CN106395389A - 高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元，柔性传送带通过连接块安装在动子上，动子与磁悬浮工作台相连，磁悬浮工作台套装在支承导轨外周，支承导轨安装在支承块上，支承导轨由直线段和圆弧段组成，多组对称设置的支承电磁铁和一组对称设置的导向电磁铁的分布在磁悬浮工作台的内侧，垂直位移传感器和水平位移传感器分别安装在支承电磁铁和导向电磁铁处，支承导轨两侧安装支架，支架的直线段均匀的分布着若干个定子，定子的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子的高度一致，每个定子上绕有线圈。本发明结构合理，传送精度高，可靠性强，实现了磁悬浮技术的周期循环运动，进一步拓展了磁悬浮支承技术的应用领域。

Description

高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元

本申请是申请号：201510406883.0、申请日：2015.7.13、名称“自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮开关磁阻传送单元。

背景技术

传送装置是一种将动力装置的动力传递各工作机构的中间装置，在制药、手机装配、物流分拣、半导体芯片封装等自动化传送领域中均有应用，要求具有传送平稳、定位精确、运行可靠等特点。但在现有的传送系统中，主要采用链轮链条、皮带、滚柱、钢带、涡轮蜗杆、滚珠丝杠、气缸等作为传送介质，并通过电动机和变速机构控制其传送速率，这一方面使得电动机到运动部件之间存在轴承、联轴器、齿轮等诸多中间环节，加大了定位机构的惯性质量，降低了响应速度；另一方面存在于运动部件与支承导轨间的摩擦和磨损降低了运动部件的运动精度和使用寿命，并增大了驱动部件的功率损耗。而更突出的问题是：现有的传送系统大多仅能实现直线传送功能，难以实现沿形状多样化、由直线和曲线组成的封闭式曲直复合型导轨循环传送的功能。因此，如何简化传送方式、减小导轨副之间摩擦，实现稳定、精确、可靠的曲直复合循环传送功能，成为制约传送系统进一步发展的重要因素。

磁悬浮直线传送单元将磁悬浮支承技术和直线电动机相结合，在实现了驱动元件和运动部件之间“零传动”的同时，消除了运动导轨与支承导轨之间的摩擦，符合曲直复合型循环传送系统的发展要求。但从现有报道和相关文献中可获知，目前所研究的磁悬浮直线传送单元仅能实现直线往复运动，无法实现曲直复合型循环运动，这是因为目前所研究的磁悬浮直线传送单元中支承导轨的形式均为直线型，而能够完成曲直复合型循环运动的导轨一般是要由直线型和圆周型导轨复合而成。因此，如何在现有磁悬浮直线传送单元的基础上，分别根据直线和圆周运动的运动特征，研制出能够在直线和圆周运动之间自由切换从而实现曲直复合型循环运动的磁悬浮传送单元，对促进传送系统高速、高精密化的发展具有重要意义。

本申请专利以实现磁悬浮技术周期循环进给运动为目标，将具有较强主动控制和信息处理能力，并能精确、可靠的实现在线检测和自动补偿功能的磁悬浮支承技术与具有启动出力大、耐高温、成本低等优点的直线开关磁阻电机相结合，研制出一种新型的能够在直线和圆周进给运动之间自由切换从而实现周期循环运动的磁悬浮传送单元，既符合现代传送技术领域高精度、高速化发展要求，又拓展了磁悬浮支承和传送技术的应用领域。

经检索，国内外虽已有多数磁悬浮直线进给单元的相关专利申请，但大多是以直线电动机作为驱动元件，将直线电动机的动子与磁悬浮工作台相连，在利用磁悬浮支承技术实现磁悬浮工作台稳定悬浮后，由直线电动机的动子带动磁悬浮工作台沿直线导轨做进给运动，而未见有对于要求多个磁悬浮工作台搭载一柔性传送带沿着由直线导轨和不同半径的圆周导轨组成的封闭式支承导轨运行从而实现周期循环传送的磁悬浮传送单元的相关专利申请。

例如，专利201010017657.0、201110113611.3、200310107944.0、200820013968.8、200610161995、02132839.0等中的磁悬浮工作台均只沿直线导轨做进给运动，未提及磁悬浮工作台可沿着由直线导轨和不同半径的圆周导轨组成的封闭式导轨运行。

专利201310021053.7、201210502591.3等虽提及若干个磁悬浮工作台带动柔性传送带沿跑道式导轨做进给运动，但与本申请专利相比，存在以下差异：

1)本申请专利中的传送导轨由直线导轨和不同半径的圆周导轨相互平滑连接构成，传送导轨的形状可随圆周导轨的数量和半径的变化而改变，而专利201310021053.7、201210502591.3等的传送导轨形式固定，仅有直线导轨和半径唯一的圆周导轨组成，不能适应传送路径复杂的应用场合。

2)专利201310021053.7、201210502591.3等由于考虑磁悬浮工作台分别做直线和圆周运动时悬浮气隙的形状分别为矩形和圆环状而设计了直线和圆周两大导向系统，即磁悬浮工作台在直线导轨上运行时，启用由矩形电磁铁构成的直线导向系统，当磁悬浮工作台在圆周导轨上运行时，启用由弧形电磁铁构成的圆周导向系统。而本申请专利中磁悬浮工作台中仅有一套由矩形电磁铁构成的直线导向系统，这是因为在本申请专利中，每个磁悬浮工作台沿进给方向的厚度相对于各圆周导轨半径的比值小于0.05，使得磁悬浮工作台在每个圆周导轨上运行时，矩形导向电磁铁与圆周导轨之间的悬浮气隙形状基本为矩形；另一方面，本申请专利中的支承导轨是由多个不同半径圆周导轨组成的，且相邻圆周导轨间是相互外切的，若要针对每个圆周导轨都设计一套导向系统，既增加了磁悬浮工作台的结构尺寸，又降低了控制系统的稳定性和可靠性。因此，本申请专利避免了专利201310021053.7、201210502591.3等两套或多套导向系统切换时所引起的系统稳定性差、控制策略复杂等问题，并有效降低了磁悬浮工作台的结构复杂性。

专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中提及依靠静电磁铁对动电磁铁所产生的电磁吸力和电磁斥力的作用，实现动导轨沿跑道式导轨的无电机驱动和自动导向，但与本申请专利相比，存在以下差异：

1)专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中的磁悬浮工作台中仅有支承电磁铁，即磁悬浮工作台仅具有实现垂直方向稳定悬浮的功能，不具有水平方向上的导向功能，当磁悬浮工作台水平方向出现扰动力时，则难以保证系统的正常运行。

2)本申请专利中的动子7上未绕有线圈，而专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中动电磁铁4中绕有线圈，且该线圈在系统工作时始终处于通电发热状态，因此专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1在工作时的热源点较本申请专利的多，系统工作性能的稳定性较本申请专利的低。

3)专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中未具体分析动电磁铁4在圆周段上运行时的受力情况，即动电磁铁4在圆周导轨上运行时的向心力采用何种控制方式调整位于其上静电磁铁的电磁力大小而得到保证，因此本申请专利在运行时的可靠性较专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1高。

4)专利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中的传送导轨形式固定，仅有直线导轨和半径唯一的圆周导轨组成，不能适应传送路径复杂的应用场合，而本申请专利中的传送导轨由直线导轨和不同半径的圆周导轨相互平滑连接构成，传送导轨的形状可随圆周导轨的数量和半径的变化而改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，利用磁悬浮支承和驱动的能够在直线和圆周进给运动之间自由切换从而实现周期循环运动的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元。

本发明的技术解决方案是：

一种自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元，其特征是：柔性传送带通过连接块安装在动子上，动子与磁悬浮工作台5、相连，磁悬浮工作台套装在支承导轨外周，支承导轨安装在支承块上，支承导轨由直线段和圆弧段组成，多组对称设置的支承电磁铁和一组对称设置的导向电磁铁的分布在磁悬浮工作台的内侧，垂直位移传感器和水平位移传感器分别安装在支承电磁铁和导向电磁铁处，支承导轨两侧安装支架，支架的直线段均匀的分布着若干个定子，定子的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子的高度一致，每个定子上绕有线圈；磁悬浮工作台稳定悬浮时柔性传送带与支架之间的间隙值Δ1小于支承电磁铁与支承导轨之间的间隙值Δ2。

安装在每个磁悬浮工作台中的支承电磁铁和导向电磁铁均为矩形状。

每个磁悬浮工作台沿进给方向的厚度相对于各圆周导轨半径的比值小于0.05。

支承导轨是由直线导轨和若干个不同半径的圆周导轨组成封闭状，且相邻导轨中心线外切。

安装在支承导轨两侧支架的形状与支承导轨一致，且在支承导轨直线段两侧的直线支架上均匀的安装定子，定子的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子的高度一致。

安装在直线支承导轨两侧支架上的定子为双边n相，n≥4，动子为双边n-1相，每个动子对应一个磁悬浮工作台；各相定子等间距排列，各相动子也等间距排列，各相定子间的间距长度与各相动子间的间距长度之比等于动子相数与定子相数之比。

柔性传送带的宽度不小于两支架之间的安装距离。

本发明结构合理，传送精度高，可靠性强，实现了磁悬浮技术的周期循环运动，进一步拓展了磁悬浮支承技术的应用领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元俯视图；

图2为图1的A-A视图；

图3为直线进给运动工作原理示意图；

图4为不同圆周导轨组合示意图；

图5为导向电磁铁在直线支承导轨运行时的悬浮气隙形状；

图6为导向电磁铁在圆周支承导轨运行时的悬浮气隙形状；

图7为导向电磁铁在大半径圆周支承导轨中运行示意图。

具体实施方式

一种自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元元，主要由支承部件和传动部件组成，根据运动和实现磁悬浮的要求，柔性传送带3通过连接块4、9安装在动子7上，动子7与磁悬浮工作台(磁悬浮工作台由部件5、12、14、19、21组成的套状结构)相连，磁悬浮工作台套装在支承导轨17外周，支承导轨17安装在支承块16上，支承导轨17由直线段和圆弧段组成，支承电磁铁6、8、15、18和导向电磁铁13、20对称的分布在磁悬浮工作台的内侧，垂直位移传感器22和水平位移传感器23分别安装在支承电磁铁和导向电磁铁处，支承导轨两侧安装支架1、11，支架的直线段均匀的分布着若干个定子2、10，定子2、10的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子7的高度一致，每个定子上绕有线圈。为保证磁悬浮工作台不工作时支承电磁铁6、8、15、18与支承导轨17不发生干涉，应使得磁悬浮工作台稳定悬浮时柔性传送带3与支架1、11之间的间隙值Δ₁小于支承电磁铁6、8、15、18与支承导轨17之间的间隙值Δ₂。

安装在直线支承导轨两侧支架上的定子设计为双边四相结构(参见附图3)，分别为X轴左边的SA、SB、SC、SD四相和X轴右边的NA、NB、NC、ND四相，每相定子沿X轴方向相互对称，并沿Z轴方向相互之间距离均为ls。根据磁阻电机的基本原理可知，当定子为双边n相(n≥4)时，动子为双边n-1相，因此，该传送单元的动子应包括3个双边动子相TA、TB、TC(即3个磁悬浮工作台)，每相动子仅由一个矩形且无绕组的动子铁心组成，且相邻动子间的直线距离均为lm，而定子间距ls与动子间距lm的比值等于动子相数与定子相数之比，即：

为保证磁悬浮工作台在做直线进给运动所需行程范围内，安装在直线支承导轨两侧支架上的定子与动子之间的相数耦合关系始终保持不变(即定子为双边n相，动子为双边n-1相，n≥4)，在设计制造时，安装在直线支承导轨两侧支架上的定子相数可取双边K₁×n相(K₁为正整数)，动子的相数可取双边K₂×(n-1)相(K₂为正整数)。

当磁悬浮工作台处于圆周支承导轨中时，需进行圆周进给运动，此时磁悬浮工作台中导向电磁铁13、20与圆周支承导轨27间悬浮气隙的形状不再是其在直线支承导轨24中运行时的矩形状25、26(如附图5所示)，而是如附图6所示的不规则状28、29，但控制系统在设计时均是以电磁铁与支承导轨间悬浮气隙是规则的矩形所进行的，因此，磁悬浮工作台在圆周支承导轨27中运行时，导向控制系统的控制精度会大大降低。

为解决这一问题，如附图7所示，在设计该传送单元时，使得磁悬浮工作台中导向电磁铁13、20沿进给方向的长度d与圆周导轨中心线处半径r的比值均不超过0.05，此时导向电磁铁13、20与各圆周支承导轨31之间的悬浮气隙的形状30、32基本为矩形，可基本忽略悬浮气隙形状对导向系统控制精度的影响。

工作之前，所有线圈均不通电，柔性传送带3与支架1、11的上表面接触，垂直位移传感器22和水平位移传感器23均不工作。

工作时，首先给各个磁悬浮工作台中的支承电磁铁和导向电磁铁通电，待垂直位移传感器和水平位移传感器检测出磁悬浮工作台沿垂直和水平方向均实现稳定悬浮后，根据传送方向和传送速度对安装在直线支承导轨两侧支架上的各个定子中的线圈按一定规律通电。参见附图2，若要求柔性传送带沿逆时针方向传送，则安装在直线支承导轨两侧支架上定子中的绕组按照左侧SB→SC→SD→SA→SB时序通电，右侧NB→NC→ND→NA→NB时序通电，当SB、NB通电时，对TB产生电磁吸力，从而TB带动TA和TC沿Z轴负方向做直线进给运动；当SC、NC通电时，对TC产生电磁吸力，从而TC带动TA和TB沿Z轴负方向做直线进给运动；当SD、ND通电时，对TA产生电磁吸力，从而TA带动TB和TC沿Z轴负方向做直线进给运动。如此循环，使得位于支承导轨直线段的磁悬浮工作台按一定速度沿Z轴负方向做直线进给运动。

而对于位于支承导轨圆周段中的磁悬浮工作台，则根据其所处圆周导轨的半径和直线支承导轨中磁悬浮工作台的直线进给速度大小，调整两导向电磁铁的电磁力，使得两者的电磁力合力值为每个磁悬浮工作台沿其所处圆周导轨做圆周运动所需的向心力大小。例如，参见附图4，当磁悬浮工作台在A型圆周导轨中运行时，磁悬浮工作台中左侧导向电磁铁20所产生的电磁力F₂₀需大于右侧导向电磁铁13所产生的电磁力F₁₃，且两者的合力大小等于向心力大小，即：

式中：m为所有磁悬浮工作台、动子、连接块以及柔性传送带的总质量；n为磁悬浮工作台的个数；v为磁悬浮工作台做圆周运动的线速度；r₁为圆周形导轨中心线处的半径。

当磁悬浮工作台在B型圆周导轨中运行时，磁悬浮工作台中左侧导向电磁铁20所产生的电磁力F₂₀需小于右侧导向电磁铁13所产生的电磁力F₁₃，且两者的合力大小等于向心力大小，即：

式中：m为所有磁悬浮工作台、动子、连接块以及柔性传送带的总质量；n为磁悬浮工作台的个数；v为磁悬浮工作台做圆周运动的线速度；r₂为圆周形导轨中心线处的半径。

同理，若要求柔性传送带沿顺时针方向传送，则安装在直线支承导轨两侧支架上定子中的绕组按照左侧SD→SC→SB→SA→SD时序通电，右侧ND→NC→NB→NA→ND时序通电。改变各定子绕组中的励磁电流幅值，即可控制柔性传送带沿支承导轨的传送速率。

工作结束后，位于直线支承导轨两侧支架上的定子绕组首先停止通电，待柔性传送带传送速度将为零后，逐渐减小所有磁悬浮工作台中的支承电磁铁和导向电磁铁中线圈电流的大小，直至柔性传送带与支架上表面相接触。由于当磁悬浮工作台稳定悬浮时柔性传送带与支架之间的间隙值Δ₁小于支承电磁铁与支承导轨之间的间隙值Δ₂，所以，当柔性传送带与支架上表面相接触时，磁悬浮工作台中的上支承电磁铁不会与支承导轨的上表面相接触。

Claims (4)

1.一种高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元，其特征是：柔性传送带通过连接块安装在动子上，动子与磁悬浮工作台相连，磁悬浮工作台套装在支承导轨外周，支承导轨安装在支承块上，支承导轨由直线段和圆弧段组成，多组对称设置的支承电磁铁和一组对称设置的导向电磁铁的分布在磁悬浮工作台的内侧，垂直位移传感器和水平位移传感器分别安装在支承电磁铁和导向电磁铁处，支承导轨两侧安装支架，支架的直线段均匀的分布着若干个定子，定子的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子的高度一致，每个定子上绕有线圈；磁悬浮工作台稳定悬浮时柔性传送带与支架之间的间隙值Δ1小于支承电磁铁与支承导轨之间的间隙值Δ2；

安装在每个磁悬浮工作台中的支承电磁铁和导向电磁铁均为矩形状；

每个磁悬浮工作台沿进给方向的厚度相对于各圆周导轨半径的比值小于0.05；

安装在支承导轨两侧支架的形状与支承导轨一致，且在支承导轨直线段两侧的直线支架上均匀的安装定子，定子的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子的高度一致。

2.根据权利要求1所述的高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元，其特征是：每个磁悬浮工作台沿进给方向的厚度相对于各圆周导轨半径的比值小于0.05。

3.根据权利要求1所述的高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元，其特征是：磁悬浮工作台稳定悬浮时柔性传送带与支架之间的间隙值Δ1小于支承电磁铁与支承导轨之间的间隙值Δ2。

4.根据权利要求1所述的高传送精度的自驱式磁悬浮曲直复合循环型传送单元，其特征是：支架的直线段均匀的分布着若干个定子，定子的安装高度与磁悬浮工作台稳定悬浮时动子的高度一致。