CN107369476A - 一种高自由度自动化磁场角度调节平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学实验平台仪器领域，具体为一种高自由度自动化磁场角度调节平台，由实验台、三轴转动平台和磁场间距调整模块构成；三轴转动平台采用外环用伺服电机驱动齿轮带动内环绕X轴转动；采用垂直转动伺服电机驱动齿轮带动内环绕Z轴转动；采用内环用伺服电机驱动齿轮同样可实现绕X轴转动；采用转轴伺服电机驱动右侧传动杆进而调节磁场间距调整模块绕Y轴转动；磁场间距调整模块通过调磁伺服电机带动小齿轮和齿条的方式控制楔形块位移大小以此调节磁铁载板之间的距离，进而调节磁场。本调节平台可实现自动化，具有设计科学，结构合理，运动灵活，自动集成化程度高的优点。

Description

一种高自由度自动化磁场角度调节平台

技术领域

本发明属于光学实验平台仪器领域，涉及一种高自由度磁场调节仪器，具体为一种高自由度自动化磁场角度调节平台。

背景技术

NV色心实验中，激光通过AOM，凸透镜等光学元件经过物镜照射到金刚石上，为了研究磁场角度和强度对NV色心的影响，需要一个角度可变化、强度可调节的磁场进行实验研究。

发明内容

本发明的目的是为了实现全自动化高灵活度磁场角度及强度调节而设计的一个专用仪器，提供了一种可绕球心全方位灵活转动的高自由度自动化磁场角度调节平台。

本发明巧妙的采用了三轴转动平台与磁场间距调整模块配合，实现磁场可以绕着整个三轴转动平台形成的球坐标其球心在物镜的焦点处呈全方位角度调节。并且使用的磁场间距调整模块，可以通过控制磁铁距离调节磁场的强度。其三轴转动平台和磁场间隙调整模块，具有高集成度，功能完善，有益于实验的特点，方便实验实现自动化。一方面，其三轴转动平台采用内外环配合加大了角度调节的范围；另一方面，采用三轴转动平台与磁场间距调整模块进行配合，可以做到磁场角度和磁场强度的自动化调节，提高实验的实验效率和实验质量。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种高自由度自动化磁场角度调节平台，包括实验台、三轴转动平台和磁场间距调整模块，实验台包括实验底座，三轴转动平台包括两个外环固定架、半圆外环、外环用大齿环、半圆内环、内环用大齿环、外环上移动载板、内环转动载体、外环上盖板和内环转动载体盖板；磁场间距调整模块包括上盖板和下盖板；在实验底座上两个外环固定架对称设置，外环两端分别和两外环固定架连接，外环上方安装有外环用大齿环；外环上移动载板和外环上盖板配合将外环套住进行限位；外环上移动载板上安装有外环用伺服电机，其轴上安装有外环用小齿轮，外环用小齿轮与外环用大齿环啮合，外环上移动载板下方安装有齿轮法兰盘，齿轮法兰盘圆柱槽中安装有内环转动载体；内环下方安装内环用大齿环，内环转动载体与内环转动载体盖板配合将内环套住进行限位，内环转动载体下方固定有内环用伺服电机，内环用伺服电机其伸出轴安装有内环用小齿轮，内环用小齿轮和内环用大齿环啮合，内环转动载体盖板上安装有垂直转动伺服电机，其伸出轴安装有垂直转动小齿轮，垂直转动小齿轮与齿轮法兰盘啮合，内环底部左侧安装左侧连接杆的一端，左侧连接杆的另一端与磁场间距调整模块转动连接；内环底部右侧安装右侧传动杆的一端，右侧传动杆另一端与磁场间距调整模块转动连接，右侧传动杆向外侧安装有蜗轮，内环固定连接有伺服电机固定架，伺服电机固定架上方安装有转轴伺服电机，转轴伺服电机驱动蜗杆并传动蜗轮，上盖板与下盖板固定连接，下盖板上开有两个对称的槽口，上盖板和下盖板之间的两侧孔槽中固定有2个限位板，限位板安装有弹簧杆，弹簧杆另一端抵住了从槽口伸入到上盖板和下盖板之间的磁铁载板，弹簧杆在限位板与磁铁载板之间的杆体上安设有弹簧，弹簧使得两个磁铁载板始终向中心挤压；磁铁载板下方设有磁铁；上盖板其一侧设有调磁伺服电机，调磁伺服电机下端伸出轴连接有小齿轮，采用齿轮齿条传动方式带动齿条移动；齿条一端与楔形块连接，另一端固定于齿条限位板中，楔形块两侧斜边抵在两磁铁载板之间，通过齿条带动楔形块移动控制两个磁铁载板张开的距离。

本发明的高自由度自动化磁场角度调节平台的工作方法，具体是：所述三轴转动平台通过外环用伺服电机，内环用伺服电机，垂直转动伺服电机和转轴伺服电机，分别控制磁场间距调整模块绕X轴的一级角度调节，绕X轴的二级角度调节，绕Z轴的角度调节和绕Y轴的角度调节。所述磁场间距调整模块通过调磁伺服电机控制磁铁载板间距，调节磁场强度。此高自由度自动化磁场角度调节平台，可使用5个伺服电机进行闭环控制，采用PID算法进行高效角度调节，通过上位机控制5个伺服电机以控制磁场角度和强度的调节，并实时读取角度数据。其中4个伺服电机控制三轴转动平台绕着其中心点进行X轴一级和二级转动，绕Y轴转动和绕Z轴转动。这种高自动有的运动方式，其中心可以看做是球坐标系的球心，以此可以实现绕定点的全方位磁场角度变化。并采用了磁场间距调整模块，使用伺服电机可以精准控制两个磁铁的间距。这不仅可以实现此实验平台的需求，并提高了其实用性。

上述的一种高自由度自动化磁场角度调节平台，三轴转动平台还包括安装底座，安装底座在其中心孔中安装有调高光杆，通过螺栓紧固的方式调节调高光杆抬升的高度，调高光杆对称放置，外环固定架安装在调高光杆上方。

上述的一种高自由度自动化磁场角度调节平台，在磁铁载板两侧边设有两个螺纹孔，在两个磁铁载板最贴近的时候通过螺栓紧固方式安装有对光板，在对光板中心有小孔，方便对光使用，对好光后，将对光板取下。

本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：

1、本发明巧妙的采用了三轴转动平台和磁场间距调整模块配合的方式，可以实现绕运动球心点的全方位运动以及磁场强度调节。

2、本发明的三轴转动平台采用了内外环配合方式，可以进一步加大对X轴转动的角度，在即使没有对准球心的情况下仍可以通过加大绕X轴转动的角度来进行试验。

3、本发明的磁场间距调整模块采用伺服电机带动齿轮齿条机构利用楔形块调整磁铁间隙来调整磁场强度，提高了整体的适用性，避免了人为手动调节，可以做到一次定位多次试验的目的，提高了试验的精度，以及数据的可靠性。

4、本发明的磁场间距调整模块配合三轴转动平台可以使用磁场间距调整模块中的对光板，提高对光精度和对光速度，有利于实验可靠进行。

5、本发明采用5个伺服电机配合进行实验提高了实验的数据化，也提高了实验的精度和速度，并且具有设计科学，结构巧妙合理，通用性强的优点。

附图说明

图1为本发明一种高自由度自动化磁场角度调节平台装配示意图。

图2为本发明设计的一种高灵活度三轴转动平台主视图。

图3为本发明设计的一种高灵活度三轴转动平台俯视图。

图4为图2的A-A剖视图。

图5为图3的B-B剖视图。

图6为图2的C-C剖视图。

图7为本发明设计的一种高灵活度磁场间距调整模块俯视图。

图8为本发明设计的一种高灵活度磁场间距调整模块主视图。

图中：1-实验台；2-三轴转动平台；3-磁场间距调整模块。

1-1-实验底座；1-2-物镜。

2-1-安装底座；2-2-调高光杆；2-3-外环固定架；2-4-外环；2-5-外环用大齿环；2-6-内环；2-7-内环用大齿环；2-8-外环用伺服电机；2-9-外环上移动载板；2-10-外环用小齿轮；2-11-月牙挡块；2-12-齿轮法兰盘；2-13-内环转动载体；2-14-内环用小齿轮；2-15-内环用伺服电机；2-16-左侧连接杆；2-17-右侧传动杆；2-18-法兰盘联轴器；2-19-转轴伺服电机；2-20-蜗轮；2-21-外环上盖板；2-22-垂直转动伺服电机；2-23-垂直转动小齿轮；2-24-垂直电机固定架；2-25-内环转动载体盖板；2-26-蜗杆；2-27-伺服电机固定架。

3-1-上盖板；3-2-磁铁载板；3-3-调磁伺服电机；3-4-下盖板；3-5-齿条；3-6-铜柱；3-7-限位板；3-8-弹簧杆；3-9-弹簧；3-10-模块固定板；3-11-小齿轮；3-12-楔形块；3-13-齿条限位板；3-14-对光板；3-15-磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。

如附图1至图8所示，为本发明的一种高自由度自动化磁场角度调节平台，主要由实验台1、三轴转动平台2和磁场间距调整模块3构成，其中三轴转动平台2通过安装底座2-1和调高光杆2-2来调整其在实验底座1-1上的高度，通过物镜1-2射出的激光与固定于磁场间距调整模块3上的对光板3-14配合，让整个三轴转动平台2形成的球坐标其球心在物镜1-2的焦点处；三轴转动平台2通过外环2-4和外环上移动载板2-9配合采用外环用伺服电机2-8驱动齿轮的方式调整其内环2-6绕X轴转动的角度；外环上移动载板2-9下部安装有齿轮法兰盘2-12，采用垂直转动伺服电机2-22驱动垂直转动小齿轮2-23带动内环2-6绕Z轴转动一定角度；内环2-6中心下方安装有内环用伺服电机2-15，其通过内环用小齿轮2-14同样可实现绕X轴的角度调节；内环2-6底部一侧安装有转轴伺服电机2-19，其通过蜗轮2-20和蜗杆2-26驱动右侧传动杆2-17进而调节磁场间距调整模块3绕Y轴转动的角度；磁场间距调整模块3通过调磁伺服电机3-3带动小齿轮3-11和齿条3-5的方式控制楔形块3-12位移大小以此调节磁铁载板3-2之间的距离，进而调节磁场。

进一步，上述三轴转动平台2包括4个安装底座2-1，4个调高光杆2-2，2个外环固定架，半圆外环2-4，外环用大齿环2-5，半圆内环2-6，内环用大齿环2-7，外环用伺服电机2-8，外环上移动载板2-9，外环用小齿轮2-10，2个月牙挡块2-11，齿轮法兰盘2-12，内环转动载体2-13，内环用小齿轮2-14，内环用伺服电机2-15，左侧连接杆2-16，右侧传动杆2-17，2个法兰盘联轴器2-18，转轴伺服电机2-19，蜗轮2-20，外环上盖板2-21，垂直转动伺服电机2-22，垂直转动小齿轮2-23，垂直电机固定架2-24，内环转动载体盖板2-25，蜗杆2-26，伺服电机固定架2-27；其中所述安装底座2-1在其中心孔中安装有调高光杆2-2，通过螺栓紧固的方式调节调高光杆2-2抬升的高度，调高光杆2-2对称放置，每两个调高光杆2-2上方安装有1个外环固定架2-3，两个外环固定架2-3对称放置于物镜1-2的两侧，其上方设有槽和孔；外环2-4两端有垂直的固定端，使用螺栓紧固的方式将两端分别于外环固定架2-3连接，外环固定架2-3采用螺栓紧固的方式与调高光杆2-2连接。

所述外环2-4上方开有环形的槽，外环用大齿环2-5固定于环形的槽中；外环2-4使用外环上移动载板2-9和外环上盖板2-21配合将外环2-4套住进行限位；外环上移动载板2-9上放的孔槽中采用螺栓紧固的方式安装有外环用伺服电机2-8，其轴上安装有外环用小齿轮2-10，外环用小齿轮2-10与外环用大齿环2-5啮合，可以控制外环上移动载板2-9绕X轴转动一定角度。

所述外环上移动载板2-9下方使用螺栓紧固的方式在其圆形端安装有齿轮法兰盘2-12，齿轮法兰盘2-12其中央是高出许多的圆柱槽，在圆柱槽中安装有内环转动载体2-13，使用月牙挡块2-11将内环转动载体2-13安装于齿轮法兰盘2-12的圆柱槽中。

所述内环2-6下方设有槽安装内环用大齿环2-7，内环转动载体2-13与内环转动载体盖板2-25配合对内环2-6进行限位定位，内环转动载体2-13下方设有孔槽，采用螺栓紧固的方式固定有内环用伺服电机2-15，内环用伺服电机2-15其伸出轴安装有内环用小齿轮2-14，通过内环用小齿轮2-14和内环用大齿环2-7的啮合来调整内环绕X轴转动的角度。

所述内环转动载体盖板2-25外表面设计有螺纹孔，采用螺栓紧固方式与垂直电机固定架2-24连接，垂直电机固定架2-24上表面安装有垂直转动伺服电机2-22，其伸出轴向下安装有垂直转动小齿轮2-23，通过垂直转动小齿轮2-23与齿轮法兰盘2-12啮合传动调节内环转动载体2-13绕Z轴转动的角度，即内环绕Z轴的转角。

所述内环2-6底部两端设有孔，左侧孔中安装左侧连接杆2-16的一端，左侧连接杆2-16的另一端使用法兰盘联轴器2-18与磁场间距调整模块3连接；内环2-6右侧的孔安装有右侧传动杆2-17，右侧传动杆2-17一端使用法兰盘联轴器2-18与磁场间距调整模块3连接，向外侧安装有蜗轮2-20，内环2-6固定连接有伺服电机固定架2-27，伺服电机固定架上方安装有转轴伺服电机2-19，通过转轴伺服电机2-19驱动蜗杆2-26随后传动蜗轮2-20的方式，来调节磁场间距调整模块3绕Y轴旋转角度。

进一步说明，所述磁场间距调整模块3包括上盖板3-1，2个磁铁载板3-2，调磁伺服电机3-3，下盖板3-4，齿条3-5，4个铜柱3-6，2个限位板3-7，2个弹簧杆3-8，2个弹簧3-9，2个模块固定板3-10，小齿轮3-11，楔形块3-12，齿条限位板3-13，对光板3-14和磁铁3-15；其中所述上盖板3-1通过4个角点的4个铜柱3-6与下盖板3-4固定连接，在上盖板3-1和下盖板3-4的两侧孔槽中固定有2个限位板3-7，下盖板3-4上开有两个对称的槽口，限位板3-7中心孔中安装有弹簧杆3-8，弹簧杆3-8另一端抵住了从槽口伸入上盖板3-1和下盖板3-4间隙的磁铁载板3-2，在限位板3-7与磁铁载板3-2之间弹簧杆3-8外侧安设有弹簧3-9，使得两个磁铁载板3-2始终向中心挤压；

所述磁铁载板3-2下方设有安装磁铁3-15的方形槽，在磁铁载板3-2两侧边设有两个螺纹孔，在两个磁铁载板3-2最贴近的时候通过螺栓紧固方式安装有对光板3-14，在对光板3-14中心有小孔，方便对光使用；磁铁载板3-2上方两侧设有凸缘可以抵住下盖板3-4槽口两侧，这样磁铁载板3-2就可以被上盖板3-1和下盖板3-4夹住来限位；

所述上盖板3-1其一侧设有螺纹孔通过螺栓紧固方式连接有调磁伺服电机3-3，调磁伺服电机3-3下端伸出轴连接有小齿轮3-11，采用齿轮齿条传动方式，带动齿条3-5移动；齿条3-5一端通过螺纹紧固与楔形块3-12连接，另一端固定于齿条限位板3-13中，楔形块3-12使用两侧斜边抵住磁铁限位板3-2的斜边，通过齿条3-5带动楔形块3-12移动控制两个磁铁限位板3-2张开的距离。

本发明的高自由度自动化磁场角度调节平台的工作方法，具体是：

所述三轴转动平台2通过外环用伺服电机2-8，内环用伺服电机2-15，垂直转动伺服电机2-22和转轴伺服电机2-19，分别控制磁场间距调整模块3绕X轴的一级角度调节，绕X轴的二级角度调节，绕Z轴的角度调节和绕Y轴的角度调节。所述磁场间距调整模块3通过调磁伺服电机3-3控制磁铁载板3-2调节磁场强度。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高自由度自动化磁场角度调节平台，其特征在于包括实验台（1）、三轴转动平台（2）和磁场间距调整模块（3），实验台（1）包括实验底座（1-1），三轴转动平台（2）包括两个外环固定架（2-3）、半圆外环（2-4）、外环用大齿环（2-5）、半圆内环（2-6）、内环用大齿环（2-7）、外环上移动载板（2-9）、内环转动载体（2-13）、外环上盖板（2-21）和内环转动载体盖板（2-25）；磁场间距调整模块包括上盖板（3-1）和下盖板（3-4）；在实验底座（1-1）上两个外环固定架（2-3）对称设置，外环（2-4）两端分别和两外环固定架（2-3）连接，外环（2-4）上方安装有外环用大齿环（2-5）；外环上移动载板（2-9）和外环上盖板（2-21）配合将外环（2-4）套住进行限位；外环上移动载板（2-9）上安装有外环用伺服电机（2-8），其轴上安装有外环用小齿轮（2-10），外环用小齿轮（2-10）与外环用大齿环（2-5）啮合，外环上移动载板（2-9）下方安装有齿轮法兰盘（2-12），齿轮法兰盘（2-12）圆柱槽中安装有内环转动载体（2-13）；内环（2-6）下方安装内环用大齿环（2-7），内环转动载体（2-13）与内环转动载体盖板（2-25）配合将内环（2-6）套住进行限位，内环转动载体（2-13）下方固定有内环用伺服电机（2-15），内环用伺服电机（2-15）其伸出轴安装有内环用小齿轮（2-14），内环用小齿轮（2-14）和内环用大齿环（2-7）啮合，内环转动载体盖板（2-25）上安装有垂直转动伺服电机（2-22），其伸出轴安装有垂直转动小齿轮（2-23），垂直转动小齿轮（2-23）与齿轮法兰盘（2-12）啮合，内环（2-6）底部左侧安装左侧连接杆（2-16）的一端，左侧连接杆（2-16）的另一端与磁场间距调整模块（3）转动连接；内环（2-6）底部右侧安装右侧传动杆（2-17）的一端，右侧传动杆（2-17）另一端与磁场间距调整模块（3）转动连接，右侧传动杆（2-17）向外侧安装有蜗轮（2-20），内环（2-6）固定连接有伺服电机固定架（2-27），伺服电机固定架（2-27）上方安装有转轴伺服电机（2-19），转轴伺服电机（2-19）驱动蜗杆（2-26）并传动蜗轮（2-20），上盖板（3-1）与下盖板（3-4）固定连接，下盖板（3-4）上开有两个对称的槽口，上盖板（3-1）和下盖板（3-4）之间的两侧孔槽中固定有2个限位板（3-7），限位板（3-7）安装有弹簧杆（3-8），弹簧杆（3-8）另一端抵住了从槽口伸入到上盖板（3-1）和下盖板（3-4）之间的磁铁载板（3-2），弹簧杆（3-8）在限位板（3-7）与磁铁载板（3-2）之间的杆体上安设有弹簧（3-9），弹簧（3-9）使得两个磁铁载板（3-2）始终向中心挤压；磁铁载板（3-2）下方设有磁铁（3-15）；上盖板（3-1）其一侧设有调磁伺服电机（3-3），调磁伺服电机（3-3）下端伸出轴连接有小齿轮（3-11），采用齿轮齿条传动方式带动齿条（3-5）移动；齿条（3-5）一端与楔形块（3-12）连接，另一端固定于齿条限位板（3-13）中，楔形块（3-12）两侧斜边抵在两磁铁载板（3-2）之间，通过齿条（3-5）带动楔形块（3-12）移动控制两个磁铁载板（3-2）张开的距离。

2.根据权利要求1所述的一种高自由度自动化磁场角度调节平台，其特征在于三轴转动平台（2）还包括安装底座（2-1），安装底座（2-1）在其中心孔中安装有调高光杆（2-2），通过螺栓紧固的方式调节调高光杆（2-2）抬升的高度，调高光杆（2-2）对称放置，外环固定架（2-3）安装在调高光杆（2-2）上方。

3.根据权利要求1或2所述的一种高自由度自动化磁场角度调节平台，其特征在于在磁铁载板（3-2）两侧边设有两个螺纹孔，在两个磁铁载板（3-2）最贴近的时候通过螺栓紧固方式安装有对光板（3-14），在对光板（3-14）中心有小孔，方便对光使用。