CN109818479A - 一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台 - Google Patents
一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，涉及直线电机领域。本发明是为了解决现有实现多自由度定位运动的装置存在结构复杂、动态响应慢和定位精度低的问题。运动副可保证连接杆在水平面或竖直面内自由转动，而且运动副的固定高度不同，动初级A和B之间的相对位置不变，以相同的速度沿一个方向运动时，定位台能够在动初级运动方向上进行定位运动，改变两个动初级之间相对位置，在三个连接杆的作用下，定位台能够在垂直于动初级运动方向上进行定位运动，因此，通过改变两个初级之间的相对位置、运动方向和运动速度，可以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。它用于实现多自由度定位运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台。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实现多自由度定位运动的装置存在结构复杂、动态响应慢和定位精度低的问题。现提供一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台。
一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，它包括一个具有双动初级的直线电机、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；
双动初级的直线电机的两个动初级A和B的结构相同，且二者能在互不干涉的前提下在直线电机次级上做直线运动，
动初级A的上表面通过两个运动副2分别与两个长度相同的连接杆A1和连接杆A2的一端连接，连接杆A1和连接杆A2的另一端分别通过两个运动副2与定位台1底面连接；
动初级A上表面的两个运动副2的高度不同，以保证连接杆A1和连接杆A2在运动时始终不发生干涉，连接杆A1和连接杆A2始终保持平行，用于限制定位台1在水平面内发生偏转运动的作用；
连接杆B1的上表面通过一个运动副2与连接杆B1的一端连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副2与定位台1底面连接，连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1各绕一个运动副2在水平面内自由转动；
当两个动初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1能够在动初级运动方向上进行定位运动；当改变两个动初级之间相对位置，在三个连接杆的作用下，定位台1能够在水平面内垂直于动初级运动方向上进行定位运动。
一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，它包括一个具有双动初级的直线电机、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；
双动初级的直线电机的两个动初级A和B的结构相同，且二者能在互不干涉的前提下在直线电机次级上做直线运动，
动初级A的上表面通过两个运动副2分别与两个长度相同的连接杆A1和连接杆A2的一端连接，连接杆A1和连接杆A2的另一端分别通过两个运动副2与定位台1底面连接；
动初级A上表面的两个运动副2的高度不同，以保证连接杆A1和连接杆A2在运动时始终不发生干涉，连接杆A1和连接杆A2始终保持平行，用于限制定位台1在竖直面内发生俯仰运动的作用；
连接杆B1的上表面通过一个运动副2与连接杆B1的一端连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副2与定位台1底面连接，连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1各绕一个运动副2在竖直面内自由转动；
当两个动初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1能够在动初级运动方向上进行定位运动；当改变两个动初级之间相对位置，在三个连接杆的作用下，定位台1能够在竖直方向上进行定位运动。
优选地，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。
优选地，运动副2采用止推轴承、推力球轴承或其它能够提供自由旋转运动的部件实现。
本发明的有益效果为：
本发明申请提出的多自由度运动平台由一个具有双动初级的直线电机、一个定位台以及3个连接杆和多个运动副组成，通过改变两个动初级之间的相对位置、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次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为具有双初级的单边直线电机的多自由度运动平台在水平面xoy内进行两自由度定位运动的结构示意图；
图2(a)和图2(b)均为图1中的定位台沿y轴运动的结构图；
图3(a)和图3(b)均为图1中的定位台沿x轴运动的结构图；
图4(a)为图1中的连接杆处于与y轴平行的状态的俯视图；图4(b)为图1中的连接杆处于与y轴平行的状态的主视图；
图5为具有双初级的双边直线电机的多自由度运动平台在水平面xoy内进行两自由度定位运动的结构示意图；
图6(a)和图6(b)均为图5中的定位台在xoy平面内的运动示意图；
图7为具有双初级的单边直线电机的多自由度运动平台在yoz平面内进行定位运动的结构示意图；
图8(a)和图8(b)均为定位台沿y轴运动的结构示意图；
图9(a)和图9(b)均为定位台沿z轴运动的结构示意图；
图10为图7中的连接杆处于与y轴平行的状态的结构示意图；
图11为具有双初级的双边直线电机的多自由度运动平台在yoz平面内进行定位运动的结构示意图；
图12(a)和图12(b)均为定位台在yoz平面内的运动示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
在现有技术中，用于实现多自由度定位运动的装置存在操作不便、调节性差、成本大的缺陷。针对上述技术缺陷，本发明实施例提出了一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台。
实施例1：
参照图1至图4的具有双初级的单边直线电机的多自由度运动平台在水平面xoy内进行两自由度定位运动结构和参照图5至图6的具有双初级的双边直线电机的多自由度运动平台在水平面xoy内进行两自由度定位运动结构来具体说明本实施例1，该运动平台中的连接杆可绕运动副(2)在水平面内自由转动，两个动初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1能够在y向进行定位运动。
参照图1至图6，本实施例1的具有双初级的直线电机的多自由度运动平台包括一个具有双动初级的直线电机、一个定位台1、3个连接杆和多个运动副2，
直线电机采用单边有铁心结构或者双边有铁心结构，其中，图1至图4中的直线电机采用单边有铁心结构，图5至图6中的直线电机采用双边有铁心结构，
双动初级的直线电机的两个动初级均由铁心和绕组构成，次级由永磁体和轭板构成；直线电机动初级与连接杆之间、定位台1与连接杆之间均通过运动副2连接，运动副2为止推轴承、推力球轴承或者其它能够提供自由旋转运动的部件，当采用止推轴承或推力球轴承时，止推轴承或推力球轴承的轴线与直线电机初级的上表面垂直；
运动副2可保证连接杆在水平面内自由转动；
将动初级运动方向作为y轴方向，将水平面上垂直y轴方向作为x轴方向，将垂直x轴和y轴的方向作为z轴方向，
两个初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1能够在y轴方向进行定位运动，改变两个动初级之间相对位置，定位台1能够在x轴方向进行定位运动。因此，通过改变两个初级之间的相对位置、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。
基于上述分析，可见本实施例1的具有双初级的直线电机的多自由度运动平台可带来如下有益效果：
通过改变两个动初级之间的相对位置、运动方向和运动速度，即可实现定位台1在水平面xoy上的两自由度定位运动。
如需要改变运动平台的运动范围，只需要增加直线电机次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。本实施例结构简单，动态响应快，定位精度高。
实施例2：
参照图7至图10的具有双初级的单边直线电机的多自由度运动平台在yoz平面内进行定位运动结构和参照图11至图12的具有双初级的双边直线电机的多自由度运动平台在yoz平面内进行定位运动来具体说明本实施例2，该运动平台中的连接杆可绕运动副2在竖直面内自由转动，两个动初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1能够在z向进行定位运动。
参照图7至图10，本实施例2的具有双初级的直线电机的多自由度运动平台包括一个具有双动初级的直线电机、一个定位台1、3个连接杆和多个运动副2，
直线电机采用单边有铁心结构或者双边有铁心结构，其中，图7至图10中的直线电机采用单边有铁心结构，图11至图12中的直线电机采用双边有铁心结构，
双动初级的直线电机的两个动初级均由铁心和绕组构成，次级由永磁体和轭板构成；
直线电机动初级与连接杆之间、定位台1与连接杆之间均通过运动副2连接，运动副2为止推轴承或推力球轴承或者其它能够提供自由旋转运动的部件，当采用止推轴承或推力球轴承时，止推轴承或推力球轴承的轴线与直线电机初级的上表面平行；
运动副2可保证连接杆在竖直面内自由转动；
将动初级运动方向作为y轴方向，将水平面上垂直y轴方向作为x轴方向，将垂直x轴和y轴的方向作为z轴方向，
两个动初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1能够在y轴方向进行定位运动，改变两个动初级之间相对位置，定位台1能够在z轴方向进行定位运动。因此，通过改变两个动初级之间的相对位置、运动方向和运动速度，定位台1能够在竖直面内(yoz坐标平面)做两自由度定位运动。
基于上述分析，可见本实施例2的具有双初级的直线电机的多自由度运动平台可带来如下有益效果：
通过改变两个动初级之间的相对位置、运动方向和运动速度，即可实现定位台1在竖直面yoz上的两自由度定位运动。
如需要改变运动平台的运动范围，只需要增加直线电机次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。本实施例结构简单，动态响应快，定位精度高。
本申请中的运动副可以采用让连接杆实现在水平面内自由转动的结构，也可以采用不同的结构让连接杆实现在竖直面内自由转动；还可以采用同一种结构既可以让连接杆实现在水平面内自由转动还可以让连接杆实现在竖直面内自由转动，例如，采用止推轴承或者推力球轴承，将止推轴承或者推力球轴承设置在直线电机初级的上表面，且止推轴承或者推力球轴承的轴线与直线电机初级的上表面垂直，从而使连接杆实现在水平面内自由转动；而将止推轴承或推力球轴承的轴线与直线电机初级的上表面平行设置，就会使连接杆实现在竖直面内自由转动。
Claims (4)
1.一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，其特征在于，它包括一个具有双动初级的直线电机、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；
双动初级的直线电机的两个动初级A和B的结构相同，且二者能在互不干涉的前提下在直线电机次级上做直线运动，
动初级A的上表面通过两个运动副(2)分别与两个长度相同的连接杆A1和连接杆A2的一端连接，连接杆A1和连接杆A2的另一端分别通过两个运动副(2)与定位台(1)底面连接；
动初级A上表面的两个运动副(2)的高度不同，以保证连接杆A1和连接杆A2在运动时始终不发生干涉，连接杆A1和连接杆A2始终保持平行，用于限制定位台(1)在水平面内发生偏转运动的作用；
连接杆B1的上表面通过一个运动副(2)与连接杆B1的一端连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副(2)与定位台(1)底面连接，连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1各绕一个运动副(2)在水平面内自由转动；
当两个动初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(1)能够在动初级运动方向上进行定位运动；当改变两个动初级之间相对位置，在三个连接杆的作用下，定位台(1)能够在水平面内垂直于动初级运动方向上进行定位运动。
2.一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，其特征在于，它包括一个具有双动初级的直线电机、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；
双动初级的直线电机的两个动初级A和B的结构相同，且二者能在互不干涉的前提下在直线电机次级上做直线运动，
动初级A的上表面通过两个运动副(2)分别与两个长度相同的连接杆A1和连接杆A2的一端连接，连接杆A1和连接杆A2的另一端分别通过两个运动副(2)与定位台(1)底面连接；
动初级A上表面的两个运动副(2)的高度不同，以保证连接杆A1和连接杆A2在运动时始终不发生干涉，连接杆A1和连接杆A2始终保持平行，用于限制定位台(1)在竖直面内发生俯仰运动的作用；
连接杆B1的上表面通过一个运动副(2)与连接杆B1的一端连接，连接杆B1的另一端通过一个运动副(2)与定位台(1)底面连接，连接杆A1、连接杆A2和连接杆B1各绕一个运动副(2)在竖直面内自由转动；
当两个动初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(1)能够在动初级运动方向上进行定位运动；当改变两个动初级之间相对位置，在三个连接杆的作用下，定位台(1)能够在竖直方向上进行定位运动。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，其特征在于，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。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于双初级直线电机的多自由度运动平台，其特征在于，运动副(2)采用止推轴承、推力球轴承或其它能够提供自由旋转运动的部件实现。
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