CN109304694A - 一种电磁应力驱动的三自由度定位机构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁应力驱动的三自由度定位机构及控制方法，包括定位平台、外壳、底座、四组水平对称布置的相同结构电磁驱动单元以及具有柔性铰链的支撑块；电磁驱动单元包括永磁体、C型铁芯、励磁线圈和运动部件；运动部件左右两侧端面与C型铁芯的伸出端内侧面形成工作气隙；永磁体产生静态偏置磁通与励磁线圈通电产生的励磁磁通叠加，在工作气隙中产生电磁应力并作用到运动部件上，使运动部件沿气隙厚度方向运动，运动部件的运动通过柔性铰链传递到支撑块，从而推动定位平台；改变励磁线圈的通电方式，使得四组电磁机构的运动部件协同作动，实现定位平台沿x轴、y轴方向的两个平动自由度与绕z轴方向的一个转动自由度；本发明的三自由度定位机构具有动态响应速度快、结构简单、驱动力大、高精度微量定位的特点。
Description
技术领域
本发明涉及精密驱动与控制领域，具体涉及一种电磁应力驱动的三自由度定位机构及控制方法。
背景技术
随着科技的发展，在超精密加工、微电子工程等领域都迫切需要高精度、大行程的精密定位技术。目前，高精度行程定位平台最常采用的结构是x轴、y轴平动和绕z轴转动串联，此类机构的驱动方式多为音圈电机驱动和压电驱动。音圈电机驱动方式响应速度快，工作行程长，但是此类结构易受到结构刚度的限制，且随着结构刚度的增大，音圈电机的控制电流相应也会提高，发热量随之增大。压电驱动输出力大，频率响应快，但是由于输出位移较小，只有几十微米，因此需要位移放大机构提高工作行程，且过多的位移放大机构会降低系统的结构刚度，从而降低支撑效果。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用电磁应力驱动的三自由度定位机构及控制方法，相比音圈电机驱动，该方法驱动力大，发热量小，具有更宽的工作带宽，相比压电驱动方式，该方法输出位移大，功耗低，结构紧凑。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种电磁应力驱动的三自由度定位机构，包括定位平台1、外壳2、底座3、四组水平对称布置的相同结构的电磁驱动单元以及具有柔性铰链的支撑块9；定位平台1固定在支撑块9上，支撑块9通过第一圆弧形柔性铰链11与位于支撑块9四个对角的定位台10连接，定位台10与底座3通过螺栓固连；支撑块9通过第二圆弧形柔性铰链12与位于支撑块9四边的夹持部件13固连，每个夹持部件13外侧留有凹槽，用于安装电磁驱动单元；外壳2置于底座3外围，与底座3接合处留有凹槽，安装电磁驱动单元；外壳2与底座3采用螺栓固定连接；
四组所述电磁驱动单元结构相同，每组电磁驱动单元包括永磁体4、运动部件5、C型铁芯6和励磁线圈7；运动部件5内侧安装在夹持部件13外侧的凹槽内，运动部件5左右两侧端面与C型铁芯6的伸出端内侧形成工作气隙8；励磁线圈7安装在C型铁芯6的伸出端上，永磁体4设置在C型铁芯6内并位于运动部件5外侧，C型铁芯6外侧安装在外壳2与底座3接合处的凹槽内；永磁体4、运动部件5、C型铁芯6和工作气隙8组成磁通回路，永磁体4产生静态偏置磁通，与励磁线圈7通电产生的动态励磁磁通叠加，该叠加磁通在运动部件5两侧的工作气隙8中产生电磁应力，使运动部件5沿工作气隙8的厚度方向运动，运动部件5的运动通过第一圆弧形柔性铰链11和第二圆弧形柔性铰链12传递到支撑块9，从而推动定位平台1；改变励磁线圈7的通电方式，使得四组电磁机构的运动部件5协同作动，则实现定位平台1沿x轴、y轴方向的平面移动与绕z轴方向的转动。
所述外壳2和底座3均采用硬铝合金材料。
所述永磁体4采用高剩磁与矫顽力的钕铁硼材料；所述运动部件5和C型铁芯6采用高磁导率的坡莫合金材料。
所述的一种电磁应力驱动的三自由度定位机构的控制方法，给C型铁芯6两个伸出端上的励磁线圈7输入相同的电流信号，通电的励磁线圈7产生励磁磁通，该励磁磁通方向随电流方向变化；励磁线圈7产生的动态励磁磁通叠加到永磁体4产生的静态偏置磁通上，该叠加磁通作用到运动部件5上，并在运动部件5上沿工作气隙8厚度方向产生电磁应力，推动运动部件5沿工作气隙8的厚度方向运动；当x方向对称的两组电磁驱动单元同时输入相位相反的电流信号，其运动部件5会沿y方向运动，并推动与运动部件5通过第二圆弧形柔性铰链12连接的支撑块9一起运动，与支撑块9固连的定位平台1进而完成一维y方向平面移动；给y方向对称的两组电磁驱动单元同时输入相位相反的电流信号，与之对应的运动部件5会沿x方向运动，并带动与运动部件5通过第二圆弧形柔性铰链12连接的支撑块9一起运动，与支撑块9固连的定位平台1进而完成一维x方向平面移动；当四组电磁驱动单元同时输入相位相同的电流信号，每个运动部件5会围绕支撑块9的中心协同作动完成绕z方向的旋转运动，并带动与运动部件5通过第二圆弧形柔性铰链12连接的支撑块9一起运动，与支撑块9固连的定位平台1进而完成绕z方向的旋转运动。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明采用电磁应力驱动方式实现定位机构的三自由度运动，驱动力大，结构刚度高，输出位移大，响应速度快，结构简单，易加工。
2)本发明电磁应力驱动的三自由度定位机构，通过柔性铰链固连，使得电磁驱动单元产生的运动传递损耗小，无摩擦，运动精度高。
附图说明
图1为本发明定位机构示意图。
图2为本发明定位机构的电磁驱动单元示意图。
图3为本发明定位机构电磁驱动示意图。
图4为本发明外部控制回路示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种采用电磁力驱动的三自由度定位机构，包括定位平台1，外壳2、底座3、四组相同结构的电磁驱动单元以及用于固连的支撑块9。所述定位平台1安装在支撑块9上，支撑块9通过第一圆弧形柔性铰链11与四个对角的定位台10连接，定位台10与底座3通过螺栓固连。支撑块9通过第二圆弧形柔性铰链12与位于支撑块9四边的夹持部件13固连，每个夹持部件13外侧留有凹槽，用于安装每组电磁驱动单元的运动部件5。外壳2与底座3接合处留有凹槽，安装每组电磁驱动单元的C型铁芯6。外壳2与底座3采用螺栓固定连接。
如图2所示，定位机构内部水平对称布置四组结构相同的电磁驱动单元，每组电磁驱动单元包括永磁体4、运动部件5、C型铁芯6和励磁线圈7，运动部件5左右两侧端面与C型铁芯6的伸出端内侧形成工作气隙8。励磁线圈7安装在C型铁芯6的伸出端上。永磁体4设置在C型铁芯6内并位于运动部件5外侧，C型铁芯6外侧安装在外壳2与底座3接合处的凹槽内；永磁体4、运动部件5、C型铁芯6和工作气隙8组成磁通回路。永磁体4产生静态偏置磁通，与励磁线圈7通电后产生的动态励磁磁通叠加，该叠加磁通在运动部件5两侧的工作气隙8中产生的电磁应力，推动运动部件5沿工作气隙8的厚度方向运动，运动部件5的运动通过第一圆弧形柔性铰链11和第二圆弧形柔性铰链12传递到支撑块9，从而推动定位平台1。改变励磁线圈7的通电方式，使得四组电磁机构的运动部件5协同作动，可以实现定位平台1沿x轴、y轴方向的平面移动与绕z轴方向的旋转转动。
作为本发明的优选实施方式，外壳2和底座3均采用硬铝合金材料。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体4采用较高剩磁与矫顽力的钕铁硼材料；所述运动部件5、C型铁芯6采用较高磁导率的坡莫合金材料。
本发明的工作原理为：如图3和图4所示，假设四组电磁驱动单元的线圈外部控制回路如图4所示，给x轴方向的a组电磁驱动单元和c组电磁驱动单元同时输入相位相反的电流信号，此时y轴方向的b组和d组电磁驱动单元不通电，使得a组电磁驱动单元的运动部件a-5沿工作气隙a-8厚度方向往y轴正向运动，c组电磁驱动单元的运动部件c-5沿工作气隙c-8厚度方向往y轴正向运动，从而带动支撑块9沿y轴正方向运动，改变a组和c组电磁驱动单元的通电电流方向，支撑块9沿y轴方向往复运动。同理，给y轴方向的b组和d组电磁驱动单元同时输入相位相反的电流信号，x轴方向的a组和c组电磁驱动单元不通电，支撑块9会沿x轴方向往复运动，从而实现定位平台1在水平方向x轴与y轴的两个平动自由度。给四组电磁驱动单元同时输入相位相同的电流信号，使得a组电磁驱动单元的运动部件a-5沿y轴正方向运动，b组电磁驱动单元的运动部件b-5沿x轴负方向运动，c组电磁驱动单元的运动部件c-5沿y轴负方向运动，d组电磁驱动单元的运动部件d-5沿x轴正方向运动，实现支撑块9绕z轴顺时针方向转动，改变四组电磁驱动单元的通电电流方向，支撑块9绕z轴逆时针方向转动，从而实现定位平台绕z轴方向的转动自由度θz。
Claims (4)
1.一种电磁应力驱动的三自由度定位机构，其特征在于：包括定位平台(1)、外壳(2)、底座(3)、四组水平对称布置的相同结构的电磁驱动单元以及具有柔性铰链的支撑块(9)；定位平台(1)固定在支撑块(9)上，支撑块(9)通过第一圆弧形柔性铰链(11)与位于支撑块(9)四个对角的定位台(10)连接，定位台(10)与底座(3)通过螺栓固连；支撑块(9)通过第二圆弧形柔性铰链(12)与位于支撑块(9)四边的夹持部件(13)固连，每个夹持部件(13)外侧留有凹槽，用于安装电磁驱动单元；外壳(2)置于底座(3)外围，与底座(3)接合处留有凹槽，安装电磁驱动单元；外壳(2)与底座(3)采用螺栓固定连接；
四组所述电磁驱动单元结构相同，每组电磁驱动单元包括永磁体(4)、运动部件(5)、C型铁芯(6)和励磁线圈(7)；运动部件(5)内侧安装在夹持部件(13)外侧的凹槽内，运动部件(5)左右两侧端面与C型铁芯(6)的伸出端内侧形成工作气隙(8)；励磁线圈(7)安装在C型铁芯(6)的伸出端上，永磁体(4)设置在C型铁芯(6)内并位于运动部件(5)外侧，C型铁芯(6)外侧安装在外壳(2)与底座(3)接合处的凹槽内；永磁体(4)、运动部件(5)、C型铁芯(6)和工作气隙(8)组成磁通回路，永磁体(4)产生静态偏置磁通，与励磁线圈(7)通电产生的动态励磁磁通叠加，该叠加磁通在运动部件(5)两侧的工作气隙(8)中产生电磁应力，使运动部件(5)沿工作气隙(8)的厚度方向运动，运动部件(5)的运动通过第一圆弧形柔性铰链(11)和第二圆弧形柔性铰链(12)传递到支撑块(9)，从而推动定位平台(1)；改变励磁线圈(7)的通电方式，使得四组电磁机构的运动部件(5)协同作动，则实现定位平台(1)沿x轴、y轴方向的平面移动与绕z轴方向的转动。
2.根据权利要求1所述的一种电磁应力驱动的三自由度定位机构，其特征在于：所述外壳(2)和底座(3)均采用硬铝合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种电磁应力驱动的三自由度定位机构，其特征在于：所述永磁体(4)采用高剩磁与矫顽力的钕铁硼材料；所述运动部件(5)和C型铁芯(6)采用高磁导率的坡莫合金材料。
4.权利要求1至3任一项所述的一种电磁应力驱动的三自由度定位机构的控制方法，其特征在于：给C型铁芯(6)两个伸出端上的励磁线圈(7)输入相同的电流信号，通电的励磁线圈(7)产生励磁磁通，该励磁磁通方向随电流方向变化；励磁线圈(7)产生的动态励磁磁通叠加到永磁体(4)产生的静态偏置磁通上，该叠加磁通作用到运动部件(5)上，并在运动部件(5)上沿工作气隙(8)厚度方向产生电磁应力，推动运动部件(5)沿工作气隙(8)的厚度方向运动；当x方向对称的两组电磁驱动单元同时输入相位相反的电流信号，其运动部件(5)会沿y方向运动，并推动与运动部件(5)通过第二圆弧形柔性铰链(12)连接的支撑块(9)一起运动，与支撑块(9)固连的定位平台(1)进而完成一维y方向平面移动；给y方向对称的两组电磁驱动单元同时输入相位相反的电流信号，与之对应的运动部件(5)会沿x方向运动，并带动与运动部件(5)通过第二圆弧形柔性铰链(12)连接的支撑块(9)一起运动，与支撑块(9)固连的定位平台(1)进而完成一维x方向平面移动；当四组电磁驱动单元同时输入相位相同的电流信号，每个运动部件(5)会围绕支撑块(9)的中心协同作动完成绕z方向的旋转运动，并带动与运动部件(5)通过第二圆弧形柔性铰链(12)连接的支撑块(9)一起运动，与支撑块(9)固连的定位平台(1)进而完成绕z方向的旋转运动。
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