CN109787447A - 一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台 - Google Patents
一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台,属于直线电机领域。解决了现有多自由度运动平台存在系统结构复杂、动态响应慢、定位精度低的问题。本发明包括一个具有双动次级的直线电机、一个定位台、3个连接杆和多个运动副，通过改变具有双动次级的直线电机的两个动次级之间的相对位置、运动方向和运动速度，即可实现定位台在水平面xoy或竖直面yoz上的两自由度定位运动。到两自由度直线平台制作领域。
Description
技术领域
本发明属于直线电机领域。
背景技术
目前，在集成电路、数控机床、精密测量等高端工业技术领域，对多自由度定位运动的需求日益增加。传统实现多自由度定位运动一般采用堆叠式的方案，即采用多个单自由度的运动执行机构进行组合来实现，比较典型的有两种机构，一种是基于旋转电机加滚珠丝杠，另外一种是基于直线电机。为了实现两自由度平面运动，无论采用哪种方案，x向驱动电机都需要位于y向驱动电机的上方，本质上属于由低维运动向高维运动的累加，因此存在系统结构复杂、动态响应慢、定位精度低等缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有多自由度运动平台存在系统结构复杂、动态响应慢、定位精度低的问题，本发明提供了一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台。
一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，包括一个具有双动次级的直线电机、一个定位台、3个连接杆和多个运动副；
3个连接杆分别为连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1；
双动次级直线电机的两个动次级A和B的结构相同，且二者可在互不干涉的前提下独立做直线运动；
动次级A通过两个运动副分别与两个长度相同的连接杆A1和A2的一端连接，连接杆A1和A2的另一端分别通过两个运动副与定位台底面连接；
连接杆A1和A2与动次级A之间的两个运动副用于保证连接杆A1和A2在水平面xoy或竖直面yoz内自由转动，且两个运动副的固定高度不同，用以保证两个连接杆A1和A2在运动时始终不发生干涉；
连接杆A1和A2始终平行，用于限制定位台在水平面xoy内发生偏转运动或竖直面yoz内发生俯仰运动；
连接杆B1的一端通过一个运动副与动次级B连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副与定位台连接；
通过改变两个动次级A和B之间的相对位置、运动方向、以及运动速度，用以实现定位台在水平面xoy或竖直面yoz内进行两自由度定位运动。
优选的是，定位台在水平面xoy内进行两自由度定位运动的条件包括：控制定位台在沿两个动次级的运动方向上的定位运动和控制定位台在垂直于两个动次级运动方向上的定位运动；
其中，
控制定位台在沿两个动次级的运动方向上的定位运动的过程为：使两个动次级在运动的过程中以相同的速度沿一个方向运动，且保证二者之间的相对位置不变，从而使定位台在水平面xoy内沿两个动次级的运动方向上进行定位运动，水平面xoy内两个动次级的运动方向为y轴方向；
控制定位台在垂直于两个动次级运动方向上的定位运动的过程为：在两个动次级在运动的过程中，改变两个动次级之间相对位置，在3个连接杆的作用下，使定位台在水平面xoy内沿垂直于两个动次级运动方向上进行定位运动，水平面xoy内垂直于两个动次级运动方向为x轴方向。
优选的是，定位台在竖直面yoz内进行两自由度定位运动的条件包括：控制定位台在沿两个动次级的运动方向上的定位运动和控制定位台在竖直方向上的定位运动；
其中，
控制定位台在沿两个动次级的运动方向上的定位运动的实现方式为：保证两个动次级在运动过程中的相对位置不变，且二者以相同的速度沿一个方向运动，从而使定位台在竖直面yoz内沿两个动次级的运动方向y轴上进行定位运动，竖直面yoz内两个动次级的运动方向为y轴方向；
控制定位台在竖直方向上的定位运动的实现方式为：在两个动次级在运动的过程中，改变两个动次级之间相对位置，在3个连接杆的作用下，使定位台在竖直面yoz内沿竖直方向上进行定位运动，竖直面yoz内的竖直方向为z轴方向。
优选的是，所述具有双动次级的直线电机的结构为单边、双边、平板型或圆筒型，其内有铁心或无铁心，其槽数为整数槽或分数槽，其绕组为集中绕组或分布绕组。
优选的是，运动副采用止推轴承、推力球轴承或其它提供自由旋转运动的部件实现。
本发明带来的有益效果是，本发明针对现有多自由度平台存在的技术壁垒，提出了一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，具有结构简单、易于实现等优点。
本发明申请提出的两自由度运动平台由一个具有双动次级的动次级直线电机、一个定位台以及多个连接杆和运动副组成，通过改变两个动次级之间的相对位置、运动方向和运动速度，即可实现定位台在水平面xoy(或竖直面yoz)上的两自由度定位运动。与传统堆叠式的两自由度运动平台相比，不存在底层电机需要始终承载顶层电机质量的问题，系统结构简单，动态响应快，定位精度高。如需要改变运动平台的运动范围，只需要增加直线电机初级的长度或更换不同长度的连接杆即可，安装和维护非常方便，而且便于功能扩展。
附图说明
图1为一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台的三维结构示意图，该平台可在水平面xoy内进行两自由度运动；其中，附图标记C表示具有双动次级的直线电机的初级；
图2为采用图1的两自由度运动平台实现的定位台1在y轴方向上的运动的状态图，其中，图2(a)表示定位台1运动前在y轴方向上的状态图，图2(b)表示定位台1运动后在y轴方向上的状态图；
图3为采用图1的两自由度运动平台实现的定位台1在x轴方向上的运动的状态图，其中，图3(a)表示定位台1运动前在x轴方向上的状态图，图3(b)表示定位台1运动后在x轴方向上的状态图；
图4为3个连接杆处于与y轴平行时，图1所述的两自由度运动平台的俯视图；
图5为3个连接杆处于与y轴平行时，图1所述的两自由度运动平台的主视图；
图6为一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台的三维结构示意图，该平台可在竖直面yoz内进行两自由度运动；其中，附图标记C表示具有双动次级的直线电机的初级；
图7为采用图6的两自由度运动平台实现的定位台1在y轴方向上的运动的状态图，其中，图7(a)表示定位台1运动前在y轴方向上的状态图，图7(b)表示定位台1运动后在y轴方向上的状态图；
图8为采用图6的两自由度运动平台实现的定位台1在z轴方向上的运动的状态图，其中，图8(a)表示定位台1运动前在z轴方向上的状态图，图8(b)表示定位台1运动后在z轴方向上的状态图；
图9为3个连接杆处于与y轴平行时，图6所述的两自由度运动平台的主视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台可实现在水平面xoy或竖直面yoz内进行两自由度定位运动，其中，运动平台实现水平面xoy内进行两自由度定位运动的方案如实施例一，具体参见图1至图5；运动平台实现竖直面yoz内进行两自由度定位运动的方案如实施例二，具体参见图6至图9。
实施例一：
本实施例一所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，可在水平面xoy内进行两自由度运动。
参见图1至图5说明本实施例一，本实施例一所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，包括一个具有双动次级的直线电机、一个定位台1、3个连接杆和多个运动副2；
3个连接杆分别为连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1；
双动次级直线电机的两个动次级A和B的结构相同，且二者可在互不干涉的前提下独立做直线运动；
动次级A通过两个运动副2分别与两个长度相同的连接杆A1和A2的一端连接，连接杆A1和A2的另一端分别通过两个运动副2与定位台1底面连接；
连接杆A1和A2与动次级A之间的两个运动副2用于保证连接杆A1和A2在水平面xoy内自由转动，且两个运动副2的固定高度不同，用以保证两个连接杆A1和A2在运动时始终不发生干涉；
连接杆A1和A2始终平行，用于限制定位台1在水平面xoy内发生偏转运动；
连接杆B1的一端通过一个运动副2与动次级B连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副2与定位台1连接；
通过改变两个动次级A和B之间的相对位置、运动方向、以及运动速度，用以实现定位台1在水平面xoy内进行两自由度定位运动。
本实施例一中，具有双动次级的直线电机采用单边有铁心结构，初级由铁心和绕组构成，次级由永磁体和轭板构成。直线电机动次级与连接杆之间、定位台与连接杆之间均通过运动副连接，运动副可保证连接杆在水平面xoy内自由转动。
本发明与传统堆叠式的两自由度运动平台相比，不存在底层电机需要始终承载顶层电机质量的问题，系统结构简单，动态响应快，定位精度高。如需要改变运动平台的运动范围，只需要增加直线电机初级的长度或更换不同长度的连接杆即可，安装和维护非常方便，而且便于功能扩展。
参见图1至图5说明实施例一的优选实施方式，优选的实施方式是，定位台1在水平面xoy内进行两自由度定位运动的条件包括：控制定位台1在沿两个动次级的运动方向上的定位运动和控制定位台1在垂直于两个动次级运动方向上的定位运动；
其中，
控制定位台1在沿两个动次级的运动方向上的定位运动的过程为：使两个动次级在运动的过程中以相同的速度沿一个方向运动，且保证二者之间的相对位置不变，从而使定位台1在水平面xoy内沿两个动次级的运动方向上进行定位运动，水平面xoy内两个动次级的运动方向为y轴方向；
控制定位台1在垂直于两个动次级运动方向上的定位运动的过程为：在两个动次级在运动的过程中，改变两个动次级之间相对位置，在3个连接杆的作用下，使定位台1在水平面xoy内沿垂直于两个动次级运动方向上进行定位运动，水平面xoy内垂直于两个动次级运动方向为x轴方向。
在具体的应用过程中，两个动次级之间的相对位置不变，以相同的速度沿一个方向运动时，定位台能够在y轴方向进行定位运动，改变两个动次级之间相对位置，定位台能够在x轴方向进行定位运动。因此，通过改变两个动次级之间的相对位置、运动方向和运动速度，定位台1能够在水平面内(xoy坐标平面)做两自由度定位运动。
参见图1至图5说明实施例一的优选实施方式，优选的实施方式是，所述具有双动次级的直线电机的结构为单边、双边、平板型或圆筒型，其内有铁心或无铁心，其槽数为整数槽或分数槽，其绕组为集中绕组或分布绕组。
参见图1至图5说明实施例一的优选实施方式，优选的实施方式是，运动副2采用止推轴承、推力球轴承或其它提供自由旋转运动的部件实现。
实施例二：
本实施例二所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，可在竖直面yoz内进行两自由度运动。
参见图6至图9说明本实施例，本实施例所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，包括一个具有双动次级的直线电机、一个定位台1、3个连接杆和多个运动副2；
3个连接杆分别为连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1；
双动次级直线电机的两个动次级A和B的结构相同，且二者可在互不干涉的前提下独立做直线运动；
动次级A通过两个运动副2分别与两个长度相同的连接杆A1和A2的一端连接，连接杆A1和A2的另一端分别通过两个运动副2与定位台1底面连接；
连接杆A1和A2与动次级A之间的两个运动副2用于保证连接杆A1和A2在竖直面yoz内自由转动，且两个运动副2的固定高度不同，用以保证两个连接杆A1和A2在运动时始终不发生干涉；
连接杆A1和A2始终平行，用于限制定位台1在竖直面yoz内发生俯仰运动；
连接杆B1的一端通过一个运动副2与动次级B连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副2与定位台1连接；
通过改变两个动次级A和B之间的相对位置、运动方向、以及运动速度，用以实现定位台1在竖直面yoz内进行两自由度定位运动。
本实施例二中，具有双动次级的直线电机采用单边有铁心结构，初级由铁心和绕组构成，次级由永磁体和轭板构成。直线电机动次级与连接杆之间、定位台与连接杆之间均通过运动副连接，运动副可保证连接杆在竖直面内yoz内自由转动，其中，z轴方向为垂直于水平面的方向，y轴方向为动次级的运动方向。
本发明与传统堆叠式的两自由度运动平台相比，不存在底层电机需要始终承载顶层电机质量的问题，系统结构简单，动态响应快，定位精度高。如需要改变运动平台的运动范围，只需要增加直线电机初级的长度或更换不同长度的连接杆即可，安装和维护非常方便，而且便于功能扩展。
参见图6至图9说明实施例二的优选实施方式，优选的实施方式是，定位台1在竖直面yoz内进行两自由度定位运动的条件包括：控制定位台1在沿两个动次级的运动方向上的定位运动和控制定位台1在竖直方向上的定位运动；
其中，
控制定位台1在沿两个动次级的运动方向上的定位运动的实现方式为：保证两个动次级在运动过程中的相对位置不变，且二者以相同的速度沿一个方向运动，从而使定位台1在竖直面yoz内沿两个动次级的运动方向y轴上进行定位运动，竖直面yoz内两个动次级的运动方向为y轴方向；
控制定位台1在竖直方向上的定位运动的实现方式为：在两个动次级在运动的过程中，改变两个动次级之间相对位置，在3个连接杆的作用下，使定位台1在竖直面yoz内沿竖直方向上进行定位运动，竖直面yoz内的竖直方向为z轴方向。
在具体的应用过程中，两个动次级之间的相对位置不变，以相同的速度沿一个方向运动时，定位台能够在y轴方向进行定位运动，改变两个动次级之间相对位置，定位台能够在z轴方向进行定位运动。因此，通过改变两个动次级之间的相对位置、运动方向和运动速度，定位台能够在竖直面内yoz坐标平面做两自由度定位运动。
参见图6至图9说明实施例二的优选实施方式，优选的实施方式是，所述具有双动次级的直线电机的结构为单边、双边、平板型或圆筒型，其内有铁心或无铁心，其槽数为整数槽或分数槽，其绕组为集中绕组或分布绕组。
参见图6至图9说明实施例二的优选实施方式，优选的实施方式是，运动副2采用止推轴承、推力球轴承或其它提供自由旋转运动的部件实现。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。
Claims (5)
1.一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，其特征在于，包括一个具有双动次级的直线电机、一个定位台(1)、3个连接杆和多个运动副(2)；
3个连接杆分别为连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1；
双动次级直线电机的两个动次级A和B的结构相同，且二者可在互不干涉的前提下独立做直线运动；
动次级A通过两个运动副(2)分别与两个长度相同的连接杆A1和A2的一端连接，连接杆A1和A2的另一端分别通过两个运动副(2)与定位台(1)底面连接；
连接杆A1和A2与动次级A之间的两个运动副(2)用于保证连接杆A1和A2在水平面xoy或竖直面yoz内自由转动，且两个运动副(2)的固定高度不同，用以保证两个连接杆A1和A2在运动时始终不发生干涉；
连接杆A1和A2始终平行，用于限制定位台(1)在水平面xoy内发生偏转运动或竖直面yoz内发生俯仰运动；
连接杆B1的一端通过一个运动副(2)与动次级B连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副(2)与定位台(1)连接；
通过改变两个动次级A和B之间的相对位置、运动方向、以及运动速度，用以实现定位台(1)在水平面xoy或竖直面yoz内进行两自由度定位运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，其特征在于，定位台(1)在水平面xoy内进行两自由度定位运动的条件包括：控制定位台(1)在沿两个动次级的运动方向上的定位运动和控制定位台(1)在垂直于两个动次级运动方向上的定位运动；
其中，
控制定位台(1)在沿两个动次级的运动方向上的定位运动的过程为：使两个动次级在运动的过程中以相同的速度沿一个方向运动，且保证二者之间的相对位置不变，从而使定位台(1)在水平面xoy内沿两个动次级的运动方向上进行定位运动，水平面xoy内两个动次级的运动方向为y轴方向；
控制定位台(1)在垂直于两个动次级运动方向上的定位运动的过程为：在两个动次级在运动的过程中，改变两个动次级之间相对位置，在3个连接杆的作用下，使定位台(1)在水平面xoy内沿垂直于两个动次级运动方向上进行定位运动，水平面xoy内垂直于两个动次级运动方向为x轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，其特征在于，定位台(1)在竖直面yoz内进行两自由度定位运动的条件包括：控制定位台(1)在沿两个动次级的运动方向上的定位运动和控制定位台(1)在竖直方向上的定位运动；
其中，
控制定位台(1)在沿两个动次级的运动方向上的定位运动的实现方式为：保证两个动次级在运动过程中的相对位置不变，且二者以相同的速度沿一个方向运动，从而使定位台(1)在竖直面yoz内沿两个动次级的运动方向y轴上进行定位运动，竖直面yoz内两个动次级的运动方向为y轴方向；
控制定位台(1)在竖直方向上的定位运动的实现方式为：在两个动次级在运动的过程中，改变两个动次级之间相对位置，在3个连接杆的作用下，使定位台(1)在竖直面yoz内沿竖直方向上进行定位运动，竖直面yoz内的竖直方向为z轴方向。
4.根据权利要求1至3之一所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，其特征在于，所述具有双动次级的直线电机的结构为单边、双边、平板型或圆筒型，其内有铁心或无铁心，其槽数为整数槽或分数槽，其绕组为集中绕组或分布绕组。
5.根据权利要求1至3之一所述的一种基于双次级直线电机的两自由度运动平台，其特征在于，运动副(2)采用止推轴承、推力球轴承或其它提供自由旋转运动的部件实现。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190521 |