CN108591258B - 用于大型精密仪器设备的地平式机架 - Google Patents

Abstract

用于大型精密仪器设备的地平式机架，包括俯仰轴、方位轴、叉臂、中间块及底座，方位轴和高度轴在空间上正交，通过方位轴与高度轴的联动被控对象的运动，特征是俯仰轴与方位轴分别设有约束该旋转轴轴向运动的主动式偏置磁悬浮轴承和约束该旋转轴径向运动的主动式偏置磁悬浮轴承，且设有相应的保护轴承和位置反馈系统，位置反馈系统的信号输入控制系统，控制系统分别控制驱动俯仰轴与方位轴的永磁同步力矩电机，还控制俯仰轴与方位轴的制动装置。本发明易于加工装配，维护成本低，无摩擦，低功耗，传动效率高，超低速运转时无爬行。可广泛应用于天文观测仪器、航空航天测控平台等高精度、高刚度旋转机械。

Description

用于大型精密仪器设备的地平式机架

技术领域

本发明涉及一种大型精密仪器设备的磁悬浮直驱跟踪装置，具体涉及一种用于大型精密仪器设备的地平式机架，可用于大型天文仪器、雷达、航天器测控仿真平台等领域。

背景技术

现代大型天文仪器大都采用地平式结构，包含俯仰轴和方位轴，其跟踪装置需要在承载数十乃至上千吨回转部件的重量下仍具有极高的运动精度和良好的稳定性，以确保精密仪器设备能够平稳、精确、超低速运行。目前，轴系一般采用液压静压轴承和机械轴承支承，液压静压轴承在结构设计上非常复杂，加工制造精度要求非常高，对于大型仪器设备，如12米天文望远镜方位轴所需的静压轴承直径可达20米，这无疑是一个极为严峻的挑战。另外，液压油性能受温度影响较大，须严格控制油温和环境温度，且需要可靠的供油系统和独立的供电系统，此外，还存在振动噪声大、占用空间大， 维护费用高，运输难度大等缺点。机械轴承支承的旋转轴，存在机械摩擦力矩大，非线性严重，功耗大，低速爬行，导致控制系统复杂、控制精度低等缺点，对于超低速精密跟踪的精密仪器设备而言问题更明显。

发明内容

本发明的目的是提出一种相对于现有技术状况而言应用范围广泛的一种用于大型精密仪器设备的地平式机架。本发明能够满足以下技术要求：易于加工装配，维护成本低，无摩擦，低功耗，传动效率高，超低速运转时无爬行现象。该装置实现了支撑与驱动的集成化设计，简化了结构，机械装配要求低，可靠性高，免维护，运行过程中无摩擦，精度高，低功耗，加速性能优异，无振荡等优点。该技术在天文仪器设备、雷达、航天器测控仿真平台等各种精密装备对可靠性、精度、承载等要求极高的应用场合有着广泛的应用前景。

完成上述发明任务的技术方案是：一种用于大型精密仪器设备的地平式机架，包括有俯仰轴（俯仰旋转轴）、方位轴（方位旋转轴）、叉臂、中间块及底座。方位轴和高度轴在空间上正交，该装置通过方位轴与高度轴的联动，实现被控对象的运动。其特征在于：所述的俯仰轴与方位轴分别设有约束该旋转轴轴向运动的主动式偏置磁悬浮轴承和约束该旋转轴径向运动的主动式偏置磁悬浮轴承，且设有相应的保护轴承和位置反馈系统，该位置反馈系统的信号输入控制系统，该控制系统分别控制驱动俯仰轴与方位轴的永磁同步力矩电机，该控制系统还控制俯仰轴与方位轴的制动装置。

工作前，先进行方位轴和高度轴各自支撑的磁悬浮轴承初始化，分别根据各自的轴向、径向传感器标定的位置，初始化控制电流或电压，控制各个旋转轴的位置。工作时，各个旋转轴需要独立或者联动时，由控制系统发出相应的系统指令。

所述方位轴由方位轴基座、方位轴永磁同步力矩电机、方位轴电磁制动器、方位轴轴向主动式偏置磁悬浮轴承、方位轴径向主动式偏置磁悬浮轴承、方位轴径向保护轴承、方位轴轴向保护轴承、方位旋转轴、方位轴位置传感器、方位传感器密封罩、方位轴电机密封罩组成；所述高度轴由左右两个耳轴成对对称组成，其中，左右两个耳轴的结构相同，高度轴的每个耳轴由高度轴基座、高度轴锥形主动式偏置磁悬浮轴承、高度轴轴向保护轴承、高度旋转轴、高度轴盘式永磁同步力矩电机、高度轴锥形主动式偏置磁悬浮轴承检测传感器、高度轴电磁制动器、高度轴径向保护轴承组成。

方位轴和旋转轴的驱动部分通过电动直接驱动来实现，尤其通过永磁同步力矩电机实现。其中，所述永磁同步力矩电机为三相永磁力矩电机，根据方位轴和高度轴各自结构的特点，方位轴的驱动电机采用径向磁场结构，高度轴的驱动电机采用轴向磁场的盘式结构，两种不同结构的永磁力矩电机均采用了模块化设计思想，针对大直径永磁同步力矩电机，采用拼接式、单元式结构设计。即电机均被设计成2L（L=1，2，3，4……）个最小单元电机。2L个最小单元可以灵活自由组合成P个功率更大的单元电机，根据型号大小， P=1，2，3，4，……。各个独立的单元电机可以单独作为一个电机运行，也可以协同同步运行。

所述方位轴永磁同步力矩电机和高度轴永磁同步力矩电机，其定子均采用单元式拼接结构设计，每个独立完整的定子单元由若干个最小定子绕组单元组合组成；可以有2O（O=1，2，3，4, ……）个独立的定子单元均布在同一圆周上，各个独立的定子单元可以单独作为一个电机运行，也可以协同或冗余的运行。更具体地，单元式拼接式结构设计是指每个独立绕组都由最小定子绕组单元通过定位结构装配为一个完整的定子单元，矽钢片与线圈之间通过绝缘隔离罩绝缘。

根据方位轴和高度轴各自结构的特点，方位轴的驱动电机的永磁体采用径向充磁方式，而高度轴的驱动电机采用轴向充磁方式，两种不同充磁方式电机的永磁体采用均采用了模块化设计思想，即所述的电机转子由n个N极和n个S极（n=1,2,3,…）交替均布的粘结在转子轴上，每个磁极由M（M=1，2，3，…）个等长同极性的永磁体组成；该M个等长的同极性的永磁由自动涂胶装配机构沿圆周方向按N、S极交替进行的方式均匀的粘结在电机转子轴上；每个磁极的永磁铁外面设计有不锈钢保护罩，防止永磁体的脱落。

所述的方位轴永磁同步力矩电机和高度轴永磁同步力矩电机均设计有冷却系统，电机定子外壳上设有冷却介质循环通道，两侧设有密封槽，密封槽里面镶入O型橡胶密封圈，外侧配合有冷却外壳，通过螺栓与电机定子外壳和设备基座进行连接固定；冷却外壳上加工有两个冷却接头螺纹孔，入口冷却接头与出口冷却接头分别与冷却接头螺纹孔连接，冷却时，冷却介质输入管与入口冷却接头相连，输出管则与出口冷却接头相连。

为了约束方位轴径向自由度且能够在磁悬浮轴承失效时保护整个机架，需设置有径向磁悬浮轴承和径向保护轴承，其中，径向保护轴承优选滚动轴承，球轴承或滚子轴承均可作为保护轴承。在所有情况中，为了实现方位轴的无摩擦悬浮，保护滚动轴承的滚珠或滚轮与方位旋转轴上的一个圆柱形表面保持相同的间距，且小于径向磁悬浮轴承的气隙，把方位旋转轴限制在有效的运动空间之内。径向主动式磁悬浮轴承为非机械接触轴承。可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承或二者相结合的混合轴承，根据优化设计方案，径向主动式偏置磁悬浮轴承采用单元化设计，成对均布于中央圆柱体的圆周上，其对数可选择2、3、4、……，典型结构为2。为了有效精确控制径向主动式磁悬浮轴承来保证方位旋转轴的回转精度，2对均布的径向轴承位置传感器实时测量方位旋转轴旋转中心的位置，根据检测的偏差，实时控制径向主动式磁悬浮轴承，确保方位旋转轴旋转中心在规定的精度空间之内。

同样，为了约束方位轴轴向自由度且能够在磁悬浮轴承失效时保护整个机架，需设置轴向磁悬浮轴承和轴向保护轴承，为了实现方位轴的无摩擦悬浮，轴向保护轴承运行时不与方位旋转轴接触，只有在轴向磁悬浮轴承失效，或者遭受大载荷冲击时，轴向保护轴承发生作用，保护轴向磁悬浮轴承以及装置其他部件不受破坏。轴向保护轴承优选滚动轴承，球轴承或者滚子轴承均可作为轴向保护轴承。在所有情况中，为了实现方位轴的无摩擦悬浮，轴向保护轴承的滚珠或滚轮与方位旋转轴上唯一的轴向支撑面保持相同的间距，该距离小于轴向磁悬浮轴承的气隙，从而把方位轴的轴向运动限制在有效的运动空间之内。根据同样的优选原则，轴向磁悬浮轴承为非机械接触轴承。可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承或二者相结合的混合轴承，根据优化设计方案，轴向偏置磁悬浮轴承采用单元化设计，成对均布于中央圆柱体的圆周上，其对数为R（R=1、2、3、4、……），典型结构为2。同样，轴向主动可控磁悬浮轴承也采用单元化设计，成对均布于方位轴的圆周上，与偏置磁悬浮轴承位置正交的均布在同一圆周上，其对数为T（T=1、2、3、4、……），典型结构为2。2对均布的轴向磁轴承位置传感器实时测量方位旋转轴的位置偏差，实时控制轴向主动可控磁悬浮轴承，确保旋方位轴轴向位置，轴向主动式磁悬浮轴承位置传感器优先选择高精度的电容式传感器。

为了实现高度轴中心旋转，设计有锥形主动式偏置磁悬浮轴承。为了实现对中间块4的旋转支撑，高度轴（3，5）需要成对使用。所述的锥形主动式偏置磁悬浮轴承也需成对使用，为非机械接触轴承，可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承或二者相结合的混合轴承，根据设计方案，锥形主动式偏置磁悬浮轴承采用单元化设计，被设计成2U（U=1，2，3，4，……）个最小单元，2U个最小单元可以灵活自由组合成W个单元，成对均布于中央圆柱体的圆周上，优选结构W=1，2，3，4，……。

所述的锥形主动式偏置磁悬浮轴承的锥形角α类似于角接触轴承的接触角，其大小可根据轴向和径向承载能力的进行设计，需成对使用。

为了对锥形主动式偏置磁悬浮轴承进行有效控制，它还包括传感器检测系统，该系统包括轴向位移传感器和径向位移传感器。径向位移传感器位于盘式永磁力矩电机的右侧并安装在定子外壳端盖上的支架上，轴向位移传感器安装在磁悬浮轴承端盖的轴向支架上。轴向位移传感器检测锥形主动式偏置磁悬浮轴承轴向的位移，径向位移传感器检测锥形主动式偏置磁悬浮轴承径向的位移。根据检测的偏差，实时控制高度轴锥形主动式磁悬浮轴承，确保高度轴回转中心在规定的精度空间之内。

高度轴旋转时，为了保护整个装置受到较大的外载荷冲击或者锥形主动式偏置磁悬浮轴承失效时不受破坏，还设计有保护轴承。其中径向保护轴承尤其是滚动轴承。球轴承以及滚子轴承均可作为滚动保护轴承。在所有情况中，为了实现旋转轴的无摩擦悬浮，保护滚动轴承的滚珠或滚轮与高度轴旋转轴上的一个唯一的圆柱形表面保持相同的间距，且小于锥形主动式偏置磁悬浮轴承的气隙径向分量。

为了实现地平式机架的紧急制动，方位轴和高度轴上均需设置有制动装置，所述的制动装置优选电磁制动器，液压制动器气动制动器均可实现旋转轴的制动。根据优化设计方案，优选电磁制动器，Z（Z=1、2、3、4、……）个电磁制动器对称均布安装在基座圆周上，每个制动器的制动平面与旋转轴上唯一制动平面保持相同的间距，失电时，每个制动器的制动平面与旋转轴上唯一制动平面接触实现地平式跟踪机架的制动。

根据集成化优化设计，所设计的方位旋转轴将承载平面，制动平面，圆光栅安装槽、保护轴承支撑面、磁悬浮轴承转子等有效的集成设计在一个部件上；更有效的形式，轴向偏置磁悬浮轴承单元、轴向主动式磁悬浮轴承单元共用同一个转子平面（导磁结构），且该转子平面同时作为制动装置的制动平面。进一步，径向偏置磁悬浮轴承单元、径向主动式磁悬浮轴承单元共用同一个转子圆柱体（导磁结构），且该转子圆柱体同时可以作为径向保护轴承的支撑圆柱面。

为了提高系统的可靠性。高度轴所设计的盘式永磁力矩电机采用对称的双冗余结构，既实现了轴向作用力的对称性，又可以通过双冗余控制系统实现某套控制系统出现故障时，另一套系统仍能够正常工作。正常工作时，两余度同时工作，当某一余度出现故障时，系统切除发生故障的余度，启用单余度方式。

本发明的优点在于，集成主动式偏置磁悬浮轴承技术和直接驱动技术，消除了机械轴承的摩擦，本发明的装置易于加工、装配，运输，维护成本低，具有定位精度高，承载能力强，功耗低，超低速运转时无爬行。

附图说明

图1-1、图1-2为地平式机架整体结构原理图；

图2-1、图2-2、图2-3、图2-4为高度轴原理图；

图3为高度轴电磁制动器剖面图；

图4为高度轴锥形主动式磁悬浮轴承剖面图；

图5为高度轴盘式永磁力矩电机剖面图；

图6为高度轴轴向保护轴承剖面图；

图7为高度轴反馈系统结构图；

图8为方位轴径向保护轴承结构图；

图9-1、图9-2为方位轴原理图；

图10为方位轴轴向保护轴承及径向被动式磁悬浮轴承原理图；

图11为方位轴轴向主动式磁悬浮轴承结构原理图；

图12为方位轴径向主动式磁悬浮轴承结构原理图；

图13为方位轴轴向被动磁悬浮轴承结构原理图；

图14-1、图4-2、图4-3为方位轴永磁力矩电机结构原理图。

具体实施方式

实施例1，用于大型精密仪器设备的地平式机架，如图1-图9-1、图9-2所示，本发明的用于大型精密仪器的地平式机架主要由方位轴1、叉臂2，6、高度轴3，5、中间块4组成。方位轴1主要由方位轴基座1-1、方位轴永磁同步力矩电机1-6、方位轴电磁制动器1-3、方位轴轴向主动式偏置磁悬浮轴承1-2，1-4、方位轴径向主动式偏置磁悬浮轴承1-7，1-8、方位轴径向保护轴承1-9、方位轴轴向保护轴承1-12、方位旋转轴1-5、方位轴位置传感器1-10、方位传感器密封罩1-11、方位轴电机密封罩1-13组成；高度轴3，5成对组合使用，结构相同，以高度轴3为例，主要由高度轴基座3-1、高度轴锥形主动式偏置磁悬浮轴承3-2、高度轴轴向保护轴承3-3、高度旋转轴3-4、高度轴盘式永磁同步力矩电机3-6、高度轴锥形主动式偏置磁悬浮轴承检测传感器3-6，3-7、高度轴电磁制动器3-8、高度轴径向保护轴承3-9，3-10组成。该装置水平放置，负载安装在中间块4上，工作前，先进行方位轴1和高度轴3，5各自支撑的磁悬浮轴承初始化，分别根据各自的轴向、径向传感器标定的位置，初始化控制电流或电压，控制各个旋转轴的位置。工作时，各个旋转轴需要独立或者联动时，由控制系统发出相应的系统指令。

根据方位轴1和高度轴3，5各自结构的特点，所述永磁同步力矩电机均为三相永磁力矩电机，方位轴永磁同步力矩电机1-6采用径向磁场结构，高度轴盘式永磁同步力矩电机3-6采用轴向磁场结构，两种不同结构的永磁力矩电机均采用了模块化设计思想，尤其针对大直径永磁同步力矩电机，采用拼接式、单元式结构设计。即电机均被设计成2L（L=1，2，3，4……）个最小单元电机。2L个最小单元可以灵活自由组合成P个功率更大的单元电机，根据型号大小， P=1，2，3，4，……，本实施实例中，P=4。各个独立的单元电机可以单独作为一个电机运行，也可以协同同步运行。

根据方位轴1和高度轴3，5各自结构的特点，所述方位轴永磁同步力矩电机1-6和高度轴永磁同步力矩电机3-6，其定子均采用单元式拼接结构设计，每个独立完整的定子单元由若干个最小定子绕组单元组合组成；可以有O（O=1，2，3，4, ……）个独立的定子单元均布在同一圆周上，本实施实例中，O=4。各个独立的定子单元可以单独作为一个电机运行，也可以协同或冗余的运行。更具体地，单元式拼接式结构设计是指每个独立绕组都由最小定子绕组单元通过定位结构装配为一个完整的定子单元，矽钢片与线圈之间通过绝缘隔离罩绝缘。

具体的讲，所述的高度轴3，5拼接式单元式结构设计具体是指每个独立绕组都由最小定子绕组单元通过定位结构，更具体的讲，最小定子单元（电机）主要由定子外壳3-501、定子铁芯固定板3-502、定子铁芯3-503、固定螺栓3-504、定子绕组3-505、环氧树脂3-506、磁气隙3-507、永磁体保护罩3-508、转子导磁环（板）3-509、永磁体3-510、紧定螺钉3-511组成。256块永磁体3-510通过环氧树脂均布粘贴在转子导磁环（板）3-509上，为了防止永磁体3-510脱落，在永磁体3-510外表面安装了不锈钢保护罩3-508，该保护罩通过连接部件紧固到转子导磁环（板）3-509上，电机转子通过连接件3-511刚性连接到旋转轴3-4上。最小定子单元（电机）的定子铁芯3-503设计有凸凹槽结构，根据具体型号的设计要求，若干个最小单元通过凸凹槽定位结构装配为一个完整的定子单元（电机）3-5，5-5；每个绕组单元的定子铁芯由矽钢片通过级进模冲压而成，作为本发明的一个实例，但不限于此，每个绕组定子铁芯单元3-503由1000片0.3mm矽钢片通过级进模冲压而成，定子铁芯3-503与定子绕组3-505之间通过绝缘隔离罩绝缘。每个内部单元的齿槽采用了用于减小齿槽效应结构；而每个完整定子单元最外侧的绕组单元，则采用了减少端面效应的设计，具体是指在定子单元的最外层的两个定子绕组的矽钢片上设计了有利于的磁力线回路结构，如图14所示。

所述的方位轴永磁同步力矩电机1-6为三相永磁同步力矩电机，径向磁场，采用单元式、拼接式设计结构，主要由定子外壳1-601、O形密封圈1-602、冷却介质输入接口1-606、冷却介质输出接口1-603、冷却密封外壳1-604、冷却介质流动通道1-605、电机密封盖板1-616、寻相传感器1-6171~1-619、转子安装圆柱体1-5061、转子导磁环1-612、永磁体1-613、永磁体保护罩1-614、磁气隙1-615、环氧树脂1-611、定子绕组1-609、定子铁芯1-608、定子固定键1-610组成。本装置有4个定子单元1-6，共用一个转子，可以独立或者协同的驱动方位旋转轴1-5旋转。每个独立绕组都由最小定子绕组单元通过定位凸台和凹槽定位装配为一个完整的定子单元；作为本专利的一个实例，但不限于此，每个绕组定子铁芯单元1-608由1000片0.3mm矽钢片通过级进模冲压而成，矽钢片与线圈直接通过绝缘隔离罩绝缘。

所述的永磁同步力矩电机6，通过寻相传感器617-619实现电机的寻相，确定相位，所述的寻相传感器为HALL传感器。

根据方位轴1和高度轴3，5各自结构的特点，所述方位轴永磁同步力矩电机1-6转子的永磁体采用径向充磁方式，高度轴永磁同步力矩电机3-6转子的永磁体采用轴向充磁方式。两种不同充磁方式电机的永磁体采用均采用了模块化设计思想，具体的讲，所述的电机转子由n个N极和n个S极（n=1，2，3，…）交替均布的分组在转子轴上，每个磁极由M（M=1，2，3，…）个等长同极性的永磁体组成；该M个等长的同极性的永磁由自动涂胶装配机构沿圆周方向按N、S极交替进行的方式均匀的粘结在电机转子轴上；每个磁极的永磁铁外面设计有不锈钢保护罩1-614，防止永磁体1-613的脱落。

作为实例一个具体实现，高度轴永磁同步力矩电机3-5或5-5转子由128个N极和128个S极交替均布的分布在转子轴上；每个磁极的永磁体3-510采用单元式结构；整个转子由16个转子单元组成，每个转子单元交替均布了8个N极和8个S极永磁体3-510，每个磁极由6个等长同极性的永磁体3-510组成；该6个等长同极性的永磁按N、S极交替进行的方式均匀粘结在转子导磁环（板）3-509上；永磁体3-510外面安装有不锈钢保护罩3-508，通过螺钉3-511固定在转子导磁环（板）3-509上。

方位轴永磁同步力矩电机1-6转子由512个N极和512个S极永磁体1-613交替均布的粘结在转子轴1-612上；整个转子由64个转子单元组成，每个转子单元交替均布了8个N极永磁体磁极和8个S极永磁体磁极，每个永磁体1-613由6个等长同极性的永磁体组成；该6个等长同极性的永磁体由自动涂胶装配机构按N、S极交替进行的方式均布的粘结在电机转子轴1-612上；为防止永磁体的脱落造成的破坏，永磁体磁极1-613外面安装了不锈钢保护罩1-614，并通过螺钉固定在电机转子轴1-612上。

所设计的方位轴永磁同步力矩电机1-6和高度轴永磁同步力矩电机3-5或5-5设计有冷却系统，电机定子外壳上设有冷却介质循环通道，两侧设有密封槽，密封槽里面镶入O型橡胶密封圈，外侧配合有冷却外壳，通过螺栓与电机定子外壳和设备基座进行连接固定；冷却外壳上加工有两个冷却接头螺纹孔，入口冷却接头与出口冷却接头分别与冷却接头螺纹孔连接，冷却时，冷却介质输入管与入口冷却接头相连，输出管则与出口冷却接头相连。具体实施方式以方位轴1为例进行说明，所述的冷却系统由O行密封橡胶圈1-602，冷却介质输入接口1-606，冷却介质输出接口1-603，冷却外壳1-604、冷却介质、冷却介质循环通道1-605组成：其中，电机定子外壳1-601上设有冷却介质循环通道1-605，两侧设有密封槽，密封槽里面镶入O型橡胶密封圈1-602，外侧配合有冷却外壳1-605，通过螺栓与电机定子外壳1-601和设备基座1-1进行连接固定。冷却时，冷却介质通过输入接口1-606流入冷却介质循环通道1-605，被加热的冷却介质通过输出接口1-603流回冷却系统。

为了约束方位轴轴向自由度且能够在磁悬浮轴承失效时保护整个机架，需设置轴向磁悬浮轴承和轴向保护轴承，方位轴1轴向主动式偏置磁悬浮轴承主要由轴向偏置磁悬浮轴承1-4及轴向主动式磁悬浮轴承1-2组成，为非机械接触轴承。可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承或二者相结合的混合轴承，作为实施实例，选用混合式磁悬浮轴承结构， 4个轴向偏置磁悬浮轴承单元1-4和4个轴向主动式磁悬浮轴承单元1-2共用一个转子。4个轴向偏置磁悬浮轴承1-4和4个轴向主动式磁悬浮轴承1-2交替均布安装在同一圆周上。根据轴向主动式偏置磁悬浮轴承位置传感器1-207的反馈信息，控制器实时控制方位旋转轴1-5位置。

方位轴轴向主动式偏置磁轴承其结构如图11所示，其轴向主动式磁悬浮轴承单元1-2主要由定子铁心1-206 、外导磁环1-202 、内导磁环（转子）1-202、激磁线圈1-203 、环氧树脂1-209、磁气隙1-202、轴向主动式磁悬浮轴承位置传感器1-207组成，四个轴向主动式磁悬浮轴承单元2均布在同一圆周上，每个单元通过36个螺栓固定底座1上。轴向偏置磁悬浮轴承单元8主要安装底座801，导磁环802、永磁体803、磁气隙804、导磁环805组成，四个轴向偏置磁悬浮轴承单元4与轴向主动式磁悬浮轴承单元2同一圆周上，旋转错开45°均布，同样，每个单元通过36个螺栓固定底座1上。4个正交分布的轴向磁轴承位置传感器通过测量方位旋转轴1-5 z方向2个正交方向上轴向位移信号，发出检测信号给轴向永磁偏置主动式磁轴承，转化为控制量后，实时控制方位旋转轴1-5。

如图10所示，轴向辅助轴承1-12主要用于整个装置受到较大的外载荷冲击或者轴向主动式偏置磁悬浮轴承失效时，保护整个装置不受破坏。设计的轴向辅助轴承1-12主要由轴承安装底座1-1201、大滚珠1-1202、小滚珠1-1203、轴承端盖1-1204、底座1-1、方位旋转轴1-5轴承支撑槽1-1205及间隙1-1207组成。根据优选方式，36套辅助保护轴承单元1-12均布在同一个圆周上，本设计数量不局限于36个，根据装置大小和承载能力可自由组合。方位旋转轴1-5上设计有用于大滚珠1-1202相匹配的球型凹槽，通过调整轴承安装底座1-1201，使得每个轴向辅助轴承单元与方位旋转轴1-5上球型凹槽的距离一致。然后，通过锁紧螺母固定在底座1-1设计的安装平面上。

更进一步的优化方式，轴承安装底座1-1201上还设计了压力传感器，可以检测方位旋转轴1-5与轴向辅助轴承1-12是否有接触，以及是否存在超载问题，根据压力传感器检测值，监控方位旋转轴1-5的工作状态。

为了约束方位轴径向自由度且能够在磁悬浮轴承失效时保护整个机架，需设置径向磁悬浮轴承和径向保护轴承，方位轴1径向主动式磁悬浮轴承（见图10，图12）为非机械接触轴承，可以是永磁偏置的、也可以是主动式磁悬浮轴承或二者相结合的主动式偏置磁悬浮轴承，本发明装置采用了4个主动控制磁轴承单元1-7和4个永磁偏置磁轴承单元1-8共用一个转子组成。4个径向主动控制磁轴承单元1-7均布安装在同一圆周上。主动控制磁轴承单元1-7根据径向主动式磁悬浮轴承位置传感器的反馈信息，径向主动控制磁悬浮轴承1-7的控制器利用空间矢量解析控制算法实时控制方位轴旋转中心位置。

如图12所示，径向主动式磁悬浮轴承1-7主要由外导磁环1-701、定子铁心1-702、激磁线圈1-704、环氧树脂1-703、磁气隙1-705、转子导磁环、传感器等组成，四个径向主动控制磁轴承单元1-7均布在电机定子安装座1上。方位旋转轴1-5上设计有转子导磁环。4个正交分布的径向主动式磁悬浮轴承位置传感器被安装在端盖上，通过测量方位旋转轴1-5x, y 2个正交方向上位移信号，发出检测信号给径向主动式磁悬浮轴承的控制器，转化为控制量后，实时控制方位旋转轴1-5旋转中心。

如图8所示，径向辅助轴承1-9主要用于方位旋转轴1-5受到较大的外载荷冲击或者轴向主动式偏置磁悬浮轴承失效时，保护整个装置不受破坏。设计的轴向辅助轴承1-9主要由轴承安装底座1-901、轴承棍子1-902、圆柱棍子轴承1-906、上轴承端盖1-905、螺栓1-904、下轴承端盖1-907、螺栓1-906、方位旋转轴承1-9圆柱面组成。根据优选方式，8套辅助保护轴承单元1-9均布在同一个圆周上，本设计数量不局限于8个，根据装置大小和承载能力可自由组合。方位旋转轴1-5上设计有用于支撑轴向辅助轴承1-9的圆柱形支撑面，通过调整支撑座1-901，使得每个轴向辅助轴承单元1-9与方位旋转轴1-5上的轴承支撑面的距离一致。

所述的高度轴锥形主动式偏置磁轴承3-2，5-2成对使用，其结构如图4所示，主要由定子铁芯5-202、内导磁环5-206、外导磁环5-201、激磁线圈5-204 、绝缘罩5-203、磁气隙5-207、定子铁芯压板5-208、轴向磁悬浮轴承位置传感器5-6、径向磁悬浮轴承位置传感器5-7组成。四个锥形主动式磁悬浮轴承单元5-5均布在同一圆周上，通过12个M20螺栓固定底座5-1上。4个正交分布的轴向磁悬浮轴承位置传感器5-6通过测量旋转轴ｚ方向上的轴向位移信号，4个正交分布的径向磁悬浮轴承位置传感器5-7通过测量旋转轴ｘ、ｙ2个正交方向上轴向位移信号，发出检测信号给轴向永磁偏置主动式磁轴承，转化为控制量后，实时控制高度旋转轴5-4。所述的传感器采用电涡流位移传感器，其探头型号RS-900500，也可以根据需要采用其它型号的传感器。

如图6所示，高度轴3，5轴向辅助轴承3-3，5-3主要用于高度旋转轴受到较大的外载荷冲击或者锥形主动式偏置磁悬浮轴承失效时，保护整个装置不受破坏。设计的轴向辅助轴承3-3，5-3成对对称使用，轴向辅助轴承3-3，5-3结构相同，以3-3为例，高度轴轴向辅助轴承主要由轴承安装底座3-301、大滚珠3-303、小滚珠3-302、轴承端盖3-304、紧固螺钉3-305、旋转轴3-4轴承支滚道及间隙组成。轴向辅助轴承要成对使用，根据实施方式，16套辅助保护轴承单元3均布在同一个圆周上，本设计数量不局限于16个，根据装置大小和承载能力可自由组合。高度旋转轴3-4上设计有用于大滚珠3-303相匹配的球型滚道，通过调整轴承安装底座3-301，使得每个轴向辅助轴承单元与高度旋转轴3-4上球型滚道距离一致。根据盘式直驱电机的磁气隙大小，该间距优选在0.5-2.5mm之间。调整好的轴向辅助轴承单元通过锁紧螺母固定在高度旋转轴设计的安装平面上。

如图5所示，高度轴3，5径向辅助轴承3-10，3-9主要用于高度旋转轴3-4受到较大的外载荷冲击或者锥形主动式偏置磁悬浮轴承失效时，保护整个装置不受破坏。设计的径向辅助轴承3-10，3-9成对对称使用，经向辅助轴承3-10，3-9结构相同，以3-10为例，主要由轴承安装底座3-101、大滚珠3-103、小滚珠3-104、轴承端盖3-105、紧固螺钉3-102、接触角α、轴承间隙和安装基件1、旋转轴4轴承支撑滚道组成。径向辅助轴承要成对使用，大滚珠3-103 与高度旋转轴3-4承支撑滚道存在一个接触角α ，可以同时实现轴向和径向的双向约束，对于具体实施方式，α = 40，8套径向辅助轴承3-10，3-9均布在同一个圆周上，本设计数量不局限于8，根据装置大小和承载能力可自由组合。旋转轴4轴承上设计有用于大滚珠3-103相匹配的球型滚道，通过调整轴承安装底座3-101，使得每个轴向辅助轴承单元与旋转轴4上球型滚道距离一致。根据盘式直驱电机的磁气隙大小，该轴向间距分量优选在0.5-2.0mm之间。调整好的轴向辅助轴承单元通过锁紧螺母固定在底座设计的安装平面上。

为了实现地平式机架方位轴1-1和高度轴3，5的紧急制动，方位轴和高度轴上均设置有制装置，所述的制动装置优选电磁制动器，液压制动器或气动制动器均可作为旋转轴的制动装置。根据优化设计方案，优选电磁制动器，Z（Z=1、2、3、4、……）个电磁制动器对称均布安装在基座圆周上，每个制动器的制动平面与旋转轴上唯一制动平面保持相同的间距，失电时，每个制动器的制动平面与旋转轴上唯一制动面接触实现旋转轴的制动。具体实施实例中，以高度轴为例加以说明，所述的高度轴3，5旋转轴上均设计有电磁制动器5-8，主要由制动器外壳5-801、制动器线圈5-802、摩擦片5-803、调整弹簧5-804、调整弹簧固定套5-805和高度旋转轴5-4上的制动平面组成。4个电磁制动器5-8对称均布安装在高度旋转轴基座5-1上，电磁制动器5-8的摩擦片5-803与高度轴旋转轴5-4唯一制动平面保持相同的间距0.5-2.0mm，失电时，每个电磁制动器5-8的摩擦片5-803与高度轴旋转轴5-4唯一制动平面接触实现高度旋转轴的制动。

Claims (7)

1.一种用于大型精密仪器设备的地平式机架，包括有俯仰轴、方位轴、叉臂、中间块及底座，方位轴和高度轴在空间上正交，通过方位轴与高度轴的联动，实现被控对象的运动，其特征在于：所述的俯仰轴与方位轴分别设有约束旋转轴轴向运动的主动式偏置磁悬浮轴承和约束该旋转轴径向运动的主动式偏置磁悬浮轴承，且设有相应的保护轴承和位置反馈系统，该位置反馈系统的信号输入控制系统，该控制系统分别控制驱动俯仰轴与方位轴的永磁同步力矩电机，该控制系统还控制俯仰轴与方位轴的制动装置。

2.根据权利要求1所述的用于大型精密仪器设备的地平式机架，其特征在于，所述方位轴由方位轴基座、方位轴永磁同步力矩电机、方位轴电磁制动器、方位轴轴向主动式偏置磁悬浮轴承、方位轴径向主动式偏置磁悬浮轴承、方位轴径向保护轴承、方位轴轴向保护轴承、方位旋转轴、方位轴位置传感器、方位传感器密封罩、方位轴电机密封罩组成；所述高度轴由左右两个耳轴成对对称组成，其中，左右两个耳轴的结构相同，高度轴的每个耳轴由高度轴基座、高度轴锥形主动式偏置磁悬浮轴承、高度轴轴向保护轴承、高度旋转轴、高度轴盘式永磁同步力矩电机、高度轴锥形主动式偏置磁悬浮轴承检测传感器、高度轴电磁制动器、高度轴径向保护轴承组成。

3.根据权利要求1所述的用于大型精密仪器设备的地平式机架，其特征在于，本地平式机架中还包括有传感器检测系统，该系统包括轴向位移传感器和径向位移传感器；所述径向位移传感器位于盘式永磁力矩电机的右侧并安装在定子外壳端盖上的支架上，所述轴向位移传感器安装在磁悬浮轴承端盖的轴向支架上；所述轴向位移传感器检测锥形主动式偏置磁悬浮轴承轴向的位移，径向位移传感器检测锥形主动式偏置磁悬浮轴承径向的位移；根据检测的偏差，实时控制高度轴锥形主动式磁悬浮轴承，确保高度轴回转中心在规定的精度空间之内。

4.根据权利要求1所述的用于大型精密仪器设备的地平式机架，其特征在于，所述高度轴还设有保护轴承；其中径向保护轴承采用滚动轴承、球轴承或滚子轴承；所述保护滚动轴承的滚珠或滚轮与高度轴旋转轴上的一个唯一的圆柱形表面保持相同的间距，且小于锥形主动式偏置磁悬浮轴承的气隙径向分量。

5.根据权利要求1所述的用于大型精密仪器设备的地平式机架，其特征在于，所述方位轴将承载平面，制动平面，圆光栅安装槽、保护轴承支撑面、磁悬浮轴承转子有效的集成设计在一个部件上；其中轴向偏置磁悬浮轴承单元、轴向主动式磁悬浮轴承单元共用同一个转子平面，且该转子平面同时作为制动装置的制动平面。

6.根据权利要求5所述的用于大型精密仪器设备的地平式机架，其特征在于，所述径向偏置磁悬浮轴承单元、径向主动式磁悬浮轴承单元共用同一个转子圆柱体，且该转子圆柱体同时作为径向保护轴承的支撑圆柱面。

7.根据权利要求1-6之一所述的用于大型精密仪器设备的地平式机架，其特征在于，所述高度轴盘式永磁力矩电机采用对称的双冗余结构，正常工作时，两个盘式永磁力矩电机同时工作，当某一个出现故障时，系统切除发生故障的电机，启用单余度方式。