УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

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 из патента JP №2506356, 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, описанное в патентной заявке JP №2005026329, 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 из патента US №6037680, 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.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство, известное из патентной заявки US №2012086287, 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.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для линейного перемещения с низким уровнем энергопотребления с повышенной надежностью конструкции.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство для линейного перемещения, содержащее снабженные магнитными элементами направляющую, выполненную в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, и каретку, которая содержит расположенную в полости направляющей арматуру, содержит 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.
Кроме того, заявляется устройство для линейного перемещения, в котором наряду с вышеназванными признаками магнитные элементы выполнены из полимерного магнитного материала.
Кроме того, заявляется также устройство для линейного перемещения, в котором наряду с вышеназванными признаками штифт выполнен в форме двутавра.
Кроме того, заявляется также устройство для линейного перемещения, в котором наряду с вышеназванными признаками актуатор является пьезоэлектрическим актуатором.
Кроме того, заявляется также устройство для линейного перемещения, в котором наряду с вышеназванными признаками разрез арматуры обращен к части направляющей, лежащей напротив разреза направляющей.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении затрачиваемой энергии для поддержания функциональности устройства, благодаря использованию постоянных магнитов. Кроме того, такое технические решение совместно с предлагаемой конструкцией деталей каретки обеспечивает высокую надежность и долговечность устройства. Отсутствие необходимости использования дополнительных источников энергии, как в случае с электромагнитами, снижает себестоимость устройства и упрощает его конструкцию.
Кроме того, заявляемое устройство обладает высокой несущей способностью, которая в радиальных направлениях в первом приближении составляет 60-100 кг/мм в зависимости от конструктивной толщины используемых магнитных элементов. Последние, в свою очередь, при заявляемом расположении в качестве магнитного подвеса обеспечивают высокую точность позиционирования и отсутствие вибраций.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью фиг. 1-2, на которых изображены:
на фиг. 1- продольный разрез заявляемого устройства;
на фиг. 2 - поперечный разрез заявляемого устройства.
На фиг. 1-2 позициями 1-10 обозначены:
1 - каретка;
2 - направляющая;
3 - магнитный элемент, расположенный на внутренней поверхности направляющей;
4 - магнитный элемент, расположенный на внешней поверхности арматуры;
5 - акутатор;
6 - площадка;
7 - штифт;
8 - арматура;
9 - шток;
10 - упор.
Устройство для линейного перемещения состоит из каретки 1, направляющей 2, магнитных элементов 3, 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 может иметь поперечное сечение, например, С, U или П вида, с вертикальной осью симметрии в поперечном сечении.
Арматура 8 также выполнена в виде полого продольно вытянутого тела с продольным разрезом и имеет поперечное сечение, 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 арматурой 8, размещен в области разреза направляющей 2 с зазором. Площадка 6, соединенная со штифтом 7, расположена за пределами направляющей 2 с возможность размещения на ней обрабатываемой детали.
На внутренней поверхности направляющей 2 и наружной поверхности арматуры 8 размещены магнитные элементы 3, 4, выполненные в виде постоянных магнитов, таким образом, чтобы противолежащие магнитные элементы 3, 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, 4 могут быть выполнены, например, из полимерного магнитного материала.
Для обеспечения требуемой жесткости устройства штифт 7 имеет в поперечном сечении форму, обладающую наибольшим моментом сопротивления при продольном перемещении каретки 1, например, двутавра.
Устройство работает следующим образом.
На площадке 6 размещают требуемую деталь или специализированный инструментарий. 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, 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, что и позволяет арматуре 8 за счет сил магнитного отталкивания подвешиваться в полости направляющей 2 с зазором.
В качестве полимерного материала, из которого изготовлены магнитные элементы 3, 4, может быть использован материал МП75 на основе сплава неодим-железо-бор марки N45. 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: неодимовые магниты теряют всего порядка 1-5% своей намагниченности в течение 100 лет. Для сравнения, ферритовые магниты служат не более 10 лет. Кроме того, неодимовым магнитам можно придать практически любую форму, а также сделать их "мультиполярными", т.е. 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 смазывания и обслуживания, способны работать при низких температурах и в вакууме (http://www.aktuator.ru).
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, обладает увеличенным сроком эксплуатации.