[發(fā)明專利]一種適用于真空環(huán)境條件下主動控制的氣體靜壓電主軸

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• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN114251363A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于普良;羅強(qiáng);胡回;夏巨興;姜慶
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢科技大學(xué)
• 主分類號: F16C32/06
• 分類號: F16C32/06;F16F15/03;B23Q1/70;B23B19/02
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本發(fā)明專利公開一種適用于真空環(huán)境下主動控制的氣體靜壓電主軸，包括軸套、軸頸、止推板、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、圓光柵編碼器、電磁執(zhí)行器、位移傳感器、負(fù)載平臺、控制器、真空室和真空發(fā)生器。其中，上下止推板與主軸呈工字型布局；軸套兩端分別設(shè)計(jì)上真空室和下真空室。控制器根據(jù)圓光柵的位移信號控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，對軸頸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位移補(bǔ)償；軸套上安裝兩組徑向/軸向電磁執(zhí)行器和傳感器；控制器根據(jù)徑向和軸向位移傳感器的位移信號控制電磁執(zhí)行器，對軸頸的軸向進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明是一種安全可靠，適用于真空環(huán)境條件下可主動控制的氣體靜壓電主軸，解決了氣體靜壓電主軸系統(tǒng)氣體泄漏導(dǎo)致的真空環(huán)境污染問題，實(shí)現(xiàn)了氣體靜壓電主軸的高精度和高穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高速電主軸領(lǐng)域，更具體地，涉及是一種適用于真空環(huán)境條件下主動控制的氣體靜壓電主軸。

背景技術(shù)

氣體靜壓電主軸因具有速度高、無摩擦、精度高、穩(wěn)定性好、無磨損、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電子制造裝備、超精密數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體檢測等超精密制造和檢測領(lǐng)域。隨著微電子制造技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是極紫外曝光、電子束曝光、薄膜測厚和硅片表面納米顆粒檢測等制造技術(shù)的發(fā)展，不僅要求制造裝備具有納米級的運(yùn)動定位精度，而且對其工作環(huán)境的真空度或潔凈度都提出了極高的要求。然而，真空環(huán)境中氣體靜壓主軸性能變化顯著，傳統(tǒng)的大氣常規(guī)環(huán)境下氣體靜壓主軸的動力學(xué)性能和氣體泄漏無法滿足真空環(huán)境下納米級運(yùn)動定位的需求。因此，在設(shè)計(jì)真空環(huán)境中的氣體靜壓電主軸的過程中，不僅需要考慮影響氣體靜壓主軸納米級定位精度的微振動問題，而且需要充分關(guān)注氣體靜壓主軸的潤滑氣體的排放和真空環(huán)境污染問題。針對以上問題，提出一種適用于真空環(huán)境條件下主動控制的氣體靜壓電主軸新構(gòu)型，不僅可以避免氣體排放導(dǎo)致的真空環(huán)境污染問題，而且可以達(dá)到主動抑制微振動的目的，實(shí)現(xiàn)氣體靜壓電主軸的納米級定位。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)上不足和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種適用于真空環(huán)境條件下主動控制的氣體靜壓電主軸新構(gòu)型，該氣體靜壓電主軸設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡便，既可以克服氣體排放導(dǎo)致的真空環(huán)境污染問題，又能解決微振動的主動抑制問題并實(shí)現(xiàn)納米級定位精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

一種適用于真空環(huán)境下主動控制的氣體靜壓電主軸，包括軸套、軸頸、止推板、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、圓光柵編碼器、電磁執(zhí)行器、位移傳感器、控制器、真空室和真空發(fā)生器，軸頸為階梯軸，軸頸同軸安裝在軸套內(nèi)，軸頸上同軸安裝一上止推板和一下止推板，通過螺栓連接，其特征在于：軸頸與軸套之間具有微小間隙，止推板與軸套之間也具有微小間隙。

所述的上下真空室結(jié)構(gòu)分別同軸安裝在軸套的兩端，均通過螺栓連接，上真空室結(jié)構(gòu)與軸頸具有微小間隙，真空室的抽氣口通過氣管與外界的真空發(fā)生器連接，實(shí)現(xiàn)真空室的高度真空。

所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)動子和定子分別同軸安裝于下止推板和軸套的底端，均通過螺栓連接。

所述的圓光柵包括光柵尺和編碼器，光柵尺同軸安裝于上止推板，編碼器安裝于軸套上，緊鄰光柵尺。圓光柵用于檢測軸頸的旋轉(zhuǎn)位移信號，并將檢測的旋轉(zhuǎn)位移信號傳遞給控制器，以使控制器控制電磁執(zhí)行器施加作用力在軸頸上，從而實(shí)現(xiàn)對軸頸位置反饋補(bǔ)償。

所述的兩組徑向電磁執(zhí)行器分別安裝在軸套上，每組的三個徑向傳感器分別位于等邊三角形的三個頂點(diǎn)，徑向電磁執(zhí)行器均與所述控制器連接。

所述的兩組軸向電磁執(zhí)行器分別安裝在軸套的兩端，每組的三個軸向傳感器分別位于等邊三角形的三個頂點(diǎn)，軸向電磁執(zhí)行器均與所述控制器連接。

所述的兩組徑向位移傳感器對稱安裝在軸套的兩端，每組的三個位移傳感器分別位于等邊三角形的三個頂點(diǎn)；徑向位移傳感器均與所述控制器連接；徑向位移傳感器分別用于檢測軸頸徑向微振動位移信號，并將檢測的微振動位移信號傳遞給控制器，控制器采用先進(jìn)控制方法控制電磁執(zhí)行器施加作用力在軸頸上，從而對軸頸進(jìn)行位置補(bǔ)償以減小負(fù)載平臺的徑向微振動。