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 Fa магнитной силой притяжения FM. 

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

Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa.



Рисунок 2 - Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa.



Величина зазора фиксируется на уровне δ0 при F0. 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 R0 и амплитудой переменной составляющей R1.

                          .                                      (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 R0 и R1 – 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,

Rm – внутреннее магнитное сопротивление постоянных магнитов,

FA и FB – соответственно М.Д.С. обмоток управления модулями А и В.

Fm – 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 τz, 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 τz=0,2-1мм при воздушном зазоре δ=10-20мкм.

При четырехкратной дискретной разнополярной коммутации обмоток модулей А и В, якорь перемещается с шагом равным τz/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.,