CN112928891A - 一种六自由度磁浮台装置及其控制方法 - Google Patents

一种六自由度磁浮台装置及其控制方法 Download PDF

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    • H02K2201/18Machines moving with multiple degrees of freedom

Abstract

本发明公开一种六自由度磁浮台装置,包括支撑框架、移动框架和磁浮驱动机构,所述支撑框架包括第一支撑框架、第二支撑框架和第三支撑框架,所述磁浮驱动机构包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元,各驱动单元分别包括固定在所述支撑框架的定子和与定子配合的动子。还公开了一种磁浮台的控制方法。本发明通过分别设置的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元,选择控制驱动单元的通电或控制驱动单元中线圈的驱动电流的方向、幅值和相位,可以实现移动框架的平动、转动,即提供六自由度的运动,相对于现有技术,具有结构简单、控制策略简单的优点。

Description

一种六自由度磁浮台装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种磁浮台装置,应用于自动化装备领域。
背景技术
微电子技术是随着集成电路,尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术是高科技和信息产业的核心技术,已经渗入到现代技术和社会生活的各个领域。微电子技术的迅速发展,对自动化装备的需求越来越大,对自动化装备的性能和产能也提出了更高的要求。
在自动化装备制造领域,大行程运动台技术是自动化装备制造系统的核心技术,一直受到行业内的高度重视。自动化装备的性能和产能,也对运动台的速度、加速度和定位精度等性能提出了更高的要求。传统的大行程运动台系统,通常采用直线电机+机械导轨的技术方式,或者采用直线电机+气浮导轨的技术方式。直线电机+机械导轨的技术方式,引入了机械摩擦,限制了运动性能的提高。而直线电机+气浮导轨的技术方式,虽然降低了机械摩擦的影响,但大尺寸的气浮支撑面对平整度要求非常高,增加了加工制造难度,提高了生产成本。
随着运动台系统的工位增加,运动台的行程也随之增大,这就要求运动台基座覆盖行程的长度尺寸要更大。而行程的增大和产率的要求,对运动台的速度、加速度和定位精度指标提出了高要求;同时需要考虑运动台维护上的便利性,以及加工制造难度和成本上的可控性,这一系列的要求都对现有技术方式带来巨大的挑战和考验。
发明内容
本发明提供了一种六自由度磁浮台装置及其控制方法,可以解决现有技术中的上述缺陷。
本发明的技术方案如下:
一种六自由度磁浮台装置,包括支撑框架(2)、移动框架(1)和磁浮驱动机构,所述支撑框架(2)包括第一支撑框架(2-1)、第二支撑框架(2-2)和第三支撑框架(2-3),其中,所述第二支撑框架(2-2)呈第一预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述第三支撑框架(2-3)呈第二预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述支撑框架(2)固定,所述移动框架(1)至少部分布设于所述支撑框架(2)内;所述磁浮驱动机构包括第一驱动单元(1-1)、第二驱动单元(1-2)和第三驱动单元(1-3),所述第一驱动单元(1-1)配置在所述第一支撑框架(2-1)与所述移动框架(1)间,所述第二驱动单元(1-2)配置在所述第二支撑框架(2-2)与所述移动框架(1)间,所述第三驱动单元(1-3)配置在所述第三支撑框架(2-3)与所述移动框架(1)间,各驱动单元分别包括固定在所述支撑框架(2)的定子和位于所述移动框架(1)并与定子配合的动子。
在一些实施例中,所述第一支撑框架(2-1)、所述第二支撑框架(2-2)、所述第三支撑框架(2-3)间两两正交设置。
在一些实施例中,所述支撑框架(2)还包括第四支撑框架(2-4),所述第四支撑框架(2-4)与所述第二支撑框架(2-2)相对设置,所述磁浮驱动机构还包括设置在所述第四支撑框架(2-4)与所述移动框架(1)间的第四驱动单元(1-4)。
在一些实施例中,所述第四驱动单元(1-4)以与所述第二驱动单元(1-2)相同的方式布设。
在一些实施例中,所述定子与所述动子为配合设置的线圈阵列和磁体阵列,其中,所述磁体阵列为海尔贝克阵列。
在一些实施例中,所述磁体阵列固定于所述支撑框架(2),所述线圈阵列固定于所述移动框架(1)。
在一些实施例中,以垂直于所述第一支撑框架(2-1)的方向为第二方向,以垂直于所述第二支撑框架(2-2)的方向为第三方向,以垂直于所述第三支撑框架(2-3)的方向为第一方向,所述第一驱动单元(1-1)中,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第一方向两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第一方向两两相邻布置;所述第二驱动单元(1-2)中,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向两两相邻布置;所述第三驱动单元(1-3)中,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向两两相邻布置。
在一些实施例中,所述第一驱动单元(1-1)包括至少两组所述线圈阵列,且多组所述线圈阵列沿第三方向分布;所述第二驱动单元(1-2)包括至少两组所述线圈阵列,且多组所述线圈阵列沿第一方向分布;所述第三驱动单元(1-3)包括至少两组所述线圈阵列,且多组所述线圈阵列沿第三方向分布。
优选的,所述磁浮驱动机构还包括功率放大器,其中,各驱动单元均配置有所述的功率放大器。
本发明还提供一种六自由度磁浮台的控制方法,包括提供一种磁浮台装置,所述六自由度磁浮台装置包括支撑框架(2)、移动框架(1)和磁浮驱动机构;所述支撑框架(2)包括第一支撑框架(2-1)、第二支撑框架(2-2)和第三支撑框架(2-3),其中,所述第二支撑框架(2-2)呈第一预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述第三支撑框架(2-3)呈第二预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述支撑框架(2)固定,所述移动框架(1)至少部分布设于所述支撑框架(2)内;所述磁浮驱动机构包括第一驱动单元(1-1)、第二驱动单元(1-2)和第三驱动单元(1-3),所述第一驱动单元(1-1)配置在所述第一支撑框架(2-1)与所述移动框架(1)间,所述第二驱动单元(1-2)配置在所述第二支撑框架(2-2)与所述移动框架(1)间,所述第三驱动单元(1-3)配置在所述第三支撑框架(2-3)与所述移动框架(1)间,各驱动单元分别包括固定在所述支撑框架(2)的定子和与定子配合的动子;通过控制所述磁浮驱动机构的驱动电流的方向、幅值和相位,使所述移动框架(1)产生平动或转动。
在上述的控制方法中,所述支撑框架(2)还包括第四支撑框架(2-4),所述第四支撑框架(2-4)与所述第二支撑框架(2-2)相对设置,所述磁浮驱动机构还包括设置在所述第四支撑框架(2-4)与所述移动框架(1)间的第四驱动单元(1-4),所述第四驱动单元(1-4)以与所述第二驱动单元(1-2)相同的方式布设;其中每一驱动单元分别至少配置有两组相互独立工作的线圈阵列和磁体阵列。
在上述的控制方法中,控制所述第二驱动单元(1-2)、所述第四驱动单元(1-4)通以可使所述移动框架(1)沿第三方向正方向或负方向运动的同向电流,其他驱动单元不通电,即第一驱动单元(1-1)、所述第三驱动单元(1-3)不通电,使所述移动框架(1)沿第三方向的正方向或负方向平移;控制所述第一驱动单元(1-1)、所述第三驱动单元(1-3)通以可使所述移动框架(1)沿第一方向正方向或负方向运动的同向电流,其他驱动单元不通电,即所述第二驱动单元(1-2)、所述第四驱动单元(1-4)不通电,使所述移动框架(1)沿第一方向的正方向或负方向平移;控制各驱动单元均通以可使所述移动框架(1)沿第二方向正方向或负方向运动的同向电流,使所述移动框架(1)沿第二方向的正方向或负方向平移。其中,各驱动单元指第一驱动单元(1-1)、第二驱动单元(1-2)、第三驱动单元(1-3)和第四驱动单元(1-4)。
在上述的控制方法中,控制第二驱动单元(1-2)和第四驱动单元(1-4)中,靠近所述第三驱动单元(1-3)的线圈阵列通入相同方向的可使移动框架(1)沿第二方向产生正方向或负方向位移的第一电流,远离所述第三驱动单元(1-3)的线圈阵列均通入第二电流,所述第二电流与第一电流方向相反,控制第三驱动单元(1-3)的线圈阵列通以第三电流,所述第三电流与第一电流方向相同;并控制所述第一驱动单元(1-1)不通电时,使所述移动框架(1)产生第六方向的转矩。
在上述的控制方法中,控制所述第二驱动单元(1-2)以及所述第一驱动单元(1-1)、所述第三驱动单元(1-3)中靠近所述第二驱动单元(1-2)的线圈阵列通以可使移动框架(1)沿第二方向产生正方向或负方向位移的第四电流,控制所述第四驱动单元(1-4)、所述第一驱动单元(1-1)和所述第三驱动单元(1-3)中靠近所述第四驱动单元(1-4)的线圈阵列通以第五电流,所述第五电流与所述第四电流方向相反,使所述移动框架(1)产生第四方向的转矩。
在上述的控制方法中,所述第二驱动单元(1-2)包括:第五线圈阵列、第六线圈阵列;所述第三驱动单元(1-3)包括:第七线圈阵列、第八线圈阵列;所述第四驱动单元(1-4)包括:第三线圈阵列、第四线圈阵列;在所述第六线圈阵列、第七线圈阵列、第三线圈阵列分别通以使移动框架(1)远离支撑框架(2)移动的的第六电流,所述第六线圈阵列、第七线圈阵列、第三线圈阵列均不相邻;在所述第五线圈阵列、第八线圈阵列、第四线圈阵列分别通以与所述第六电流方向相反的第七电流,从而可使移动框架(1)相对于支撑框架(2)产生沿第二方向的转矩;所述第五线圈阵列、第八线圈阵列、第四线圈阵列均不相邻。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
本发明的磁浮台装置,通过分别设置的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、第四驱动单元,选择控制驱动单元的通电与否或控制驱动单元中线圈的驱动电流的方向、幅值和相位,可以实现移动框架的平动、转动,即提供六自由度的运动;
并且,本发明的磁浮驱动机构可驱动所述移动框架(1)产生第二方向大行程运动;本发明可以通过控制第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元中第二方向布设的磁体的数量,可实现第二方向(也即Z向)大行程运动;
相对于现有技术,本发明的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、第四驱动单元中磁体阵列的布设方式、线圈阵列的布设方式,使得该磁浮台装置具有结构简单、控制方法简单的优点。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置的整体结构示意图;
图2是本发明实施例1的支撑框架和磁浮驱动机构的结构示意图;
图3是本发明实施例1的移动框架和线圈阵列的结构示意图;
图4是本发明实施例1的第一驱动单元的结构示意图;
图5是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置实现第三方向位移时各驱动单元输出洛伦兹力的示意图;
图6是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置实现第一方向位移时各驱动单元输出洛伦兹力的示意图;
图7是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置实现第二方向位移时各驱动单元输出洛伦兹力的示意图;
图8是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置实现第六方向位移时各驱动单元输出洛伦兹力的示意图;
图9是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置实现第四方向位移时各驱动单元输出洛伦兹力的示意图;
图10是本发明实施例1的六自由度磁浮台装置实现第五方向位移时各驱动单元输出洛伦兹力的示意图。
附图标记:移动框架1;支撑框架2;第一支撑框架2-1;第二支撑框架2-2;第三支撑框架2-3;第四支撑框架2-4;第一驱动单元1-1;第二驱动单元1-2;第三驱动单元1-3;第四驱动单元1-4;第一线圈111;第二线圈112;第三线圈113;第一N磁体211;第一H磁体212;第一S磁体213;第一线圈阵列11;第二线圈阵列12;第三线圈阵列13;第四线圈阵列14;第五线圈阵列15;第六线圈阵列16配置;第七线圈阵列17;第八线圈阵列18;第一磁体阵列21;第二磁体阵列22;第三磁体阵列23;第四磁体阵列24;第五磁体阵列25;第六磁体阵列26;第七磁体阵列27;第八磁体阵列28。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要说明的是,用⊙、
Figure BDA0002930947120000061
和箭头表示各驱动单元中线圈阵列与对应磁体阵列相互作用所输出力的方向,其中⊙表示垂直纸面向外,
Figure BDA0002930947120000062
表示垂直纸面向内。
在本发明的描述中,需要说明的是,线圈阵列中通以正弦电流,电流的方向可以为正向,也可以为负向。同向电流是指同为正向电流,或同为负向电流。驱动单元通电,或驱动单元不通电,是指驱动单元内所有的线圈阵列均通电,或所有的线圈阵列均不通电。
同向电流指的是,多个驱动单元之间通以相同的正向电流或负向电流,或者多个线圈阵列之间通以相同方向的正向电流或负向电流。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“第一方向”、“第二方向”、“第三方向”、“第四方向”、“第五方向”、“第六方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如在本说明书中所使用的,单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象,除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的,术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的,除非内容另外明确指出外。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。
实施例1
参见图1至图4,本实施例提供一种六自由度磁浮台装置,包括支撑框架2、移动框架1和磁浮驱动机构,所述支撑框架2包括第一支撑框架2-1、第二支撑框架2-2和第三支撑框架2-3,其中,所述第二支撑框架2-2呈第一预定角度固定于所述第一支撑框架2-1,所述第三支撑框架2-3呈第二预定角度固定于所述第一支撑框架2-1,所述支撑框架2固定,所述移动框架1至少部分布设于所述支撑框架2内;
所述磁浮驱动机构包括第一驱动单元1-1、第二驱动单元1-2和第三驱动单元1-3,所述第一驱动单元1-1配置在所述第一支撑框架2-1与所述移动框架1之间,所述第二驱动单元1-2配置在所述第二支撑框架2-2与所述移动框架1之间,所述第三驱动单元1-3配置在所述第三支撑框架2-3与所述移动框架1之间,各驱动单元分别包括固定在支撑框架2的定子和与定子配合的动子。本实施例中,动子设置在所述移动框架1上。
在一些实施例中,所述定子与所述动子为配合设置的线圈阵列和磁体阵列,其中,所述磁体阵列为海尔贝克阵列,使磁体阵列的磁场可得到加强。具体实施时,可以定子是线圈阵列,动子是磁体阵列;也可以动子是线圈阵列,定子是磁体阵列。本发明不对其做出限定。
其中,通过分别设置的第一驱动单元1-1、第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3,选择控制驱动单元的通电或控制驱动单元中线圈的驱动电流的方向、幅值和相位,可以实现移动框架1的平动、转动,即提供六自由度的运动。相对于现有技术,本实施例的磁浮台装置,具有结构简单、控制策略简单的优点。
第一预定角度、第二预定角度均小于180度,在一些实施例中,所述第一支撑框架2-1、所述第二支撑框架2-2、所述第三支撑框架2-3间两两正交设置,即第一预定角度、第二预定角度均配置为90度,可以方便支撑框架2与移动框架1之间的配置,方便定子的固定,以及方便定子与动子之间的配合作用。
在一个优选实施例中,以垂直于所述第一支撑框架2-1的方向为第二方向,所述支撑框架2还包括第四支撑框架2-4,所述第四支撑框架2-4与所述第二支撑框架2-2相对设置,所述磁浮驱动机构还包括设置在所述第四支撑框架2-4与所述移动框架1间的第四驱动单元1-4。其中,第一支撑框架2-1、第二支撑框架2-2、第三支撑框架2-3、第四支撑框架2-4分别固定连接。通过相对设置的第二支撑框架2-2、第四支撑框架2-4,第二驱动单元1-2与第四驱动单元1-4也相对设置,使得移动框架1沿第二方向的平移或转动会更加稳定,不会发生偏置。进一步的,当所述第四驱动单元1-4以与所述第二驱动单元1-2相同的方式布设时,能够使移动框架1的运动更加稳定,控制方法也更加简单。
所述磁浮驱动机构驱动所述移动框架1产生第二方向(Z向)大行程运动。本实施例中,第二方向(Z向)的行程可达到50mm以上。这里仅为举例,本发明不对第二方向(Z向)的具体行程量做出限定。
通过控制第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元中第二方向布设的磁体阵列的数量,可实现第二方向(也即Z向)大行程运动。
进一步的,所述移动框架1为方形框架,如矩形框架或正方形框架,使得方形框架的四个外表面能够与支撑框架2对应的内表面间相互平行,这样移动框架1在支撑框架2之间的移动、转动能够更加稳定、有效。当然,在其他实施例中,移动框架1还可以配置为其他形状,仅需保证移动框架1的动子与支撑框架2上的定子相对配置,以保证磁浮驱动机构的有效性。
进一步的,所述移动框架1的表面不超过所述支撑框架2的表面,即整个移动框架1配置在第一支撑框架2-1、所述第二支撑框架2-2、所述第三支撑框架2-3、第四支撑框架2-4之间,使得移动框架1表面的动子能够始终与定子间产生作用力。这里仅为举例,具体实施时,移动框架1也可部分位于所述支撑框架2内,仅动子部分不超过所述支撑框架2的表面。
在一些实施例中,所述磁体阵列固定于所述支撑框架2,所述线圈阵列固定于所述移动框架1。这样设置,使得本实施例的磁浮台装置整体的控制策略会更加简单。当然,在一些实施例中,磁体阵列可以固定于移动框架1,而线圈阵列固定于支撑框架2,即线圈阵列作为定子,磁体阵列作为动子,也能够提供六自由度的运动。
具体的,第一驱动单元1-1的磁体阵列固定在所述第一支撑框架2-1,与第一驱动单元1-1对应的线圈阵列固定在移动框架1中与第一支撑框架2-1相对的表面。第二驱动单元1-2的磁体阵列固定在所述第二支撑框架2-2,与第二驱动单元1-2对应的线圈阵列固定在移动框架1中与第二支撑框架2-2相对的表面。第三驱动单元1-3的磁体阵列固定在所述第三支撑框架2-3,与第三驱动单元1-3对应的线圈阵列固定在移动框架1中与第三支撑框架2-3相对的表面。第四驱动单元1-4的磁体阵列固定在所述第四支撑框架2-4,与第四驱动单元1-4对应的线圈阵列固定在移动框架1中与第四支撑框架2-4相对的表面。
在一些实施例中,以垂直于所述第一支撑框架2-1的方向为第二方向(也记作Z向),以垂直于所述第二支撑框架2-2的方向为第三方向(也记作X向),以垂直于所述第三支撑框架2-3的方向为第一方向(也记作Y向),所述第一驱动单元1-1中,线圈阵列布设在移动框架1上与第一支撑框架2-1相对的表面,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第一方向(Y)两两相邻布置,第一支撑框架2-1上的所述磁体阵列的多个磁体之间沿第一方向(Y)两两相邻布置,且线圈阵列与磁体阵列相对设置。所述第二驱动单元1-2中,线圈阵列布设在移动框架1上位于与第二支撑框架2-2相对的表面,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向(Z)两两相邻布置,第二支撑框架2-2的所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向(Z)两两相邻布置。所述第三驱动单元1-3中,线圈阵列布设在移动框架1上位于与第三支撑框架2-3相对的表面,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向(Z)两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向(Z)两两相邻布置。所述第四驱动单元1-4中,线圈阵列布设在移动框架1上位于与第四支撑框架2-4相对的表面,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向(Z)两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向(Z)两两相邻布置。
具体的,第一驱动单元1-1包括第一磁体阵列21,所述第一磁体阵列21包括三种具有不同磁化方向的磁体,即第一N磁体211、第一H磁体212和第一S磁体213,第一N磁体211、第一H磁体212与第一S磁体213沿第一方向(Y)周期排列以构成所谓的海尔贝克(Halbach)排列布置,排列顺序为N-H-S-H-N-H-S-H-N,这样第一线圈阵列11所处的磁场可得到加强。所述第一N磁体211和所述第一S磁体213的磁化方向大致正交于所述第一平面(XoY),第一N磁体211的磁化方向为垂直于第一平面向外,第一S磁体的磁化方向为垂直于第一平面向内,第一H磁体212的磁化方向为第一S磁体213指向第一N磁体211的方向。此处仅为举例,具体实施时,第一磁体阵列21也可以仅包括两种不同磁化方向的磁体:第一N磁体和第一S磁铁,二者沿第一方向(Y)周期排列。
第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3、第四驱动单元1-4的磁体阵列的布设方式类似于第一磁体阵列21,不同的是,第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3、第四驱动单元1-4的磁体阵列中,N磁体、H磁体与S磁体均分别沿第二方向(Z)周期排列,以海尔贝克(Halbach)阵列方式排列布置,分别加强与磁体阵列对应的线圈阵列所处的磁场,这里不再赘述。其中,通过控制第二方向(Z)布设的磁体的数量,可实现Z向大行程运动。
具体的,各个驱动单元至少包括两组线圈阵列,且多组所述线圈阵列两两相邻配置,一组所述线圈阵列中所述线圈的数量为3的倍数,所述线圈为跑道形线圈。一组所述线圈阵列中的所有线圈之间两两相邻配置。当然,在其他实施例中,所述线圈阵列中线圈的数量可以设置为其他数量,仅需保证线圈数量为3的倍数。
在一些实施例中,所述第一驱动单元1-1包括至少两组所述线圈阵列:第一线圈阵列11、第二线圈阵列12,其中,第一线圈阵列11配置为靠近第二驱动单元1-2,第二线圈阵列12配置为靠近第四驱动单元1-4,且多组所述线圈阵列沿第三方向(X)分布;每组线圈阵列中的多个线圈沿着第一方向(Y向)相邻配置;以第一线圈11为例,第一线圈11包括三个线圈,第一线圈111、第二线圈112、第三线圈113,第一线圈111、第二线圈112、第三线圈113沿着第一方向(Y向)相邻配置。
所述第二驱动单元1-2包括至少两组所述线圈阵列:第五线圈阵列15、第六线圈阵列16,其中,第五线圈阵列15配置为靠近第三驱动单元1-3,第六线圈阵列16配置为远离第三驱动单元1-3,且多组所述线圈阵列沿第一方向(Y)分布;每组线圈阵列中的多个线圈沿着第二方向(Z向)相邻配置。
所述第三驱动单元1-3包括至少两组所述线圈阵列:第七线圈阵列17、第八线圈阵列18,其中,第七线圈阵列17配置为靠近第二驱动单元1-2,第八线圈阵列18配置为靠近第四驱动单元1-4,且多组所述线圈阵列沿第三方向(X)分布;每组线圈阵列中的多个线圈沿着第二方向(Z向)相邻配置。
所述第四驱动单元1-4包括至少两组所述线圈阵列:第三线圈阵列13、第四线圈阵列14,其中,第三线圈阵列13配置为靠近第三驱动单元1-3,第四线圈阵列14配置为远离第三驱动单元1-3,且多组所述线圈阵列沿第一方向(Y)分布。每组线圈阵列中的多个线圈沿着第二方向(Z向)相邻配置。
其中,各驱动单元中,磁体阵列以与线圈阵列相匹配的方式设置。这样设置,使得可以通过控制各驱动单元中线圈阵列的电流方向以及控制通以驱动单元中不同线圈阵列的电流方向,达到使移动框架1产生平动或转矩的效果。
本实施例中,通过第一驱动单元1-1、第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3、第四驱动单元1-4中磁体阵列的布设方式、线圈阵列的布设方式,通过各驱动单元之间的配合,使得本实施例的磁浮台装置具有结构简单,移动框架1的平动、转动稳定,有效,控制方法简单的优点。
参见图2、图3,本实施例中,第一驱动单元1-1配置有两组磁体阵列和两组线圈阵列,第一磁体阵列21和第二磁体阵列22,第一线圈阵列11和第二线圈阵列12,第一磁体阵列21与第一线圈阵列11间产生相互作用,第二磁体阵列22与第二线圈阵列12间产生相互作用。第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3、第四驱动单元1-4各自配置有两组磁体阵列和两组线圈阵列,具体配置方式与第一驱动单元1-1类似,此处不再赘述。
继续参见图2、图3,移动框架1的表面配置有多个线圈阵列,其中第一线圈阵列11和第二线圈阵列12配置在第一平面(XoY),第三线圈阵列13和第四线圈阵列14配置在第二平面(YoZ-2),第五线圈阵列15和第六线圈阵列16配置在第三平面(YoZ-3),第七线圈阵列17和第八线圈阵列18配置在第四平面(XoZ)。支撑框架2配置有多个磁体阵列,其中第一磁体阵列21和第二磁体阵列22配置在第一支撑框架1-1表面,第三磁体阵列23和第四磁体阵列24配置在第四支撑框架1-4内表面,第五磁体阵列25和第六磁体阵列26配置在第二支撑框架1-2的内表面,第七磁体阵列27和第八磁体阵列28配置在第三支撑框架1-3内表面。
需要说明的是,具体实施时,线圈阵列也可以设置在支撑框架2上,磁体阵列也可以设置在移动框架1上。本发明不对其做出限定。
在一个实施例中,所述磁浮驱动机构还包括功率放大器,其中,各驱动单元均配置有数量与线圈阵列数量相同的功率放大器,第一线圈阵列11、第一磁体阵列21与功率放大器电连接后可组成第一驱动单元1-1,同理,相对应的线圈阵列、磁体阵列与功率放大器电连接均可组成相对应的驱动单元。
在一个实施例中,所述的六自由度磁浮台装置还包括多个位置传感器,用来测量支撑框架2与移动框架1在六自由度各方向上产生的相对位移,以反馈并调整不同驱动单元的输入电流以达到预设位置点。
本实施例提供的六自由度磁浮台装置,应用于自动化装备的运动台系统,所述自动化装备的运动台系统,可实现运动台的六自由度运动,特别的,所述磁浮台装置可实现Z向大行程运动。
进一步的,本实施例的六自由度磁浮台装置的控制方法如下:
如图5所示,当第二驱动单元1-2、第四驱动单元1-4中的线圈阵列在通入可使所述移动框架1沿第三方向(X)正方向或负方向运动的驱动电流,而第一驱动单元1-1和第三驱动单元1-3无驱动电流时,通电的线圈阵列可与相对设置的磁体阵列产生相互作用,可使移动框架1相对支撑框架2沿着第三方向(X)的正方向或负方向产生位移。
如图6所示,当第一驱动单元1-1、第三驱动单元1-3的线圈阵列在通入同向的可使所述移动框架1沿第一方向正方向或负方向运动的驱动电流,而第二驱动单元1-2、第四驱动单元1-4的线圈阵列无驱动电流时,通入驱动电流的线圈阵列可与相对设置的磁体阵列产生相互作用,可使移动框架1相对支撑框架2沿着第一方向(Y)的正方向或负方向产生位移。
如图7所示,当第一驱动单元1-1、第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3、第四驱动单元1-4的线圈阵列分别通入同向的可使所述移动框架1产生沿第二方向正方向或负方向运动的驱动电流时,通入驱动电流的线圈阵列可与相对的磁体阵列产生相互作用,可使移动框架1相对支撑框架2沿着第二方向(Z)的正方向或负方向产生位移。
如图8所示,第二驱动单元1-2、第三驱动单元1-3、第四驱动单元1-4的线圈阵列在通入相应的驱动电流,而第一驱动单元1-1的线圈阵列无驱动电流时,通入驱动电流的线圈阵列可与相对应的磁体阵列产生相互作用,可使移动框架1相对支撑框架2沿着第六方向(Rx)产生转矩。具体的,第二驱动单元1-2和第四驱动单元1-4中,靠近第三驱动单元1-3的线圈阵列通入同向可使移动框架1沿第二方向产生正方向位移的第一电流,远离第三驱动单元1-3的线圈阵列均通入第二电流,第二电流与第一电流方向相反;控制第三驱动单元1-3通以第三电流,所述第三电流与第一电流方向相同,并控制第一驱动单元1-1不通电,可使移动框架1相对支撑框架2沿着第六方向(Rx)产生转矩。当然,在其他实施例中,第二驱动单元1-2和第四驱动单元1-4中靠近第三驱动单元1-3的线圈阵列也可以通以可使移动框架1沿第二方向产生负方向位移的第八电流,第二驱动单元1-2和第四驱动单元1-4中远离第三驱动单元1-3的线圈阵列通以第九电流,第九电流与第八电流方向相反,第三驱动单元1-3通以第十电流,第十电流与第八电流方向相同,也能实现支撑框架2沿着第六方向(Rx)产生转矩。
如图9所示,控制所述第二驱动单元1-2、所述第一驱动单元1-1和所述第三驱动单元1-3中靠近所述第二驱动单元1-2的线圈阵列通以可使移动框架1沿第二方向产生正方向或负方向位移的第四电流,控制所述第四驱动单元1-4、所述第一驱动单元1-1和所述第三驱动单元1-3中靠近所述第四驱动单元1-4的线圈阵列通以第五电流,所述第五电流与所述第四电流方向相反,使所述移动框架1产生第四方向(Ry)产生转矩。
如图2和10所示,在所述第六线圈阵列16、第七线圈阵列17、第三线圈阵列13分别通以使移动框架1远离支撑框架2移动的的第六电流,所述第六线圈阵列16、第七线圈阵列17、第三线圈阵列13均不相邻;在所述第五线圈阵列15、第八线圈阵列18、第四线圈阵列14分别通以与所述第六电流方向相反的第七电流,从而可使移动框架1相对于支撑框架2产生沿第五方向(Rz)的转矩;所述第五线圈阵列15、第八线圈阵列18、第四线圈阵列14均不相邻。
以上实施例中,每一支撑框架上所设置的线圈阵列和磁体阵列的数量、每一磁体阵列中磁体的数量、每一线圈阵列中线圈的数量可以根据实际需要进行设置,并不用于限制本发明的保护范围。
以上公开的仅为本发明优选实施例,优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,应该理解,这些实施例仅用于说明本发明,而不用于限定本发明的保护范围,本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属领域技术人员能很好地利用本发明。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。以上不同实施例中的技术特征在不发生相互冲突的前提下可以任意的结合。

Claims (15)

1.一种六自由度磁浮台装置,其特征在于,包括支撑框架(2)、移动框架(1)和磁浮驱动机构;
所述支撑框架(2)包括第一支撑框架(2-1)、第二支撑框架(2-2)和第三支撑框架(2-3),其中,所述第二支撑框架(2-2)呈第一预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述第三支撑框架(2-3)呈第二预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述支撑框架(2)固定,所述移动框架(1)至少部分布设于所述支撑框架(2)内;
所述磁浮驱动机构包括第一驱动单元(1-1)、第二驱动单元(1-2)和第三驱动单元(1-3),所述第一驱动单元(1-1)配置在所述第一支撑框架(2-1)与所述移动框架(1)间,所述第二驱动单元(1-2)配置在所述第二支撑框架(2-2)与所述移动框架(1)间,所述第三驱动单元(1-3)配置在所述第三支撑框架(2-3)与所述移动框架(1)间,各驱动单元分别包括固定在所述支撑框架(2)的定子和位于所述移动框架(1)并与定子配合的动子。
2.根据权利要求1所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述第一支撑框架(2-1)、所述第二支撑框架(2-2)、所述第三支撑框架(2-3)间两两正交设置。
3.根据权利要求1所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述支撑框架(2)还包括第四支撑框架(2-4),所述第四支撑框架(2-4)与所述第二支撑框架(2-2)相对设置,所述磁浮驱动机构还包括设置在所述第四支撑框架(2-4)与所述移动框架(1)间的第四驱动单元(1-4)。
4.根据权利要求3所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述第四驱动单元(1-4)以与所述第二驱动单元(1-2)相同的方式布设。
5.根据权利要求1所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述定子与所述动子为配合设置的线圈阵列和磁体阵列,其中,所述磁体阵列为海尔贝克阵列。
6.根据权利要求5所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述磁体阵列固定于所述支撑框架(2),所述线圈阵列固定于所述移动框架(1)。
7.根据权利要求5所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,以垂直于所述第一支撑框架(2-1)的方向为第二方向,以垂直于所述第二支撑框架(2-2)的方向为第三方向,以垂直于所述第三支撑框架(2-3)的方向为第一方向,
所述第一驱动单元(1-1)中,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第一方向两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第一方向两两相邻布置;所述第二驱动单元(1-2)中,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向两两相邻布置;所述第三驱动单元(1-3)中,所述线圈阵列的多个线圈之间沿第二方向两两相邻布置,所述磁体阵列的多个磁体之间沿第二方向两两相邻布置。
8.根据权利要求7所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述第一驱动单元(1-1)包括至少两组所述线圈阵列,且多组所述线圈阵列沿第三方向分布;所述第二驱动单元(1-2)包括至少两组所述线圈阵列,且多组所述线圈阵列沿第一方向分布;所述第三驱动单元(1-3)包括至少两组所述线圈阵列,且多组所述线圈阵列沿第三方向分布。
9.根据权利要求1所述的六自由度磁浮台装置,其特征在于,所述磁浮驱动机构还包括功率放大器,其中,各驱动单元均配置有所述的功率放大器。
10.一种六自由度磁浮台的控制方法,其特征在于,包括提供一种六自由度磁浮台装置,所述六自由度磁浮台装置包括支撑框架(2)、移动框架(1)和磁浮驱动机构;
所述支撑框架(2)包括第一支撑框架(2-1)、第二支撑框架(2-2)和第三支撑框架(2-3),其中,所述第二支撑框架(2-2)呈第一预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述第三支撑框架(2-3)呈第二预定角度固定于所述第一支撑框架(2-1),所述支撑框架(2)固定,所述移动框架(1)至少部分布设于所述支撑框架(2)内;
所述磁浮驱动机构包括第一驱动单元(1-1)、第二驱动单元(1-2)和第三驱动单元(1-3),所述第一驱动单元(1-1)配置在所述第一支撑框架(2-1)与所述移动框架(1)间,所述第二驱动单元(1-2)配置在所述第二支撑框架(2-2)与所述移动框架(1)间,所述第三驱动单元(1-3)配置在所述第三支撑框架(2-3)与所述移动框架(1)间,各驱动单元分别包括固定在所述支撑框架(2)的定子和与定子配合的动子;
通过控制所述磁浮驱动机构的驱动电流的方向、幅值和相位,使所述移动框架(1)产生平动或转动。
11.根据权利要求10所述的磁浮台的控制方法,其特征在于,所述支撑框架(2)还包括第四支撑框架(2-4),所述第四支撑框架(2-4)与所述第二支撑框架(2-2)相对设置,所述磁浮驱动机构还包括设置在所述第四支撑框架(2-4)与所述移动框架(1)间的第四驱动单元(1-4),所述第四驱动单元(1-4)以与所述第二驱动单元(1-2)相同的方式布设;其中每一驱动单元分别至少配置有两组相互独立工作的线圈阵列和磁体阵列。
12.根据权利要求11所述的磁浮台的控制方法,其特征在于,控制所述第二驱动单元(1-2)、所述第四驱动单元(1-4)通以可使所述移动框架(1)沿第三方向正方向或负方向运动的同向电流,其他驱动单元不通电,使所述移动框架(1)沿第三方向的正方向或负方向平移;控制所述第一驱动单元(1-1)、所述第三驱动单元(1-3)通以可使所述移动框架(1)沿第一方向正方向或负方向运动的同向电流,其他驱动单元不通电,使所述移动框架(1)沿第一方向的正方向或负方向平移;控制各驱动单元均通以可使所述移动框架(1)沿第二方向正方向或负方向运动的同向电流,使所述移动框架(1)沿第二方向的正方向或负方向平移。
13.根据权利要求11所述的磁浮台的控制方法,其特征在于,控制所述第二驱动单元(1-2)和所述第四驱动单元(1-4)中,靠近所述第三驱动单元(1-3)的线圈阵列通入相同方向的可使移动框架(1)沿第二方向产生正方向或负方向位移的第一电流,远离所述第三驱动单元(1-3)的线圈阵列均通入第二电流,所述第二电流与第一电流方向相反,控制所述第三驱动单元(1-3)的线圈阵列通以第三电流,所述第三电流与第一电流方向相同;并控制所述第一驱动单元(1-1)不通电时,使所述移动框架(1)产生第六方向的转矩。
14.根据权利要求11所述的磁浮台的控制方法,其特征在于,
控制所述第二驱动单元(1-2)、所述第一驱动单元(1-1)和所述第三驱动单元(1-3)中靠近所述第二驱动单元(1-2)的线圈阵列通以可使移动框架(1)沿第二方向产生正方向或负方向位移的第四电流,控制所述第四驱动单元(1-4)、所述第一驱动单元(1-1)和所述第三驱动单元(1-3)中靠近所述第四驱动单元(1-4)的线圈阵列通以第五电流,所述第五电流与所述第四电流方向相反,使所述移动框架(1)产生第四方向的转矩。
15.根据权利要求11所述的磁浮台的控制方法,其特征在于,
所述第二驱动单元(1-2)包括:第五线圈阵列、第六线圈阵列;所述第三驱动单元(1-3)包括:第七线圈阵列、第八线圈阵列;所述第四驱动单元(1-4)包括:第三线圈阵列、第四线圈阵列;
在所述第六线圈阵列、第七线圈阵列、第三线圈阵列分别通以使移动框架(1)远离支撑框架(2)移动的第六电流,所述第六线圈阵列、第七线圈阵列、第三线圈阵列均不相邻;
在所述第五线圈阵列、第八线圈阵列、第四线圈阵列分别通以与所述第六电流方向相反的第七电流,从而可使移动框架(1)相对于支撑框架(2)产生沿第五方向的转矩;所述第五线圈阵列、第八线圈阵列、第四线圈阵列均不相邻。
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