[发明专利]一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴

说明书

本发明专利公开一种适用于真空环境下主动控制的气体静压电主轴，包括轴套、轴颈、止推板、旋转电机、圆光栅编码器、电磁执行器、位移传感器、负载平台、控制器、真空室和真空发生器。其中，上下止推板与主轴呈工字型布局；轴套两端分别设计上真空室和下真空室。控制器根据圆光栅的位移信号控制旋转电机，对轴颈进行旋转位移补偿；轴套上安装两组径向/轴向电磁执行器和传感器；控制器根据径向和轴向位移传感器的位移信号控制电磁执行器，对轴颈的轴向进行补偿。本发明是一种安全可靠，适用于真空环境条件下可主动控制的气体静压电主轴，解决了气体静压电主轴系统气体泄漏导致的真空环境污染问题，实现了气体静压电主轴的高精度和高稳定性。

技术领域

本发明涉及高速电主轴领域，更具体地，涉及是一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴。

背景技术

气体静压电主轴因具有速度高、无摩擦、精度高、稳定性好、无磨损、寿命长等优点，广泛应用于微电子制造装备、超精密数控机床、半导体检测等超精密制造和检测领域。随着微电子制造技术的飞速发展，尤其是极紫外曝光、电子束曝光、薄膜测厚和硅片表面纳米颗粒检测等制造技术的发展，不仅要求制造装备具有纳米级的运动定位精度，而且对其工作环境的真空度或洁净度都提出了极高的要求。然而，真空环境中气体静压主轴性能变化显著，传统的大气常规环境下气体静压主轴的动力学性能和气体泄漏无法满足真空环境下纳米级运动定位的需求。因此，在设计真空环境中的气体静压电主轴的过程中，不仅需要考虑影响气体静压主轴纳米级定位精度的微振动问题，而且需要充分关注气体静压主轴的润滑气体的排放和真空环境污染问题。针对以上问题，提出一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴新构型，不仅可以避免气体排放导致的真空环境污染问题，而且可以达到主动抑制微振动的目的，实现气体静压电主轴的纳米级定位。

发明内容

针对现有技术上不足和改进需求，本发明提供了一种适用于真空环境条件下主动控制的气体静压电主轴新构型，该气体静压电主轴设计合理、结构紧凑、安装简便，既可以克服气体排放导致的真空环境污染问题，又能解决微振动的主动抑制问题并实现纳米级定位精度。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术手段实现的：

一种适用于真空环境下主动控制的气体静压电主轴，包括轴套、轴颈、止推板、旋转电机、圆光栅编码器、电磁执行器、位移传感器、控制器、真空室和真空发生器，轴颈为阶梯轴，轴颈同轴安装在轴套内，轴颈上同轴安装一上止推板和一下止推板，通过螺栓连接，其特征在于：轴颈与轴套之间具有微小间隙，止推板与轴套之间也具有微小间隙。

所述的上下真空室结构分别同轴安装在轴套的两端，均通过螺栓连接，上真空室结构与轴颈具有微小间隙，真空室的抽气口通过气管与外界的真空发生器连接，实现真空室的高度真空。

所述的旋转电机动子和定子分别同轴安装于下止推板和轴套的底端，均通过螺栓连接。

所述的圆光栅包括光栅尺和编码器，光栅尺同轴安装于上止推板，编码器安装于轴套上，紧邻光栅尺。圆光栅用于检测轴颈的旋转位移信号，并将检测的旋转位移信号传递给控制器，以使控制器控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而实现对轴颈位置反馈补偿。

所述的两组径向电磁执行器分别安装在轴套上，每组的三个径向传感器分别位于等边三角形的三个顶点，径向电磁执行器均与所述控制器连接。

所述的两组轴向电磁执行器分别安装在轴套的两端，每组的三个轴向传感器分别位于等边三角形的三个顶点，轴向电磁执行器均与所述控制器连接。

所述的两组径向位移传感器对称安装在轴套的两端，每组的三个位移传感器分别位于等边三角形的三个顶点；径向位移传感器均与所述控制器连接；径向位移传感器分别用于检测轴颈径向微振动位移信号，并将检测的微振动位移信号传递给控制器，控制器采用先进控制方法控制电磁执行器施加作用力在轴颈上，从而对轴颈进行位置补偿以减小负载平台的径向微振动。