УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к основным элементам электрического оборудования, а именно к устройствам, специально предназначенным для манипулирования полупроводниковыми или электронными устройствами на твердом теле при их изготовлении или обработке, а также к устройствам, специально предназначенным для манипулирования полупроводниковыми пластинами при изготовлении или обработке полупроводниковых или электрических устройств на твердом теле или их компонентов для прецизионного перемещения и позиционирования.
Известно устройство для линейного перемещения (см. патент JP №2506356 по кл. МПК H01L 21/68, опуб. 12.06.1996 г.), состоящее из набора электромагнитов, магнитного элемента, являющегося кареткой и двигателя для поступательного линейного перемещения. Магнитный элемент выполнен с возможностью магнитной левитации с помощью собственного магнита и электромагнитов. Устройство предназначено для плавного перемещения печатных плат бесконтактным способом.
Однако в данном устройстве двигатель приводит в движение колесный передвижной механизм, не обеспечивающий плавного прецизионного движения. Применение электромагнитов требует дополнительных затрат электроэнергии и в случае перебоев с ее подачей не обеспечивает требуемой надежности устройства. Кроме того, устройства для линейного перемещения на основе электромагнитов требует применения специальных датчиков позиционирования для определения месторасположения каретки.
Известно устройство для линейного перемещения, (см. заявку JP №2005026329, по кл. МПК H01L 21/027, опуб. 27.01.2005 г.), которое состоит из четырех П-образных направляющих и каретки с двумя П-образными ползунками. Направляющие содержат набор постоянных магнитов обеих полярностей, расположенных в порядке, при котором за магнитом с S-полярностью следует магнит с N-полярностью. Ползунки содержат электромагниты и выполнены с возможностью бесконтактного перемещения по направляющим.
Известно также устройство для линейного перемещения (см. патент US №6037680, по кл. МПК H01L 21/027, опуб. 14.03.2000 г.), состоящее из двух направляющих и каретки. Две направляющие содержат набор электромагнитов. Каретка выполнена с двумя П-образными ползунками, каждый из которых снабжен двумя постоянными магнитами и обладает возможностью бесконтактного перемещения по направляющим.
Однако оба описанных выше устройства также, как и предыдущий аналог, выполнены с использованием электромагнитов и, следовательно, обладают аналогичными особенностями.
Известно устройство (см. заявку US №2012086287, по кл. МПК Н02К 41/02, опуб. 12.04.2012 г.), которое состоит из направляющей и арматуры, являющейся кареткой. Направляющая выполнена из магнитного материала в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом и снабжена набором постоянных магнитов как отрицательной, так и положительной полярности, расположенных вдоль направляющей с чередованием полярности. Арматура снабжена электромагнитами и выполнена с возможностью бесконтактного перемещения в полости направляющей.
Однако, несмотря на меньшую материалоемкость и более простую конструкцию по сравнению с вышеописанными аналогами, данное техническое решение также выполнено с использованием электромагнитов, которые требуют использования дополнительных источников питания, что, в свою очередь, снижает надежность устройства и его энергоэффективность.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство для линейного перемещения (№164855, по кл. МПК H01L 21/00, опуб. 20.09.2016 г.), содержащее снабженные магнитными элементами направляющую, выполненную в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, и каретку, которая содержит расположенную в полости направляющей арматуру, содержащее актуатор, соединенный с арматурой, выполненной в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, а каретка содержит площадку, соединенную с арматурой при помощи, по крайней мере, одного штифта; при этом направляющая и каретка выполнены из немагнитного материала, а магнитные элементы выполнены из постоянных магнитов и размещены на внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры так, что противолежащие магнитные элементы обращены друг к другу одноименными полюсами и выполнены из полимерного магнитного материала, штифт выполнен в форме двутавра, а актуатор является пьезоэлектрическим актуатором и разрез арматуры обращен к части направляющей, лежащей напротив разреза направляющей.
Недостатком такой конструкции устройства для линейного перемещения является недостаточная надежность и долговечность устройства при эксплуатации, вызванная переменными и нестабильными значениями величин магнитной индукции магнитных элементов при взаимном перемещении и, следовательно, переменными значениями сил магнитного взаимодействия - отталкивания, вызывающими случайный контакт магнитных слоев и их разрушение, приводящее к образованию твердых частиц загрязнений в зазоре между ними, снижению точности позиционирования  и последующему выходу устройства из строя.
Технической проблемой полезной модели является повышение надежности и долговечности устройства для линейного перемещения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении вероятности разрушения слоя магнитных элементов направляющей и каретки.
,
Указанная техническая проблема решается тем, что в устройстве для линейного перемещения, содержащем снабженные магнитными элементами направляющую, выполненную в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, и каретку, которая содержит расположенную в полости направляющей арматуру, пьезоэлектрический актуатор, соединенный с арматурой, выполненной в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, а каретка содержит площадку, соединенную с арматурой при помощи, по крайней мере, одного штифта, выполненного в форме двутавра, при этом направляющая и каретка выполнены из немагнитного материала, а магнитные элементы выполнены из полимерного магнитного материала и размещены на внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры так, что противолежащие магнитные элементы обращены друг к другу одноименными полюсами, разрез арматуры обращен к части направляющей, лежащей напротив разреза направляющей согласно полезной модели поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, а внутренняя поверхность направляющей и наружная поверхность арматуры имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, при этом большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения.
Так как внутренняя поверхность направляющей и наружная поверхность каретки имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения,  то при эксплуатации устройства для линейного перемещения величины магнитной индукции магнитных элементов при взаимном линейном перемещении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия - отталкивания - будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключит случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними, снижение точности позиционирования и последующий выход устройства для линейного  перемещения из строя, что повышает надежность и долговечность устройства для линейного перемещения, решая тем самым техническую проблему полезной модели.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью фиг. 1-5, на которых представлены:
на фиг. 1 - продольный разрез заявляемого устройства;
на фиг. 2 - поперечный разрез заявляемого устройства;
на фиг. 3 - результаты математического моделирования величины магнитной индукции В(Н) при выбранном эллиптическом сечении в поперечном направлении внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры;
на фиг. 4 - два кольцевых (трубчатых) магнита (в качестве объекта исследования) с эллиптическим осевым сечением с радиальной намагниченностью вдоль оси r и осью симметрии z;
на фиг. 5 - распределение во всей области исследования магнитного поля В устройства линейного перемещения.
На фиг. 1 и 2 позициями обозначены: 1 - каретка; 2 - направляющая; 3 - магнитный элемент, расположенный на внутренней поверхности направляющей; 4 - магнитный элемент, расположенный на внешней поверхности арматуры; 5 - актуатор; 6 - площадка; 7 - штифт; 8 - арматура; 9 - шток; 10 - упор.
Устройство для линейного перемещения состоит из каретки 1, направляющей 2, магнитных элементов 3 и 4 и актуатора 5. Каретка 1 состоит из соединенных между собой площадки 6, не менее одного штифта 7 и арматуры 8. Каретка 1 и направляющая 2 выполнены из немагнитного материала. Магнитный элемент 3 расположен на внутренней поверхности направляющей 2. Магнитный элемент 4 расположен на внешней поверхности арматуры 8. Актуатор 5 снабжен штоком 9, соединенным с арматурой 8 посредством упора 10.
Направляющая 2 представляет собой полое продольно вытянутое тело с продольным разрезом и в поперечном сечении имеет форму эллипса.
Арматура 8 также выполнена в виде полого продольно вытянутого тела с продольным разрезом и имеет поперечное сечение в форме эллипса, подобное поперечному сечению направляющей 2.
Арматура 8 размещена в полости направляющей 2 соосно вертикальной оси симметрии направляющей 2 в поперечном сечении и ориентирована частью, имеющей разрез, к части направляющей 2, лежащей напротив разреза направляющей 2.
Штифт 7, соединенный с магнитным элементом 4, размещен в области разреза направляющей 2 с зазором. Площадка 6, соединенная со штифтом 7, расположена за пределами направляющей 2 с возможностью размещения на ней обрабатываемой детали.
На внутренней поверхности направляющей 2 и наружной поверхности арматуры 8 размещены магнитные элементы 3 и 4, выполненные в виде постоянных магнитов, таким образом, что противолежащие магнитные элементы 3 и 4 обращены друг к другу одноименными полюсами для обеспечения эффекта магнитной левитации, позволяющего осуществлять бесконтактное перемещение арматуры 8 в полости направляющей 2.
Магнитные элементы 3 и 4 могут быть выполнены, например, из полимерного магнитного материала.
На поверхности магнитного материала магнитных элементов 3 и 4 нанесено антифрикционное покрытие на основе эластомеров.
Магнитные элементы 3 и 4, расположенные соответственно на внутренней поверхности направляющей 2 и наружной поверхности арматуры 8, имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны.
При этом большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения.
Наличие на поверхности магнитных элементов 3 и 4 антифрикционного покрытия  из эластомера предотвращает возможность разрушения слоя из магнитного материала. Так как антифрикционные покрытия представляют собой дисперсии твердых смазочных материалов, равномерно распределенных в смеси растворителей и связующих веществ, то помимо снижения трения при случайном контакте рабочих поверхностей магнитных элементов 3 и 4, они упрочняют поверхностный слой магнитного материала, гасят вибрации и тем самым предотвращают разрушение магнитного материала от вибрационной нагрузки. Это повышает точность позиционирования, надежность и долговечность работы устройства для линейного перемещения.
]
В качестве антифрикционных покрытий на основе антифрикционных эластомеров могут быть использованы, например, антифрикционные покрытия Molykote - Molykote 3400А; Molykote 3402С Leadfree; Molykote 7400; Molykote D-10-GBL; и др. толщиной 10-20 мкм [см., например, сайт http://atf.ru.
Поскольку внутренняя поверхность 3 направляющей 2 и магнитный слой 4 наружной поверхности арматуры 8 имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения, то при эксплуатации устройства для линейного перемещения величины магнитной индукции магнитных элементов при взаимном перемещении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия (отталкивания) будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключит случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу устройства для линейного  перемещения из строя.
Все это повышает надежность и долговечность устройства для линейного перемещения, решая тем самым задачу полезной модели.
На фиг. 3 приведены результаты математического моделирования величины магнитной индукции В(Н) при выбранном эллиптическом сечении в поперечном направлении внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры, при котором большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения.
Математическое моделирование проводилось для определения распределения магнитного поля на поверхности постоянных магнитов наружного и внутреннего колец бесконтактного магнитного подшипника и на некотором расстоянии от них. Для аналитического расчета использовались программы Elcut 6.4. Гармонический анализ распределений индукции и обработка результатов моделирования производились в среде Origin 7.0.
Укажем, что механические силы, испытываемые магнетиками в магнитном поле, должны сводиться к силам, испытываемым молекулярными токами. Поэтому плотность пондемоторных сил, то есть сил, действующих на единицу объема магнетика, будет равна сумме сил, действующих на отдельные молекулы, находящиеся в единице объема.
При построении аналитических решений для распределения магнитных полей вводились следующие допущения: задача решалась как осесимметричная модель, величина магнитного момента радиально намагниченных магнитов считалась постоянной.
В качестве объекта исследования были рассмотрены два кольцевых (трубчатых) магнита, с эллиптическим осевым сечением с радиальной намагниченностью вдоль оси r и осью симметрии z (фиг. 4).
Исследуемый образец изготовлен из нелинейного материала NdFeB, следовательно, необходимо ввести не менее 5 точек из кривой В(Н) материала NdFeB НмБ 380/100 для получения достоверного  результата распределения поля в материале. Для этого воспользуемся данными стандарта ГОСТ Р 52956-2008. Поскольку программа Elcut интерполирует между выбранными точками кривой В(Н), применяя кубические сплайны, то введение меньшего количества точек приведет к линейности кривой В(Н), так как на кривой имеются области с резкими изменениями ее формы.
Наиболее распространенными границами магнитных полей являются границы, к которым магнитный поток параллелен (то есть, условие Дирихле), и границы, к которым поток перпендикулярен (условия Неймана); поэтому при расчетах принималось, что векторный магнитный потенциал постоянен и равен нулю.
Распределение во всей области исследования магнитного поля В представлено на фиг. 5. Результаты расчета магнитной индукции В в геометрическом центре эллиптического сечения магнитных элементов и на нескольких расстояниях от него представлены на фиг. 3.
По мере удаления от поверхности магнитных элементов 3 и 4 магнитная индукция падает и изменяется форма кривой. Исходя из формы кривых, можно выявить наиболее однородные участки, что позволит говорить о равномерности распределения поля в заданной области над поверхностью магнитных элементов 3 и 4.
Результат моделирования показал равномерность и симметричность величин магнитной индукции и, как следствие из этого - постоянство сил магнитного взаимодействия (отталкивания) в осевом и радиальном направлении для линейно перемещающихся направляющей и арматуры; что позволяет сделать вывод о правомерности использования предложенного типа конструкции для удовлетворения требований по точности позиционирования, надежности и долговечности устройства для линейного перемещения.
Для обеспечения требуемой жесткости устройства штифт 7 имеет в поперечном сечении форму, обладающую наибольшим моментом сопротивления при продольном перемещении каретки 1, например, двутавра.
Дополнительно отметим, что заявляемое устройство для линейного перемещения обладает высокой несущей способностью, которая в радиальных направлениях в первом приближении составляет 60-100 кг/мм в зависимости от конструктивных величин используемых магнитных элементов. Последние, в свою очередь, при заявляемом расположении в качестве магнитного подвеса обеспечивают высокую точность позиционирования и отсутствие вибраций.
Устройство для линейного перемещения  работает следующим образом.
На площадке 6 размещают требуемую деталь или специализированный инструментарий для электронного машиностроения. Посредством актуатора 5 задают требуемое линейное перемещение каретки 1 по направляющей 2. Соединение актуатора 5 с арматурой 8 каретки 1 посредством штока 9 и упора 10 передает линейное перемещение арматуре 8, подвешенной в магнитном поле, создаваемом магнитными элементами 3 и 4 в полости направляющей 2. При этом штифт 7, соединенный с арматурой 8, движется в области разреза направляющей 2, обеспечивая, таким образом, линейное перемещение площадки 6. Точное перемещение каретки 1 по направляющей 2 обеспечивается с помощью бесконтактного линейного движения арматуры 8 в полости направляющей 2, причем бесконтактность перемещения обеспечивают магнитные элементы 3 и 4, обращенные друг к другу одноименными полюсами,  имеющие эллиптическое сечение в поперечном направлении внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры, при котором большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения; что и позволяет арматуре 8 за счет сил магнитного отталкивания быть “подвешенной” в полости направляющей 2 с зазором.
В качестве полимерного материала, из которого изготовлены магнитные элементы 3 и 4, может быть использован материал МП75 на основе сплава NdFeB марки N45. Укажем, что одним из главных достоинств неодимовых магнитов является их сила удержания. Например, цилиндрический магнит размерами D=25 мм и h=5 мм может удержать вес Р≈100 Н. Следующим, не менее важным свойством неодимовых магнитов, является срок их службы - по имеющимся оценкам  неодимовые магниты теряют не более 1-5% своей намагниченности в течении 100 лет эксплуатации. Для сравнения, ферритовые магниты из-за потери намагниченности имеют срок службы не более 10 лет. Кроме того, неодимовым магнитам можно придать практически любую форму, а также сделать их «мультиполярными», то есть имеющими несколько полюсов на поверхности.
Штифт 7, выполненный с поперечным сечением, обладающим наибольшим моментом сопротивления внешнему изгибающему моменту, например, в виде горизонтально расположенного двутавра, позволяет снизить величину прогиба и износа штифта 7, что дополнительно увеличивает срок службы и несущую способность заявляемого устройства для линейного перемещения.
Повышение точности позиционирования площадки 6 может быть достигнуто благодаря использованию в качестве актуатора 5 пьезоэлектрического актуатора. Составляющая на сегодняшний день точность позиционирования прецизионных линейных приводов пьезоэлектрических актуаторов достигает величины 0,01-0,001 нм. Беспрецедентная точность позиционирования пьезоэлектрических актуаторов полностью может быть реализована только в конструкции бесконтактного магнитного подвеса. Кроме того, они надежны, долговечны, обладают отличным быстродействием, развивают высокие ускорения и сочетают большое развиваемое усилие с компактностью. Очень важно и то, что пьезоэлектрические актуаторы не имеют вращающихся и скользящих частей, не требуют смазки и обслуживания, способны работать при низких температурах и в вакууме (http://www.aktuator.ru).
Кроме того, для значительных перемещений по величине в устройстве для линейного перемещения дополнительно также может быть использована, например, винтовая пара (на фиг. 1 не показана).
Таким образом, предлагаемое устройство для линейного перемещения обладает низким энергопотреблением, увеличенной несущей способностью и жесткостью в радиальных направлениях при сохранении точности позиционирования. Кроме того, заявляемое устройство обладает высокими показателями надежности и долговечности, а также обладает увеличенным сроком эксплуатации.