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 д.

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 д 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 д 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 д, должно быть обеспечено условие «всплывания» каретки над плоскостью статора т. е. д>0, F_а>F_M. Типичный характер зависимостей F_M(д) и F_a(д) из образцов координатной системы для технологических установок микроэлектроники с ЛШД показан на рисунке 2.

Взаимодействие сил притяжения F_M и аэростатических сил F_a.

Рисунок 2 — Взаимодействие сил притяжения F_M и аэростатических сил F_a.

Величина зазора фиксируется на уровне д₀ при F₀. Тогда равновесие удовлетворяет условию статического равновесия

. (1)

В серийно-выпускаемых двухкоординатных системах сЛШД обеспечивается зазор д=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,

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 ф_z, 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 ф_z=0,2−1мм при воздушном зазоре д=10−20мкм.

При четырехкратной дискретной разнополярной коммутации обмоток модулей, А и В, якорь перемещается с шагом равным ф_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:

. (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:

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.