Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями

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 36.4.

Рисунок 5.11.

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 36.5а. 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.

б) координатный стол с разделенной нарезкой статора.в) координатный стол с совмещенной нарезкой статора.

В варианте с разделенной нарезкой статора по координатным осям (рисунок 36.5б) 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 36.5в) 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.

Рисунок 5.12 - Координатные столы с ЛШД:а) конструктивная схема

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 36.6.

Взаимодействие сил притяжения F_M и аэростатических сил F_a.

Рисунок 5.13 - Взаимодействие сил притяжения F_M и аэростатических сил F_a.

Величина зазора фиксируется на уровне δ₀ при F₀. Тогда равновесие удовлетворяет условию статического равновесия

. (5.4)

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 R₀ и амплитудой переменной составляющей R₁.

. (5.5)

Перемещение удобно измерять в единицах зубцового деления обозначив

. (5.6)

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

. (5.7)

где R₀ и R₁ – соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей магнитного сопротивления.

Тяговое усилие всего ЛШД определяется как

, (5.8)

где , (5.9)

тяговое усилие модулей А,

(5.10)

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 36.7.

Рисунок 5.14 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:

. (5.11)

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:

1. Отсутствие механических контактов.

2. Высокие точности позиционирования.

3. Высокое быстродействие.

4. Простота управления.

5. Отсутствие механических направляющих.

Недостатки:

1. Затруднительная унификация.

2. На воздушной подушке нельзя в вакуум.

3. Трудности с торможением.