровне δ_>0> при F_>0>. Тогда равновесие удовлетворяет условию статического равновесия

. (1)

В серийно-выпускаемых двухкоординатных системах сЛШД обеспечивается зазор δ=10-20мкм при давлении воздуха 2-6 атм и расходе 5-6 л/мин.

Статические и динамические свойства ЛШД определяются прежде всего характеристикой тягового усилия и способности управлять ЛШД.

При анализе тягового усилия необходимо иметь в виду, что зубцовые зоны статора и якоря обычно выполняются так, что ширина зубца и паза одинаковы и равны , что при отношении воздушного зазора к зубцовому делению дает практически синусоидальную зависимость магнитного сопротивления зазора от перемещения якоря х с постоянной составляющей R_>0> и амплитудой переменной составляющей R_>1>.

. (2)

Перемещение удобно измерять в единицах зубцового деления обозначив

. (3)

При допущении о линейности магнитной цепи и синусоидальности магнитных сопротивлений рабочих зазоров под полюсами

. (4)

где R_>0> и R_>1> – соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей магнитного сопротивления.

Тяговое усилие всего ЛШД определяется как

, (5)

где , (6)

тяговое усилие модулей А,

(7)

тяговое усилие модулей В,

R_>m> – внутреннее магнитное сопротивление постоянных магнитов,

F_>A> и F_>B> – соответственно М.Д.С. обмоток управления модулями А и В.

F_>m> – М.Д.С. постоянных магнитов.

Тяговое усилие ЛШД обратно пропорционально постоянной составляющей магнитного сопротивления воздушного зазора под полюсами электромагнитных модулей.

Уменьшить зазор меньше 10-15 мкм затруднительно по технологическим соображениям. С другой стороны тяговое усилие пропорционально глубине модуляции магнитного сопротивления зубчатой структурой полюсов, т.е. отношению . Отношение резко возрастает при уменьшении τ_>z>, типичная зависимость показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Модуляция зубчатой структурой магнитного сопротивления воздушного зазора.

Это обстоятельство наряду с технологическими сложностями изготовления зубчатых структур с малым зубцовым делением обусловлено тем фактом, что ЛШД изготавливается с τ_>z>=0,2-1мм при воздушном зазоре δ=10-20мкм.

При четырехкратной дискретной разнополярной коммутации обмоток модулей А и В, якорь перемещается с шагом равным τ_>z>/4, что в линейных размерах соответствует 0,05-0,25 мм. Для большинства прецизионных координатных систем такая дискретность недостаточна.

Снижение величины единичного шага добивается способами управления, использующими электрическое дробление основного шага ЛШД.

Если формировать МДС обмоток модулей по синусоидальному закону ; , то зависимость тягового синхронизирующего усилия представляется в виде:

. (8)

Характеристика синхронизирующего усилия имеет синусоидальную форму и в отсутствии внешней силы сопротивления по координате Х якорь ЛШД фиксируется в позиции установленной управляющими фазами токов .

Таким образом на протяжении зубцового деления можно иметь в пределе любое число статически устойчивых положений якоря, задаваемых текущим значением аргумента управляющих синус-косинусных токов фаз.

Обычно управляющие токи фаз ЛШД формируются с использованием цифровой техники при конечном сочетании уровней токов в фазах, что обеспечивает ряд дискретных позиций якоря в пределах зубцового деления. Синус-косинусные функции токов фаз получаются квантованными во времени.

Особенностью ЛШД на аэростатических опорах является отсутствие внешнего демпфирования нагрузки. Поэтому возникает проблема с остановом двигателя в заданной позиции.

Для ее решения устанавливается еще пара блоков работающих с противоположным тяговым усилием.

Современные координатные столы для МЭ могут быть охарактеризованы следующими параметрами:

При дискретности перемещения 10 мкм максимальная скорость перемещения достигает 500 мм/с при максимальном ускорении до 40 м/с². При дискретности перемещения 1 мкм максимальная скорость достигает 150 мм/c при наибольшем ускорении до 20 м/с².

Преимущества:

Отсутствие механических контактов.

Высокие точности позиционирования.

Высокое быстродействие.

Простота управления.

Отсутствие механических направляющих.

Недостатки:

Затруднительная унификация.

На воздушной подушке нельзя в вакуум.

Трудности с торможением.

ЛИТЕРАТУРА

1.Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.1. /Под ред. П.Н.Учаева. — 3-е изд. испр. — М.: Машиностроение

2.Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. —Кн.1. М.: Машиностроение

3. Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. — Кн.2. М.: Машиностроение

4.Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии:Учеб. пособие для вузов.— М.: Высш. шк.,