CN107020478A - 一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，该装置通过设置悬浮装置、旋转装置、平移装置可以实现磁力悬浮，磁力驱动旋转和平移。该装置稳定工作后，在平移旋转过程中各结构之间无机械接触，避免了因机械摩擦所带来的磨损，解决了爬行及因机械接触轨道接头不平整带来的平台抖动的问题。而且该装置在用于焊接时，能满足任意长度焊缝的焊接需求，通过协调旋转速度和平移速度实现焊接曲线的焊接，具有优越的动态响应和运动精度。本发明适用于复杂小型的法兰、封头等工件精密焊接，移动和旋转，同时适用于中小型工件的切割，检验等。

Description

一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置
技术领域
本发明属于一种焊接变位领域，尤其是磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置。
背景技术
从目前的加工制造角度来看，焊接加工工艺在眼下相当一段长的时期，仍然是加工制造业举足轻重的加工方法。而焊接变位机作为焊接设备中的辅助设备，对提高焊接质量和焊接效率有不可或缺的作用。但目前的焊接变位机都是机电一体变位机，即驱动电机带动齿轮副再带动工作台运动或者电机驱动轴运动带动工作平台运动。这些方式都是机械接触的，接触面的摩擦以及齿轮的磨损都会带来精度降低、能量损耗以及产生大量热等问题，并且目前的焊接变位机对于高精度、高定位的焊接工艺，这些方式已经不能满足需求。
随着磁悬浮技术的不断发展，磁悬浮技术在很多方面都有应用，特别是磁悬浮列车，但磁悬浮列车的时速达400～500公里不适合应用在焊接技术中，焊接速度一般在100mm/min～1000mm/min，而且磁悬浮列车适合长路程运行，不适合短程，因为不能靠磁力自起动，在起动前需要电机驱动给予一定的速度才能使列车在磁力的作用下前进，而焊接变位机的空间有限，所需的轨道不易过长，如果把磁悬浮列车系统应用于焊接变位机，则电机驱动过程已经运动了过长的距离，不能达到响应时间短，精度高。
目前磁悬浮地球仪也得到发展和应用，在很多展品中都能看到，但是磁悬浮地球仪的悬浮力小，其悬浮物是空心的，质量小，控制简单，只需悬浮和自转，但其自转的速度范围、转动稳定性和精度等要求不高；同时，磁悬浮地球仪不能直线运动，这些都不能满足焊接响应快，定位精准的要求。
中国专利(102055382A)公开了一种排斥式磁悬浮系统。该系统的平台实现了悬浮和自由水平运动，但是其水平运动的速度，精度以及方向均是无规则不可控的。在焊接过程中，需要焊接曲线焊缝时，则需要协同旋转和平移速度来实现，而此方法则明显不能达到要求。
中国专利(102951607A)公开了一种磁悬浮式定位平台。采用的是上吸下斥的方式悬浮，但是其在水平方向上的运动所用的推力也是利用悬浮场，线圈之间产生的磁场和永磁体的磁场会容易混乱，而且会出现耦合，解耦复杂且此方法产生的推力小，此结构X、Y方向的轨道是在同一水平上，限制了X、Y方向的长程移动，只适用于毫米级的移动范围，工程上的焊件尺寸远大于毫米级，此方法不能适合焊接变位机。
中国专利(103909427A)和(103277409A)公开了一种混合励磁磁悬浮进给平台和一种新型电磁铁分布的五自由度磁浮导轨。这两种平台均将轨道包裹着，由于轨道的限制不可能实现360°旋转。
中国专利(203721699U)和(203576109U)公开了一种盘状物的夹持装置及盘状物的旋转平台和一种磁悬浮观展平台，只能实现旋转不能实现平移，不能满足曲线焊接的要求。
中国专利(102005892A)公开了一种应用轴向充磁永磁体的电磁直线执行器。该方法用的是轴向充磁的永磁体与磁轭做成的圆柱作为环形线圈运动的轴，是线圈以及与线圈相连接的外部构件一起沿轴往复运动，此方法在气隙间形成的磁场在磁轭与永磁体连接处有一定的减弱，不能在整个气隙里很好地形成分布均匀的磁场，如果将此方法应用到焊接变位机，当线圈运动到此处时，平台会发生一定的抖动，焊枪与工件之间的距离就会发生变化，会出现焊瘤或未焊满的情况，影响焊接质量。
中国专利(204546084U)公开了一种龙门镗铣床用磁悬浮平台。该平台实现了悬浮和平移，但是此装置是通过四角上设置的电磁永磁混合磁极实现悬浮的，如果应用到焊接变位机来实现长直线平移，则平台要做很大，而且一旦平台移出四角的电磁永磁混合磁极，则不能再悬浮，其平移是通过导向电磁铁和直线推进系统来实现的，移动响应时间长，精度和平稳均不能满足焊接变位机的要求。
发明内容
本发明目的是提供一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置。
为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案为：
一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，设该装置的水平移动方向为x轴方向，该装置的轴向方向为z轴方向，建立坐标系，该装置包括：
一悬浮装置，包括：：线圈绕组与永磁铁组成的定子，在底部设有永磁体的移动平台，移动平台在永磁定子与永磁体的斥力作用下实现z轴方向的悬浮；
一旋转装置，包括：轴承，固定在轴承上铁环，及套在轴承上的旋转线圈，
通过旋转线圈通电产生旋转磁场，使与轴承相连接的铁环在旋转磁场的作用下，带动轴承实现工作平台旋转；
所述的移动平台顶部开有凹槽，轴承与该凹槽柔性连接；
一平移装置，包括：分别固连在移动平台的两端的线圈骨架，两组印刷式线圈，及设置在线圈骨架沿z轴反方向上的永磁体阵列；
两组印刷式线圈分别固定在线圈骨架的顶部和底部；
永磁体阵列设置在靠近定子的两侧；
所述的线圈骨架及印刷式线圈、永磁体阵列均设置在U形磁轭之间；在U形磁轭、永磁体阵列，及U形磁轭与永磁体阵列之间的气隙形成磁线回路，并在气隙中形成与z轴同向、与z轴反向交替分布的均匀磁场，且该磁场沿x轴的方向上相互交替的。
进一步的，轴承与移动平台顶部的凹槽连接处还设有橡胶垫片，并由端盖固定。
在该装置在轴承的顶部还设有工作平台。
该装置设置在一基座内，在基座的顶部开有提供轴承平移及旋转的通道。
优选的，印刷式线圈的内径是印刷式线圈外径的1/3，每组印刷式线圈的外径是线圈骨架长度的3/4，在同一端线圈骨架上两匝印刷式线圈的中心轴之间相距一个印刷式线圈的内径长度。
所述的轴承包括45钢实心圆柱、弹簧和不锈钢圆环，所述的弹簧套在45钢实心圆柱上后，设置在不锈钢圆环内。
永磁体阵列是由多个径向充磁的永磁体依次旋转180°沿x轴方向排列的Halbach阵列，其中，每个径向充磁的永磁体长度是线圈骨架长度的1/2。
工作平台在旋转装置作用下360°旋转，且其在旋转时，同时在平移装置作用下随移动平台一起平移，平移速度为0～2m/s。
旋转线圈、铁环、线圈绕组与永磁铁组成的定子和线圈均包裹在涂有屏蔽导电漆的塑料盒内。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置能实现无机械接触，避免因接触摩擦带来的误差、能量损耗、热。可实现磁力驱动旋转、长直线轨道平移运动，可实现直线焊接和曲线焊接。2)该装置能够同时实现悬浮，磁力驱动长直线轨道平移和旋转功能。3)采用永磁体外加线圈阵列的悬浮结构，达到稳定悬浮的同时降低了励磁损耗。4)该装置还具有磁力驱动响应快，定位精准，行走平稳、可控性强的特点。5)该装置将实现各种功能的磁体、电磁体均分布在相对独立的空间，可以避免造成磁力混乱。
附图说明
图1为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的整体结构示意图。
图2为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的整体结构的正视图。
图3为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的整体结构的侧视图。
图4、5为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的整体结构的截面图。
图6为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的移动平台的正视图，仰视图，俯视图和侧视图。
图7、8为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的移动平台，旋转系统和工作平台的整体装配图。
图9为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的旋转线圈的铁芯示意图。
图10为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的铁环示意图。
图11为本发明的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置的轴承示意图。
其中，1为工作平台；2为轴承；3为铁环；4为旋转线圈；5为端盖；6为橡胶垫片；7为移动平台；8为印刷式线圈；9为永磁体；10为U形磁轭；11为永磁体阵列；12为基座；13为定子；14为线圈绕组；15为线圈骨架；16为永磁铁。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
如图1-11所示，本发明提供的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位机装置，设该装置的水平移动方向为x轴方向，该装置的轴向方向为z轴方向，建立坐标系，该装置包括：
一悬浮装置，包括：线圈绕组14与永磁铁16组成的定子13，在底部设有永磁体9的移动平台7；
一旋转装置，包括：轴承2，固定在轴承2上铁环3，及套在轴承2上的旋转线圈4；
所述的移动平台7顶部开有凹槽，轴承2与该凹槽柔性连接；
一平移装置，包括：分别固连在移动平台7的两端的线圈骨架15，两组印刷式线圈8，及设置在线圈骨架15沿z轴反向方向上的永磁体阵列11；
两组印刷式线圈8分别固定在线圈骨架15的顶部和底部；
永磁体阵列11设置在靠近定子13的两侧；
所述的线圈骨架15及印刷式线圈8、永磁体阵列11均设置在U形磁轭10之间；在U形磁轭10、永磁体阵列11，及U形磁轭10与永磁体阵列11的气隙之间形成磁线回路，并在气隙中形成磁场方向与z轴同向、与z轴反向的交替均匀磁场，且该磁场沿x轴的方向上相互交替的。
轴承2与移动平台7顶部的凹槽连接处还设有橡胶垫片6，并由端盖5固定。
该装置在轴承2的顶部还设有工作平台1。
该装置设置在基座12内，在基座12的顶部开有提供轴承2平移及旋转的通道。
线圈8的内径是线圈8外径的1/3，每组线圈8的外径是线圈骨架15长度的3/4，在同一端线圈骨架15上两匝线圈8的中心轴之间相距一个线圈8的内径长度。
轴承2由45钢实心圆柱、弹簧和奥氏体不锈钢圆环组成，弹簧套在45钢实心圆柱上，再一起套在不锈钢圆环里。
永磁体阵列11是由多个径向充磁的永磁体依次旋转180°沿x轴方向排列的Halbach阵列，其中，每个径向充磁的永磁体长度是线圈骨架15长度的1/2，在U形磁轭作用下，使每个径向充磁的永磁体、磁轭10、气隙间形成电磁回路，在气隙里产生垂直的均匀磁场，使通电线圈8能在气隙中匀速行走。
工作平台1在旋转装置作用下360°旋转，且其在旋转时，同时在平移装置作用下随移动平台7一起平移，其平移速度为0～2m/s。
所述的旋转线圈4、铁环3、线圈绕组与永磁铁组成的定子13和线圈8均包裹在涂有屏蔽导电漆的塑料盒内。
通过给旋转线圈4通电，产生旋转磁场，铁环3在磁力的作用带动轴承2和工作平台1实现旋转运动，通过改变线圈4内电流的大小就能改变旋转的速度。
本发明的悬浮装置利用同极相斥的原理实现悬浮功能，通过线圈绕组与永磁铁组成的定子13与永磁体9、移动平台7构成的动子磁体作用实现移动平台7和工作平台1等悬浮，悬浮的高度可通过改变线圈内电流的大小和方向调整使其实现稳定悬浮。
旋转线圈4内线圈是沿径向均匀排列，旋转线圈4的铁芯如图9，铁环3，如图10，旋转线圈通电后，可在铁环3与旋转线圈之间产生旋转磁场，可使铁环3上的铁片磁化并发生转动，带动轴承2使工作平台1一起转动，通过改变旋转线圈4电流大小和方向来改变磁场的大小和方向，从而改变工作平台1旋转的方向以及旋转速度的大小，移动平台7和轴承2之间采用的是非固定连接，当工作平台1发生旋转时，移动平台7不动。
永磁体阵列11是多个由径向充磁的依次旋转180°的Halbach阵列，在磁轭10的作用下，磁力线由永磁体11产生并经过磁轭10和气隙回到永磁体11形成回路，在气隙中能产生均匀的磁场，磁场的方向是由径向充磁的永磁体的方向决定的，移动平台7上两端的的线圈8是印刷式排列的位于气隙内，在磁场的作用下沿着永磁体11排列的方向平移，通过改变线圈内电流的大小和方向可以改变移动平台运动速度的大小和运动的方向。
悬浮与旋转和平移是相互独立控制的，而旋转与平移可相对独立控制并可协同工作以实现曲线焊接，
通过协调工作平台1的旋转速度和移动速度，可实现焊接曲线焊缝。
实施例一：检验工件
结合图1，图2和图7，一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，将工件放置在工作平台1上，并用固定件固定，然后给线圈绕组14通电，通过调整线圈内电流的大小和方向，使平台悬浮到期望高度，然后给印刷式线圈8通电，使移动平台7和工作平台1移动到所期望的位置，然后给印刷式线圈8断电，然后给旋转线圈4通电，工作平台1旋转，使工件检验区内，然后给旋转线圈4断电，再进行检验工作，检验工作完成之后，给线圈绕组14断电，取下工件，检验做工完成。
实施例二：焊接直线焊缝
结合图1，图2和图7，一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，将焊件安装在工作平台1上，并固定，然后给线圈绕组14通电，通过调整线圈内电流的大小和方向，使平台悬浮到期望高度，给旋转线圈4通电，工作平台1旋转，调整电流的大小和方向，将焊缝与轨道平行，然后旋转线圈4断电，焊枪开始工作，同时给线圈骨架15上的线圈a、b通电，使移动平台向前运动，焊缝焊好之后，线圈a、b断电，线圈绕组14断电，取下焊件，焊接完成。
实施例三：焊接曲线焊缝
结合图1，图2和图7，一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，将焊件安装在工作平台1上，并固定，然后给线圈绕组14通电，通过调整线圈内电流的大小和方向，使平台悬浮到期望高度，给旋转线圈4通电，依次给线圈a、b通电，启动焊枪，调节旋转线圈4和线圈a、b的电流大小、方向，使工作平台1的运动轨迹与焊件焊缝一致，直至焊缝完成焊接，线圈a、b断电，线圈绕组14断电，取下焊件，焊接完成。

Claims (10)

1.一种磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，设该装置的水平移动方向为x轴方向，该装置的轴向方向为z轴方向，建立坐标系，该装置包括：
一悬浮装置，包括：线圈绕组(14)与永磁铁(16)组成的定子(13)，在底部设有永磁体(9)的移动平台(7)；
一旋转装置，包括：轴承(2)，固定在轴承(2)上铁环(3)，及套在轴承(2)上的旋转线圈(4)；
所述的移动平台(7)顶部开有凹槽，轴承(2)与该凹槽柔性连接；
一平移装置，包括：分别固连在移动平台(7)的两端的线圈骨架(15)，两组印刷式线圈(8)，及设置在线圈骨架(15)沿z轴反方向上的永磁体阵列(11)；
两组印刷式线圈(8)分别固定在线圈骨架(15)的顶部和底部；
永磁体阵列(11)设置在靠近定子(13)的两侧；
所述的线圈骨架(15)及印刷式线圈(8)、永磁体阵列(11)均设置在U形磁轭(10)之间；在U形磁轭(10)、永磁体阵列(11)，及U形磁轭(10)与永磁体阵列(11)之间的气隙形成磁线回路，并在气隙中形成与z轴同向、与z轴反向交替分布的均匀磁场，且该磁场沿x轴的方向上相互交替的。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，所述的轴承(2)与移动平台(7)顶部的凹槽连接处还设有橡胶垫片(6)，并由端盖(5)固定。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，该装置在轴承(2)的顶部还设有工作平台(1)。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，该装置设置在基座(12)内，在基座(12)的顶部开有提供轴承(2)平移及旋转的通道。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，所述的印刷式线圈(8)的内径是印刷式线圈(8)外径的1/3，每组印刷式线圈(8)的外径是线圈骨架(15)长度的3/4，在同一端线圈骨架(15)上同组的两匝线圈(8)的中心轴之间相距一个线圈(8)的内径长度。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，所述的轴承(2)包括45钢实心圆柱、弹簧和不锈钢圆环，所述的弹簧套在45钢实心圆柱上后，设置在不锈钢圆环内。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，永磁体阵列(11)是由多个径向充磁的永磁体组成，每个永磁体与相邻的永磁体在Z轴方向依次旋转180°，并沿x轴方向排列的Halbach阵列，其中，每个径向充磁的永磁体长度是线圈骨架(15)的1/2。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，所述的工作平台(1)在旋转装置作用下以Z轴为中心轴可360°旋转。
9.根据权利要求6所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，所述的平移速度为0～2m/s。
10.根据权利要求1所述的磁悬浮和磁驱动多轴柔性变位装置，其特征在于，所述的旋转线圈(4)、铁环(3)、永磁定子(13)和印刷式线圈(8)均包裹在涂有屏蔽导电漆的塑料盒内。
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