CN101214617A - 动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台 - Google Patents
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Abstract
动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，主要应用于制造设备与机器人领域。该工作台包括基台和移动台，所述基台顶部设置有平面永磁阵列，所述移动台由平台和设置于平台底部的移动电磁结构组成，所述移动电磁结构由四个以上线圈阵列组成，所述每个线圈阵列由多个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与永磁阵列排列方向成45°角布置，各相邻线圈阵列方向互成90°角布置。由于所述移动台的移动范围不受移动台尺寸的限制，使得移动台可以在平面尺寸远大于移动台平面尺寸的基台上移动，从而大大增加了移动台的相对行程(远大于1)，实现移动台的大范围平移，同时各通电线圈在磁场中只受到X，Z或Y，Z方向的作用力。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁浮六自由度工作台，特别是一种动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，主要应用于制造设备与机器人领域。
背景技术
多自由度工作台(如传统XY工作台)是一种用于实现制造设备及机器人中工件与刀具之间、基础件和末端件之间以及多个工件之间的平面相对运动的机电部件。传统的多自由度工作台由两套或多套直线驱动单元垂直叠加而成，每套直线驱动单元由一台旋转电动机、一套直线运动转换机构和一套直线导轨组成，或者由一台直线电机和一套直线导轨组成。位于底层的直线驱动单元不仅承担末端承件台的驱动，而且还承载着顶层直线驱动单元的质量，于是造成了多自由度工作台在多个方向上(如传统XY工作台的X方向和Y方向)运动惯量的严重不均衡，从而影响了运动行程、响应速度、运动精度等性能指标的提高。在这种背景下，具有多个电磁力直接驱动特点的多自由度工作台则应运而生，它避开了传统多自由度工作台叠层驱动的思路，为多自由度工作台性能指标的进一步增强开辟了崭新的途径。
根据多自由度工作台非运动自由度的约束方式和涉及的技术领域，可将直接驱动多自由度工作台划分为气浮多自由度工作台和磁浮多自由度工作台，它们分别采用气浮和磁浮方式实现对非运动自由度(如偏摆、纵顷和横顷)的约束。相比于气浮方式，磁浮方式具有结构简单、基座表面无需精密加工、可实现非运动自由度的主动约束、易在真空环境中应用等优点。
目前，由于受到电磁结构形式及运行原理的限制，磁浮多自由度工作台的移动范围特别是相对移动范围偏小，而且一般只有三个自由度，譬如，Kim等提出的磁浮XY工作台中，只有X，Y和绕Z轴的转动三个自由度，移动台的边长为321mm×321mm，而沿X向和Y向的行程却只有50mm(见Kim1997年完成的博士论文《High-precision planar magnetic levitation》和发表于1998年第34卷第6期的论文《Modeling and vector control of planar magnetic levitator》)，不到移动台边长的20％。如图1(a)所示，X电枢绕组CX1和CX2、Y向电枢绕组CY1和CY2分置于平面的四个区域并与基台相连，中心线1-1’和2-2’为所述四个区域的分界线，图中MX1和MX2为X相直线永磁阵列，MY1和MY2为Y相直线永磁阵列。图1(b)和图1(c)表示了移动台运动到Y方向最上边和最下边时的情形，此时，永磁阵列Mx1和Mx2的下边界和上边界分别与中心线2-2’重合，于是，移动台在Y方向上的运动行程小于或等于永磁阵列边界之间的距离d≈50mm，同样X方向行程也受到上述原理的限制，移动范围也不到移动台边长的20％。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现大范围移动的磁浮六自由度工作台。
本发明的技术方案如下：
一种动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，包括基台和移动台，其特征在于：所述基台顶部设置有平面永磁阵列，该平面永磁阵列由一系列永磁体在底座上排列成Halbach阵列；所述移动台由平台和设置于平台底部的移动电磁结构组成，所述的移动电磁结构由至少四个线圈阵列组成，所述每个线圈阵列由一个或多个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与平面永磁阵列排列方向成45°角布置，各相邻线圈阵列方向互成90°角布置。
本发明所述移动电磁结构优选由四个线圈阵列组成，每个线圈阵列由五个矩形无铁芯线圈线性排列而成。
本发明的技术特征还在于：所述矩形无铁芯线圈的长度大于Halbach阵列的极距的四倍，其宽度为Halbach阵列极距的0.8～1倍。
本发明所述的动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台具有以下优点及突出性效果：可以实现移动台的六自由度运动；同时，由于所述移动台的移动范围不受移动台尺寸的限制，使得移动台可以在平面尺寸远大于移动台平面尺寸的基台上移动，从而大大增加了移动台的相对行程(远大于1)，实现移动台的大范围平移。
附图说明
图1是一种磁浮XY工作台移动范围分析原理图。
图2是本发明所述磁浮六自由度工作台具体实施例的三维视图。
图3是本发明所述磁浮六自由度工作台的侧面视图。
图4是本发明所述基台的Halbach型永磁阵列排列结构图。
图5本发明所述永磁阵列气隙磁感应强度竖直分量关于XY坐标的变化关系示意图。
图6是本发明所述移动电磁结构的三维视图。
图7是本发明所述移动电磁结构的受力情况。
图中：1-基台；2-移动台；3-平面永磁阵列；4-平面永磁阵列；5-长方体大永磁体；6-长方体小永磁体；7-平台；8-移动电磁结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。
本发明提供的动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，包括基台1和移动台2，在基台顶部设置有平面永磁阵列3，该平面永磁阵列由一系列永磁体在底座上排列成Halbach阵列；所述移动台2由平台7和设置于平台底部的移动电磁结构8组成，所述的移动电磁结构由至少四个线圈阵列组成，所述每个线圈阵列由一个或多个矩形无铁芯线圈线性排列而成。
图2是本发明所述磁浮六自由度工作台具体实施例的三维视图，由图可知本发明所述磁浮六自由度工作台由基台1和移动台2组成。其中，移动台2由平台(图中未画出)和设置于平台底部的移动电磁结构组成，如图2所示，移动电磁结构采用四个线圈阵列，各相邻线圈阵列方向互成90°角布置，每个线圈阵列由5个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与永磁阵列排列方向成45°角布置。工作时，基台1和移动台2之间有磁浮气隙，如图3所示。如图4所示，基台1由底座4和设置于底座4上的平面永磁阵列3组成，平面永磁阵列3由一系列长方体大永磁体5和长方体小永磁体6按图4所示规律在底座4上排列成Halbach阵列，阵列方向在XY平面上与线圈排列方向(图中为X轴或Y轴方向)成45°角，图4中长方体大永磁体5(长、宽、高分别为2a、a、a，a为一个短边的长度)沿竖直方向(即2a的方向)被磁化，产生N极和S极，标注在永磁上表面的N和S表示该永磁体位于上部的磁极名称，长方体小永磁体6(长、宽、高分别为a、0.5a、2a，a为永磁体5一个短边的边长)沿0.5a的边长方向上磁化，磁化方向(宽的方向)如永磁铁表面箭头所示(箭头由永磁体S极指向永磁体N极)。若干永磁体如图4按一定规律排列，使得永磁体的磁化方向交错排列。平面永磁阵列3在基台1和移动台2之间的气隙中或接触面上产生气隙磁场。图5是图4所示平面永磁阵列的气隙磁感应强度竖直分量Bz关于XY坐标的变化关系示意图。图4中同一列中两相邻相同永磁体的相同侧面间的距离τ为极距，它也是图5中平面永磁阵列的气隙磁感应强度两相邻峰值之间的距离。
所述移动台2由平台7和置于平台7底面的移动电磁结构8组成，如图6所示。所述移动电磁结构8由至少四个线圈阵列组成，所述每个线圈阵列由一个或一个以上相同的矩形无铁芯线圈线性排列而成；其优化结构是采用四个线圈阵列，每个线圈阵列由相同的五个矩形无铁芯线圈线性排列而成。矩形无铁芯线圈的长度大于Halbach阵列的极距的四倍，宽度为Halbach阵列极距的0.8～1倍。一般矩形线圈的长约为7a，宽约1.4a，线圈厚度约为0.4a(a为永磁体5一个短边的边长)，线圈排列方向与永磁阵列排列方向成45°角(或沿X轴方向或沿Y轴方向)布置，各相邻线圈阵列方向互成90°角布置。
每个线圈通电后在永磁阵列产生的气隙磁场中受洛仑兹力作用，其所受洛仑兹力可以分解为三个互相垂直的分力，即沿竖直方向的悬浮力Fz，在XY平面内沿线圈长边方向的力F1和在XY平面内垂直于线圈长边方向的力F2，经过分析计算和仿真发现，在移动台沿X方向或沿Y方向运动时Fz和F2在约1.414τ的行程内按正弦规律变化，峰值大小约为2N，F1大小约为0.00001N-0.0001N，约等于0，且远远小于Fz和F2故忽略不计。这样通过适当的控制策略控制各个线圈的电流可以实现移动台的六自由度运动。
图7表示了移动台具有4个线圈阵列驱动时的受力情况，4个线圈阵列分别称为第一线圈阵列、第二线圈阵列、第三线圈阵列和第四线圈阵列，它们底面的中心分别为O1、O2、O3和O4。图中ABCD为移动台2的底面，abcd为ABCD在基台顶面上的投影。第i个(i＝1，2，3，4)线圈阵列的3个方向分量F′xi、F′yi和F′zi作用于该电枢单元底面的中心O′i，于是在上述力分量的作用下，移动台实现沿x、y方向的运动和沿z方向的悬浮。
Claims (3)
1.一种动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，包括基台和移动台，其特征在于：所述基台顶部设置有平面永磁阵列，该平面永磁阵列由一系列永磁体在底座上排列成Halbach阵列；所述移动台由平台和设置于平台底部的移动电磁结构组成，所述的移动电磁结构由至少四个线圈阵列组成，所述每个线圈阵列由一个或多个矩形无铁芯线圈线性排列而成，线圈排列方向与平面永磁阵列排列方向成45°角布置，各相邻线圈阵列方向互成90°角布置。
2.按照权利要求1所述的动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，其特征在于：所述移动电磁结构由四个线圈阵列组成，每个线圈阵列由五个矩形无铁芯线圈线性排列而成。
3.按照权利要求1所述的动圈式大范围移动磁浮六自由度工作台，其特征在于：所述矩形无铁芯线圈的长度大于Halbach阵列的极距的四倍，宽度为Halbach阵列极距的0.8～1倍。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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