CN109067254A - 一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置及方法，包括放置在水平面Y轴上的直线导轨，所述直线导轨上设有移动滑块；由永磁材料构成的浮子；垂直于水平面放置在Z轴上的平面磁悬浮座，平面磁悬浮座上沿X轴和Z轴方向分别对称的设置四个电磁铁，分别设在四个电磁铁端部的四个位置传感器，通过四个位置传感器组合确定所述浮子的位置，根据所述浮子位置的变化，分别调节四个电磁铁中的励磁电流，保持所述浮子处于稳定悬浮状态；设在水平面Y轴方向上的空间管道。本发明通过电磁铁对浮子的电磁斥力作用，实现浮子的稳定悬浮及水平位置的控制，通过底座的直线进给，可以实现浮子在空间管道内以不碰撞管壁的方式前行。
Description
技术领域
本发明涉及一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置及方法，用于实现航空燃油输送空间管道内部的检测与清淤工作。
背景技术
近年来，随着电子技术与控制技术的发展，磁悬浮技术在工业技术领域、生命科学领域等得到了广泛的应用。在磁悬浮技术研究领域，单自由度磁悬浮球系统由于其组成相对简单、数学模型相对明确、控制性能相对直观、研发周期也相对较短，因此对单自由度磁悬浮球系统的研究一直受到重视与关注。现有的磁悬浮球技术比较成熟，不过只能实现浮子位置的一维控制。且磁场的驱动方式多以前置磁场为主。
伴随着MEMS技术不断取得新的成就，基于磁场驱动技术及MEMS的永磁微机器人成为了研究热点，然而，通过亥姆霍兹线圈驱动的永磁微机器人的运动范围受限于亥姆霍兹线圈的大小。
目前，弯管类机械零件内部的表面质量通常采用破坏性检验的方法，虽然能直接测量出弯管零件的内部质量，但是这种方法只能用于抽样检测，检验过的零件不能再交付使用。
航空燃油弯管用量很大，其内部的质量检测是目前行业普遍无法解决的一个工件难题，而微细弯管也容易发生淤积堵塞，弯管的清淤工作难度较大。
发明内容
为解决航空管道内部的检测及清淤问题，本发明提供一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置及方法，利用磁悬浮技术，实现基于外磁场驱动的管道空间运动，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，该平面外磁场驱动装置包括放置在水平面Y轴上的直线导轨，所述直线导轨上设有移动滑块；
由永磁材料构成的浮子；
垂直于水平面放置在Z轴上的平面磁悬浮座，所述平面磁悬浮座上沿X轴和Z轴方向分别对称的设置第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁和第四电磁铁，所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第三电磁铁和所述第四电磁铁产生的电磁合力与所述浮子重力保持平衡，所述平面磁悬浮座与所述移动滑块相连；
分别设在所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第三电磁铁和所述第四磁铁端部设有第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器和第四位置传感器，所述第一位置传感器、所述第二位置传感器、所述第三位置传感器和所述第四位置传感器分别检测自身与所述浮子之间的距离，通过四个位置传感器组合确定所述浮子的位置，根据所述浮子位置的变化，分别调节所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第三电磁铁和所述第四电磁铁中的励磁电流，保持所述浮子处于稳定悬浮状态；
设在水平面Y轴方向上的空间管道。
进一步地，所述Y轴与直线导轨的轴线重合，所述Z轴方向垂直水平面向上，所述X轴方向根据右手定则确定。
进一步地，所述空间管道为包含多种折弯的空间管道；所述浮子在外磁场驱动下，实现在所述空间管道内以不碰撞管壁的方式前行。
进一步地，所述平面磁悬浮座与所述移动滑块在Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现；所述浮子在X轴和Z轴方向上的位置变化通过控制所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第三电磁铁和所述第四电磁铁中的励磁电流实现，以实现所述浮子在所述空间管道内的运动。
进一步地，所述平面磁悬浮座上设有用于所述空间管道从中穿过的通孔。
进一步地，所述平面外磁场驱动装置还包括第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器和第四功率放大器，所述第一功率放大器、所述第二功率放大器、所述第三功率放大器和第四功率放大器的输出端分别与所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第三电磁铁和所述第四电磁铁相连，提供电磁铁励磁电流。
进一步地，所述平面外磁场驱动装置还包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器和第四电流传感器，所述第一电流传感器、所述第二电流传感器、所述第三电流传感器和所述第四电流传感器的输入端分别与所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第三电磁铁和所述第四电磁铁串联。
进一步地，所述平面外磁场驱动装置还包括控制器，所述第一位置传感器、所述第二位置传感器、所述第三位置传感器和所述第四位置传感器的输出端连接在所述控制器的输入端，所述第一电流传感器、所述第二电流传感器、所述第三电流传感器和所述第四电流传感器的输出端连接在所述控制器的输入端，所述第一功率放大器、所述第二功率放大器、所述第三功率放大器和所述第四功率放大器的输入端连接在所述控制器的输出端。
进一步地，所述第一位置传感器、所述第二位置传感器、所述第三位置传感器和所述第四位置传感器均为霍尔传感器。
一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动方法，它包括以下步骤：
步骤一，接通电源，当浮子放置在第一电磁铁、第二电磁铁(105)、第三电磁铁和第四电磁铁附近时，第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器和第四位置传感器分别检测自身与浮子之间的距离，使四个电磁铁立即通电，通过位置传感器检测浮子在X轴、Z轴方向位置信号，自动调节X轴、Z轴上四个电磁铁中通过的电流大小和方向，通过四个传感器组合确定浮子的位置，以保持浮子稳定悬浮在初始位置；
步骤二，通过第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器和第四电流传感器，分别检测第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁和第四电磁铁中的励磁电流值，自动调节四个电磁铁中的励磁电流，以保证四个电磁铁中的励磁电流稳定性；
步骤三，根据空间管道入口位置，控制器调节四个电磁铁中的励磁电流，改变浮子的悬浮位置，以保证浮子以悬浮状态进入空间管道；
步骤四，移动滑块沿直线导轨向前进给，带动底座直线进给，驱动浮子悬浮进入空间管道，控制器根据空间管道形态变化，实时调节四个电磁铁中的励磁电流大小，以保证浮子在空间管道中处于悬浮状态；
步骤五，平面磁悬浮座与移动滑块在空间管道中Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现，浮子在空间管道中X轴、Z轴的移动通过控制四个电磁铁的励磁电流大小实现，通过三个轴的组合控制实现浮子在空间管道内以不碰撞管壁的方式前行。
本发明的有益效果是：通过在平面磁悬浮座上设有四个对称的电磁铁，电磁铁对浮子产生电磁吸引力，调节每个电磁铁中通过的电流，改变浮子的平衡位置，从而浮子可以克服重力悬浮在电磁铁围成区域的空间任一位置上，实现浮子二维位置的控制，同时平面磁悬浮座与移动滑块在Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现，浮子在X轴、Z轴的移动通过控制电磁铁的励磁电流大小实现，三个轴的组合控制实现浮子在空间弯管不碰撞壁面的方式前行。
附图说明
图1为本发明的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置的结构示意图；
图2为图1中平面磁悬浮座的结构示意图；
图3为本发明的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置的电路原理图；
图中：101—直线导轨；102—移动滑块；103—平面磁悬浮座；104—第一电磁铁、105—第二电磁铁、106—第三电磁铁、107—第四电磁铁；108—浮子；109—空间弯管；110—控制器；111—第一位置传感器、112—第二位置传感器、113—第三位置传感器、114—第四位置传感器；115—第一功率放大器、116—第二功率放大器、117—第三功率放大器、118—第四功率放大器；119—第一电流传感器、120—第二电流传感器、121—第三电流传感器、122—第四电流传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1和2所示，本发明提出一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，包括放置在水平面Y轴上的直线导轨101，所述直线导轨101上设有移动滑块102；由永磁材料构成的浮子108，浮子为球型，也可以为圆柱型；垂直于水平面放置在Z轴上的平面磁悬浮座103，所述平面磁悬浮座103上沿X轴和Z轴方向分别对称的设置第一电磁铁104、第二电磁铁105、第三电磁铁106和第四电磁铁107，所述第一电磁铁104、所述第二电磁铁105、所述第三电磁铁106和所述第四电磁铁107产生的电磁合力与所述浮子108重力保持平衡，所述平面磁悬浮座103与所述移动滑块102相连。
分别设在所述第一电磁铁104、所述第二电磁铁105、所述第三电磁铁106和所述第四磁铁107端部的第一位置传感器111、第二位置传感器112、第三位置传感器113和第四位置传感器114，所述第一位置传感器111、所述第二位置传感器112、所述第三位置传感器113和所述第四位置传感器114分别检测自身与所述浮子108之间的距离，通过四个位置传感器组合确定所述浮子108的位置，根据所述浮子108位置的变化，分别调节所述第一电磁铁104、所述第二电磁铁105、所述第三电磁铁106和所述第四电磁铁107中的励磁电流，保持所述浮子108处于稳定悬浮状态；设在水平面Y轴方向上的空间管道109，所述空间管道109为包含多种折弯且直径小于20mm空间管道；所述浮子108在外磁场驱动下，实现在所述空间管道109内以不碰撞管壁的方式前行。
本发明驱动装置所述Y轴与直线导轨的轴线重合，所述Z轴方向垂直水平面向上，所述X轴方向根据右手定则确定。
如图2所示，所述平面磁悬浮座103上设有用于所述空间管道109从中穿过的通孔。
如图1所示，所述平面磁悬浮座103与所述移动滑块102在Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现；所述浮子108在X轴和Z轴方向上的位置变化通过控制所述第一电磁铁104、所述第二电磁铁105、所述第三电磁铁106和所述第四电磁铁107中的励磁电流实现，以实现所述浮子108在所述空间管道109内的运动。
在上述技术方案的基础上，如图3所示，一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置还包括第一功率放大器115、第二功率放大器116、第三功率放大器117和第四功率放大器118，所述第一功率放大器115、所述第二功率放大器116、所述第三功率放大器117和第四功率放大器118的输出端分别与所述第一电磁铁104、所述第二电磁铁105、所述第三电磁铁106和所述第四电磁铁107相连，提供电磁铁励磁电流。
在上述技术方案的基础上，如图3所示，一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置还包括第一电流传感器119、第二电流传感器120、第三电流传感器121和第四电流传感器122，第一电流传感器119、第二电流传感器120、第三电流传感器121和第四电流传感器122的输入端分别与第一电磁铁104、第二电磁铁105、第三电磁铁106和第四电磁铁107串联，以检测电磁铁中通过的电流值。
在上述技术方案的基础上，如图3所示，一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，还包括控制器110，第一位置传感器111、第二位置传感器112、第三位置传感器113和第四位置传感器114的输出端连接在控制器110的输入端，第一电流传感器119、第二电流传感器120、第三电流传感器121和第四电流传感器122的输出端连接在控制器110的输入端，第一功率放大器115、第二功率放大器116、第三功率放大器117和第四功率放大器118的输入端连接在控制器110的输出端。
本发明还提出一种小尺度空间弯管的倾斜外磁场驱动方法，如图1-3所示，该方法包括以下步骤：
(1)接通电源，当浮子108放置在第一电磁铁104、第二电磁铁105、第三电磁铁106和第四电磁铁107附近时，第一位置传感器111、第二位置传感器112、第三位置传感器113和第四位置传感器114分别检测自身与浮子108之间的距离，使四个电磁铁立即通电，通过位置传感器检测浮子108在X轴、Z轴方向位置信号，自动调节X轴、Z轴上四个电磁铁中通过的电流大小和方向，通过四个传感器组合确定浮子108的位置，以保持浮子108稳定悬浮在初始位置
(2)通过第一电流传感器119、第二电流传感器120、第三电流传感器121和第四电流传感器122，分别检测第一电磁铁104、第二电磁铁105、第三电磁铁106和第四电磁铁107中的励磁电流值，自动调节四个电磁铁中的励磁电流，以保证四个电磁铁中的励磁电流稳定性；
(3)根据空间管道109入口位置，控制器110调节四个电磁铁中的励磁电流，改变浮子108的悬浮位置，以保证浮子108以悬浮状态进入空间管道109；
(4)移动滑块102沿直线导轨101向前进给，带动底座104直线进给，驱动浮子108悬浮进入空间管道109，控制器110根据空间管道109形态变化，实时调节四个电磁铁中的励磁电流大小，以保证浮子108在空间管道109中处于悬浮状态；
(5)磁悬浮座104与移动滑块102在空间管道109中Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现，浮子108在空间管道109中X轴、Z轴的移动通过控制四个电磁铁的励磁电流大小实现，通过三个轴的组合控制实现浮子108在空间管道109内以不碰撞管壁的方式前行。
本发明通过电磁铁对浮子108的电磁斥力作用，实现浮子108的稳定悬浮及水平位置的控制，通过平面磁悬浮座103的直线进给，可以实现浮子108在空间管道109内以不碰撞管壁的方式前行。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述平面外磁场驱动装置包括放置在水平面Y轴上的直线导轨(101)，所述直线导轨(101)上设有移动滑块(102)；
由永磁材料构成的浮子(108)；
垂直于水平面放置在Z轴上的平面磁悬浮座(103)，所述平面磁悬浮座(103)上沿X轴和Z轴方向分别对称的设置第一电磁铁(104)、第二电磁铁(105)、第三电磁铁(106)和第四电磁铁(107)，所述第一电磁铁(104)、所述第二电磁铁(105)、所述第三电磁铁(106)和所述第四电磁铁(107)产生的电磁合力与所述浮子(108)重力保持平衡，所述平面磁悬浮座(103)与所述移动滑块(102)相连；
分别设在所述第一电磁铁(104)、所述第二电磁铁(105)、所述第三电磁铁(106)和所述第四磁铁(107)端部设有第一位置传感器(111)、第二位置传感器(112)、第三位置传感器(113)和第四位置传感器(114)，所述第一位置传感器(111)、所述第二位置传感器(112)、所述第三位置传感器(113)和所述第四位置传感器(114)分别检测自身与所述浮子(108)之间的距离，通过四个位置传感器组合确定所述浮子(108)的位置，根据所述浮子(108)位置的变化，分别调节所述第一电磁铁(104)、所述第二电磁铁(105)、所述第三电磁铁(106)和所述第四电磁铁(107)中的励磁电流，保持所述浮子(108)处于稳定悬浮状态；
设在水平面Y轴方向上的空间管道(109)。
2.根据权利要求1所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述Y轴与直线导轨的轴线重合，所述Z轴方向垂直水平面向上，所述X轴方向根据右手定则确定。
3.根据权利要求1所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述空间管道(109)为包含多种折弯的空间管道；所述浮子(108)在外磁场驱动下，实现在所述空间管道(109)内以不碰撞管壁的方式前行。
4.根据权利要求1所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述平面磁悬浮座(103)与所述移动滑块(102)在Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现；所述浮子(108)在X轴和Z轴方向上的位置变化通过控制所述第一电磁铁(104)、所述第二电磁铁(105)、所述第三电磁铁(106)和所述第四电磁铁(107)中的励磁电流实现，以实现所述浮子(108)在所述空间管道(109)内的运动。
5.根据权利要求1所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述平面磁悬浮座(103)上设有用于所述空间管道(109)从中穿过的通孔。
6.根据权利要求1-5任一项所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述平面外磁场驱动装置还包括第一功率放大器(115)、第二功率放大器(116)、第三功率放大器(117)和第四功率放大器(118)，所述第一功率放大器(115)、所述第二功率放大器(116)、所述第三功率放大器(117)和所述第四功率放大器(118)的输出端分别与所述第一电磁铁(104)、所述第二电磁铁(105)、所述第三电磁铁(106)和所述第四电磁铁(107)相连，提供电磁铁励磁电流。
7.根据权利要求1-5任一项所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述平面外磁场驱动装置还包括第一电流传感器(119)、第二电流传感器(120)、第三电流传感器(121)和第四电流传感器(122)，所述第一电流传感器(119)、所述第二电流传感器(120)、所述第三电流传感器(121)和第四电流传感器(122)的输入端分别与所述第一电磁铁(104)、所述第二电磁铁(105)、所述第三电磁铁(106)和所述第四电磁铁(107)串联。
8.根据权利要求1-5任一项所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述平面外磁场驱动装置还包括控制器(110)，所述第一位置传感器(111)、所述第二位置传感器(112)、所述第三位置传感器(113)和所述第四位置传感器(114)的输出端连接在所述控制器(110)的输入端，所述第一电流传感器(119)、所述第二电流传感器(120)、所述第三电流传感器(121)和所述第四电流传感器(122)的输出端连接在所述控制器(110)的输入端，所述第一功率放大器(115)、所述第二功率放大器(116)、所述第三功率放大器(117)和所述第四功率放大器(118)的输入端连接在所述控制器(110)的输出端。
9.根据权利要求1所述的小尺度空间管道的平面外磁场驱动装置，其特征在于，所述第一位置传感器(111)、所述第二位置传感器(112)、所述第三位置传感器(113)和所述第四位置传感器(114)均为霍尔传感器。
10.一种小尺度空间管道的平面外磁场驱动方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一，接通电源，当浮子(108)放置在第一电磁铁(104)、第二电磁铁(105)、第三电磁铁(106)和第四电磁铁(107)附近时，第一位置传感器(111)、第二位置传感器(112)、第三位置传感器(113)和第四位置传感器(114)分别检测自身与浮子(108)之间的距离，使四个电磁铁立即通电，通过位置传感器检测浮子(108)在X轴、Z轴方向位置信号，自动调节X轴、Z轴上四个电磁铁中通过的电流大小和方向，通过四个传感器组合确定浮子(108)的位置，以保持浮子(108)稳定悬浮在初始位置；
步骤二，通过第一电流传感器(119)、第二电流传感器(120)、第三电流传感器(121)和第四电流传感器(122)，分别检测第一电磁铁(104)、第二电磁铁(105)、第三电磁铁(106)和第四电磁铁(107)中的励磁电流值，自动调节四个电磁铁中的励磁电流，以保证四个电磁铁中的励磁电流稳定性；
步骤三，根据空间管道(109)入口位置，控制器(110)调节四个电磁铁中的励磁电流，改变浮子(108)的悬浮位置，以保证浮子(108)以悬浮状态进入空间管道(109)；
步骤四，移动滑块(102)沿直线导轨(101)向前进给，带平面磁悬浮座(103)直线进给，驱动浮子(108)悬浮进入空间管道(109)，控制器(110)根据空间管道(109)形态变化，实时调节四个电磁铁中的励磁电流大小，以保证浮子(108)在空间管道(109)中处于悬浮状态；
步骤五，平面磁悬浮座(104)与移动滑块(102)在空间管道(109)中Y轴方向的移动通过伺服电机驱动实现，浮子(108)在空间管道(109)中X轴、Z轴的移动通过控制四个电磁铁的励磁电流大小实现，通过三个轴的组合控制实现浮子(108)在空间管道(109)内以不碰撞管壁的方式前行。
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| CN111030509A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-04-17 | 重庆大学 | 一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置和方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Lu Yonghua Inventor after: Zhang Chi Inventor after: Wang Rui Inventor after: Zhang Xiang Inventor after: Zhang Jia Inventor before: Lu Yonghua Inventor before: Zhang Chi Inventor before: Wang Rui Inventor before: Zhang Xiang Inventor before: Zhang Jia |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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