CN102744723B - 一种变自由度磁悬浮运动副装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变自由度磁悬浮运动副装置，该装置由五个转动单元、转动轴、上支撑架、十字架、下支撑架组成。转动轴和十字架上均装有轴向电磁感应器和边端电磁感应器，可与转动单元上的电磁感应器相作用形成电磁力。通过调节转动单元与转动轴、十字架之间的电磁力使运动零部件保持悬浮，通过调节它们的相对位置与电磁力的大小实现变自由度。同现有技术相比，本发明的优点是：可自动调节至0～3中的任意一个自由度，结构简单紧凑；可实现零摩擦，精度高；工作空间大，运动灵活；便于控制，响应速度快，适合于高速或精密运动场合。

Description

一种变自由度磁悬浮运动副装置

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，特别地涉及一种变自由度磁悬浮运动副装置。

背景技术

运动副是机械运动中最基本、最重要的内容之一。运动副装置在机器人、并联机床、微调机构等领域均有着广泛的应用。运动副装置的精度直接制约影响了机械装置的性能，因此提高运动副装置的精度具有至关重要的意义。某些条件下要求运动副装置的自由度是可变的，这对运动副装置提出了更高的要求。

目前各自由度的运动副一般采用各种类型的轴承连接。普通类型的轴承一般都存在摩擦，尽管润滑油能在一定程度上改善摩擦，但并不能消除摩擦。普通轴承构成的运动副在中低速场合可稳定运转，但高速超高速运动时由于存在一定的摩擦力，因而很难得到应用；同样在高精密运动中，摩擦力的存在使得普通运动副装置不能灵活运动，甚至存在“卡死”现象。为了实现无摩擦运动，目前已提出了一些解决方案，如中国专利文献CN101537625A公开了一种磁悬浮球形主动关节，其原理是通过调节球形结构的定子与转子之间的磁悬浮力实现S副的无摩擦运动，但因其结构原因使得工作空间有限，应用场合受到了一些限制。

目前机构的运动形式和驱动方式不断变化，但自由度一般是固定的。某些场合要求运动副装置具有变自由度，比如为了安装方便，在安装时要求运动副装置具有三个自由度，当安装完成后要求运动副装置只需具有两个自由度即可，这时就要约束一个自由度。为了实现变自由度，中国专利文献CN102179807A公开了一种变自由度并联机构，它通过可变构型的虎克铰实现变自由度，但其自由度需要手动调节，且存在摩擦等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种通过控制系统可自动调节自由度数目、无摩擦、工作空间大、响应速度快，且结构紧凑、体积小的变自由度磁悬浮运动副装置解决方案。

本发明的技术方案为：

一种变自由度磁悬浮运动副装置，包括转动轴、第一转动单元、第二转动单元、第三转动单元、第四转动单元、第五转动单元、上支撑架、十字架和下支撑架。所述十字架设置在三轴坐标系的x和y方向上，转动轴设置在三轴坐标系的z方向上。上支撑架与沿x方向的第二转动单元和第三转动单元中的固定桶固定，下支撑架与沿y方向的第四转动单元和第五转动单元中的固定桶固定。所述第二转动单元和第三转动单元通过电磁力悬浮后可绕十字架的x方向转动，十字架通过电磁力悬浮后可绕第四转动单元和第五转动单元的y方向转动，转动轴在第一转动单元中通过电磁力约束可绕z轴转动。通过调节电磁力的大小可使得各转动单元与转动轴、十字架到达规定位置以实现磁悬浮；调节各转动单元上伸缩缸的位置与电磁力的大小可以锁死转动轴或十字架，从而实现运动副的变自由度功能。

优选地，所述转动轴上装有轴向电磁感应器和边端电磁感应器，可通过控制系统调节电流大小改变电磁感应器磁性的强弱。

优选地，所述第一转动单元、第二转动单元、第三转动单元、第四转动单元、第五转动单元具有相同的结构。每一转动单元包括固定桶、圆周固定座、圆周伸缩缸、圆周电磁感应器、圆周位置传感器、边端固定座、边端伸缩缸、固定桶底端电磁感应器和边端位置传感器。圆周电磁感应器通过圆周伸缩缸、圆周固定座与固定桶相连接，固定桶底端电磁感应器通过边端固定座、边端伸缩缸与固定桶相连接。圆周位置传感器安装在圆周电磁感应器上，边端位置传感器安装在固定桶底端电磁感应器上。圆周位置传感器用于检测圆周电磁感应器和轴向电磁感应器之间的距离，边端位置传感器用于检测边端电磁感应器和固定桶底端电磁感应器之间的距离，将这些信息送入计算机处理后，通过控制系统调节电磁感应器之间的电磁力，同时调节伸缩缸的伸缩位置改变电磁感应器之间的距离以实现零部件的悬浮或将电磁感应器“吸合”锁死。

优选地，所述第一转动单元的底端和上支撑架固定连接；十字架的四个边端均装有轴向电磁感应器和边端电磁感应器。

与现有技术采用的相比，本发明的有益效果是：

(1)可以实现自由度的自动灵活调整。通过控制系统自动调节电磁感应器之间的电磁力与伸缩缸的位置，可自动调节该装置至0～3中的任一自由度。

(2)无摩擦，运动灵敏度与精度高。由于运动时零部件之间无接触，因此不存在摩擦，能够实现灵活、精确的运动。

(3)工作空间大。该装置可绕x，y，z方向实现大范围的转动，具有较大的工作空间。

(4)装置结构简单、紧凑、响应速度快、方便控制。由于采用电磁力作为动力源，响应速度快。

附图说明

图1为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的转动轴结构示意图；

图3为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的转动单元结构示意图；

图4为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的上支撑架结构示意图；

图5为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的十字架结构示意图；

图6为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的下支撑架结构示意图。

附图标记说明：

1-转动轴；2-固定桶；3-圆周电磁感应器；4-圆周伸缩缸；5-圆周固定座；6-轴向电磁感应器；7-圆周位置传感器；8-边端电磁感应器；9-固定桶底端电磁感应器；10-边端伸缩缸；11-边端固定座；12-边端位置传感器；13-上支撑架；14-十字架；15-下支撑架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进一步进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参照图1，所示为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置的结构示意图，包括转动轴1、第一转动单元I、第二转动单元II、第三转动单元III、第四转动单元IV、第五转动单元V、上支撑架13、十字架14和下支撑架15。所述十字架14设置在三轴坐标系的x和y方向上，转动轴1设置在三轴坐标系的z方向上。上支撑架13与沿x方向的第二转动单元II和第三转动单元III中的固定桶2固定，下支撑架15与沿y方向的第四转动单元IV和第五转动单元V中的固定桶2固定。第二转动单元II和第三转动单元III通过电磁力悬浮后可绕十字架14的x方向转动，十字架14通过电磁力悬浮后可绕第四转动单元IV和第五转动单元V的y方向转动，转动轴1在第一转动单元I中通过电磁力约束可绕z轴转动。通过调节电磁力的大小可使得各转动单元与转动轴1、十字架14到达规定位置以实现磁悬浮；调节各转动单元中伸缩缸的位置与电磁力的大小可以锁死转动轴1或十字架14，从而实现运动副的变自由度功能。

具体地，参见图2，所示为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置中转动轴1的结构示意图。转动轴1上装有轴向电磁感应器6和边端电磁感应器8，可通过控制系统调节电流改变电磁感应器磁性的强弱。

参见图3，所示为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置中转动单元的结构示意图。第一转动单元I、第二转动单元II、第三转动单元III、第四转动单元IV、第五转动单元V具有相同的结构。每一转动单元均包括固定桶2、圆周固定座5、圆周伸缩缸4、圆周电磁感应器3、圆周位置传感器7、边端固定座11、边端伸缩缸10、固定桶底端电磁感应器9和边端位置传感器12。圆周电磁感应器3通过圆周伸缩缸4、圆周固定座5与固定桶2相连接，固定桶底端电磁感应器9和固定桶2通过边端固定座11、边端伸缩缸10相连接。圆周位置传感器7安装在圆周电磁感应器3上，边端位置传感器12安装在固定桶底端电磁感应器9上。圆周位置传感器7用于检测圆周电磁感应器3和轴向电磁感应器6之间的距离，边端位置传感器12用于检测边端电磁感应器8和固定桶底端电磁感应器9之间的距离，将这些信息送入计算机处理后，通过控制系统调节电磁感应器之间的电磁力，同时调节伸缩缸的伸缩位置改变电磁感应器之间的距离以实现零部件的悬浮或将电磁感应器“吸合”锁死。

参见图5，所示为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置中十字架的结构示意图。与转动轴1的结构类似，十字架14的四个边端均装有轴向电磁感应器6和边端电磁感应器8。

参见图4与图6，所示分别为本发明实施例的变自由度磁悬浮运动副装置中上支撑架13和下支撑架15的结构示意图。上支撑架13的两端与第二转动单元II和第三转动单元III中的固定桶2连接，下支撑架15的两端与第四转动单元IV和第五转动单元V中的固定桶2连接。上支撑架13的另一端与第一转动单元I的底端固定连接，下支撑架15的另一端固定连接在与变自由度磁悬浮运动副装置相连接的设备上。

该变自由度磁悬浮运动副装置可通过调节伸缩缸的位置和电磁感应器之间的电磁力改变转动轴1、十字架14、第一转动单元I、第二转动单元II、第三转动单元III、第四转动单元IV和第五转动单元V之间的相对位置，实现各个方向的无摩擦运动。圆周位置传感器7可实时测出圆周电磁感应器3和轴向电磁感应器6之间的距离，边端位置传感器12可实时测出边端电磁感应器8和固定桶底端电磁感应器9之间的距离，将该信息送入计算机控制系统处理后，通过调节电磁感应器之间的电磁力，同时通过调节伸缩缸的伸缩，可以使运动零部件达到悬浮状态，以实现无摩擦运动。当限制某个方向的运动时，调节该方向转动单元的圆周伸缩缸4、边端伸缩缸10以使圆周电磁感应器3、固定桶底端电磁感应器9分别与轴向电磁感应器6、边端电磁感应器8相接触，并通过控制系统调节电磁感应器之间的电磁力，使其具有足够大的引力将其锁死，从而限制该方向的运动。

具体0～3自由度实现方式如下：

0自由度：

当x、y、z三个方向的运动全部约束时，第一转动单元I、第二转动单元II、第三转动单元III、第四转动单元IV和第五转动单元V中的所有电磁感应器均锁死转动轴1和十字架14中的所有电磁感应器。

1自由度：

当约束x、y两个方向的运动时，将第二转动单元II、第三转动单元III、第四转动单元IV、第五转动单元V中的所有电磁感应器均锁死十字架14中的所有电磁感应器；当约束x、z两个方向的运动时，将第二转动单元II、第三转动单元III中的所有电磁感应器均锁死十字架14中沿x方向的所有电磁感应器，同时将第一转动单元I中的所有电磁感应器均锁死转动轴1中的所有电磁感应器；当约束y、z两个方向的运动时，将第四转动单元IV、第五转动单元V中的所有电磁感应器均锁死十字架14中沿y方向的所有电磁感应器，同时将第一转动单元I中的所有电磁感应器均锁死转动轴1中的所有电磁感应器。

2自由度：

当约束绕x方向运动时，将第二转动单元II、第三转动单元III中的所有电磁感应器与十字架14沿x方向的所有电磁感应器均锁死；当约束y方向运动时，将第四转动单元IV和第五转动单元V中的所有电磁感应器与十字架14沿y方向的所有电磁感应器均锁死；当约束z方向运动时，将转动单元I中的所有电磁感应器与转动轴1中的所有电磁感应器均锁死。

3自由度：

当对x、y、z三个方向的运动均不约束时，第一转动单元I中的任一电磁感应器均不锁死转动轴1中的任一电磁感应器，第二转动单元II、第三转动单元III、第四转动单元IV和第五转动单元V中的任一电磁感应器均不锁死十字架14中的任一电磁感应器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变自由度磁悬浮运动副装置，其特征在于，包括转动轴（1）、第一转动单元（Ⅰ）、第二转动单元（Ⅱ）、第三转动单元（Ⅲ）、第四转动单元（Ⅳ）、第五转动单元（Ⅴ）、上支撑架（13）、十字架（14）和下支撑架（15）；所述十字架（14）设置在三轴坐标系的x和y方向上，转动轴（1）设置在三轴坐标系的z方向上；所述第二转动单元（Ⅱ）和第三转动单元（Ⅲ）通过电磁力悬浮后可绕十字架（14）的x方向转动，十字架（14）通过电磁力悬浮后可绕第四转动单元（Ⅳ）和第五转动单元（Ⅴ）的y方向转动，转动轴（1）在第一转动单元（Ⅰ）中通过电磁力约束可绕z轴转动；上支撑架（13）分别与沿x方向的第二转动单元（Ⅱ）和第三转动单元（Ⅲ）中的固定桶(2)固定，下支撑架（15）分别与沿y方向的第四转动单元（Ⅳ）和第五转动单元（Ⅴ）中的固定桶(2)固定；通过调节电磁力的大小可使得各转动单元与转动轴（1）、十字架（14）到达规定位置以实现磁悬浮；调节各转动单元中伸缩缸的位置与电磁力的大小可以锁死转动轴（1）或十字架（14），从而实现运动副的变自由度功能。

2.根据权利要求1所述的变自由度磁悬浮运动副装置，其特征在于，所述转动轴（1）上装有轴向电磁感应器（6）和边端电磁感应器（8），可通过控制系统调节电流大小改变电磁感应器磁性的强弱。

3.根据权利要求2所述的变自由度磁悬浮运动副装置，其特征在于，所述第一转动单元（Ⅰ）、第二转动单元（Ⅱ）、第三转动单元（Ⅲ）、第四转动单元（Ⅳ）、第五转动单元（Ⅴ）具有相同的结构；每一转动单元均包括固定桶（2）、圆周固定座（5）、圆周伸缩缸（4）、圆周电磁感应器（3）、圆周位置传感器（7）、边端固定座（11）、边端伸缩缸（10）、固定桶底端电磁感应器（9）和边端位置传感器（12）；圆周电磁感应器（3）通过圆周伸缩缸（4）、圆周固定座（5）与固定桶（2）相连接，固定桶底端电磁感应器（9）通过边端固定座（11）、边端伸缩缸（10）与固定桶（2）相连接；圆周位置传感器（7）安装在圆周电磁感应器（3）上，边端位置传感器（12）安装在固定桶底端电磁感应器（9）上；圆周位置传感器（7）用于检测圆周电磁感应器（3）和轴向电磁感应器（6）之间的距离，边端位置传感器（12）用于检测边端电磁感应器（8）和固定桶底端电磁感应器（9）之间的距离，将这些信息送入计算机处理后，通过控制系统调节电磁感应器之间的电磁力，同时调节伸缩缸的伸缩位置改变电磁感应器之间的距离以实现零部件的悬浮或将电磁感应器“吸合”锁死。

4.根据权利要求1所述的变自由度磁悬浮运动副装置，其特征在于，所述第一转动单元（Ⅰ）的底端和上支撑架（13）固定连接；所述十字架（14）的四个边端均装有轴向电磁感应器（6）和边端电磁感应器（8）。