CN114253004A - 一种线性化二维平动正应力式电磁微动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线性化二维平动正应力式电磁微动平台，包括载物板、过渡板、基座、传感器组、多套导轨滑块组及多套正应力电磁致动器；多套所述导轨滑块组中具有X轴方向和Y轴方向的，所述基座与过渡板通过多套导轨滑块组连接，导轨滑块组的导向为X轴方向；所述过渡板与载物板通过多套导轨滑块组连接，导轨滑块组的导向为Y轴方向；所述载物板与正应力电磁致动器相连。本发明具有结构简单、出力密度大、响应速度超快、运动行程大、定位精度高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到微定位系统技术领域，特指一种线性化二维平动正应力式电磁微动平台。
背景技术
微定位系统的应用领域主要有光学工程、微机械制造与装配、超精密质量检测、纳米科学技术研究、生物与医疗科学研究、半导体工业以及航空航天领域等方面；在高精度光学成像、稳像系统中，高带宽大行程超精密定位微动装置成为极其关键的核心组成部分。因此，研制一种既能实现亚毫米级大行程范围，又能达到超高分辨率、高带宽和高精度的新型微定位系统能极大地提升成像质量和稳像效果，具有巨大地军事、社会效益，也有助于国内高端光学成像稳像设备打破国外产品地市场垄断，具有较大地经济效益。
现有技术中，目前常见的微定位平台的驱动一般采用音圈电机致动器、压电陶瓷致动器、形状记忆合金致动器或者精密直线电机。其中，得到广泛应用的以压电陶瓷制动和音圈电机致动为主。压电陶瓷致动器驱动的微定位平台一般具有大出力、高刚度、结构简单、超高分辨率等优点，但是其驱动行程只能达到几个微米，即使通过放大机构和层叠结构改进后仍然只能达到几十微米的工作行程。驱动由音圈电机致动器组成的微定位平台主要有运动行程大、无滞后、响应快、结构简单等优点，但是其出力较小，在工作方向刚度在结构设计是受到约束，导致整体结构尺寸较大，也限制了系统的伺服带宽，且发热严重，影响系统的整体性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、出力密度大、响应速度超快、运动行程大、定位精度高的线性化二维平动正应力式电磁微动平台。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种线性化二维平动正应力式电磁微动平台，包括载物板、过渡板、基座、传感器组、多套导轨滑块组及多套正应力电磁致动器；多套所述导轨滑块组中具有X轴方向和Y轴方向的，所述基座与过渡板通过多套导轨滑块组连接，导轨滑块组的导向为X轴方向；所述过渡板与载物板通过多套导轨滑块组连接，导轨滑块组的导向为Y轴方向；所述载物板与正应力电磁致动器相连。
作为本发明的进一步改进：所述正应力电磁致动器包括定子磁轭、永磁体、两套线圈绕组及动子；所述动子置于定子磁轭缺口中间，与定子磁轭缺口面形成左右两个工作气隙，所述动子与永磁体之间存在间隙，所述永磁体置于定子磁轭中间，用于形成通过动子、工作气隙和定子磁轭两路闭环偏置磁路；在所述定子磁轭的左右两侧分别绕制线圈绕组。
作为本发明的进一步改进：两个所述线圈绕组通以大小相同方向相反的电流，以产生励磁磁场，通过定子磁轭、工作间隙和动子形成闭环励磁磁路。
作为本发明的进一步改进：所述正应力电磁致动器还包括致动器座，所述致动器座设置有定子磁轭槽、永磁体槽及线圈绕组槽，所述定子磁轭、永磁体及线圈绕组分别安装于槽位内。
作为本发明的进一步改进：所述永磁体由NdFeB材料制成，所述定子磁轭与动子均由叠层钢或软磁合金制成；所述线圈绕组由绝缘材料包裹铜芯或银芯而成，绕制时保证围绕定子磁轭层层并排，相互绝缘且耐高温。
作为本发明的进一步改进：所述载物板上设置有多个立柱，多个立柱穿过基座上的通槽后分别于所述正应力电磁致动器的动子固连，各动子在工作方向上与定子磁轭形成工作气隙。
作为本发明的进一步改进：所述基板上设置有加强筋；所述立柱分别设置可安装X向传感器靶标块肋板与可安装Y向传感器靶标块肋板。
作为本发明的进一步改进：所述传感器组包括X方向传感器和Y轴方向传感器，所述传感器与基座用螺栓连接，螺栓孔在传感器作方向上延展。
作为本发明的进一步改进：所述基座上设置有中部通光口径、传感器组安装槽位、传感器组接线槽孔、通槽及导轨滑块组的安装槽位。
作为本发明的进一步改进：所述导轨滑块组包括直线导轨和精密滑块，所述精密滑块用来在直线导轨滑动。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、本发明的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其驱动装置为线性正应力电磁驱动致动器，利用磁场叠加的原理，使运动部件产生轴向的电磁驱动力且与通电线圈电流呈线性关系，其结构简单、出力密度大、发热量少，响应速度快、运动范围大，有效集成了音圈电机与压电陶瓷驱动的优点。
2、本发明的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其传动与承载为直线导轨滑块机构，结构简单，连接可靠，限制5个非工作方向上的自由度，具有无限刚度，X/Y两轴采用运动串联形式，使得两轴运动相互独立，无寄生运动，可以满足微定位平台定位精度高、低速平稳性好、状态保持性好等性能要求。
3、本发明的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其位置检测元件能实时监测微定位平台相对于基座的位置信息，并反馈至致动器的伺服控制单元，调整运动部件根据从当前位置运动到目标位置的位移输出励磁电流，实现闭环控制，位置检测元件安装在基座与运动部件之间，利用运动部件的肋板嵌入靶标块以组成位置检测子系统，整体结构紧凑，位置检测元件测量范围与平台运动行程匹配。
4、本发明的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，应用于复杂环境下光学成像系统中，集成在成像光路的末级成像探测器阵列上，当外部环境的振动、抖动基于冲击过载使成像光学产生像移，该平台能实现在一个成像周期内，所拍摄景物的图像相对于探测器阵列的位置不发生变化，实现图像的亚像素级超精密成像稳像。
附图说明
图1是本发明在具体应用实例中结构原理示意图(去除一套正应力电磁驱动致动器的前盖)。
图2是本发明在具体应用实例中传感器组相对基座、载物板的安装与结构示意图。
图3是本发明在具体应用实例中电磁驱动致动器结构示意图(去除前盖)。
图4是本发明在具体应用实例中致动器工作原理示意图。
图例说明：
1、载物板；101、立柱；102、加强筋；103、X向传感器靶标块肋板；104、Y向传感器靶标块肋板；105、通光口径；2、过渡板；3、基座；301、导轨安装槽位；302、立柱通槽；303、传感器组安装槽位；304、传感器组接线槽孔；4、传感器组；401、X向传感器；402、Y向传感器；5、航空插头；6、前盖；7、致动器座；8、正应力电磁驱动致动器；801、定子磁轭；802、永磁体；803、线圈绕组；804、动子；805、工作气隙；9、电路板；10、导轨滑块组；1001、直线导轨；1002、精密滑块。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，包括载物板1、过渡板2、基座3、传感器组4、电路板9、航空插头5、多套导轨滑块组10及多套正应力电磁致动器8(如四套)；多套所述导轨滑块组10中具有X轴方向和Y轴方向的，所述基座3与过渡板2通过多套导轨滑块组10连接，导轨滑块组10的导向为X轴方向；所述过渡板2与载物板1通过多套导轨滑块组10连接，导轨滑块组10的导向为Y轴方向；所述载物板1与正应力电磁致动器8相连。
在具体应用实例中，所述导轨滑块组10包括直线导轨1001和精密滑块1002，所述精密滑块1002用来在直线导轨1001滑动。
在具体应用实例中，如图3和图4所示，所述正应力电磁致动器8包括定子磁轭801、永磁体802、两套线圈绕组803及动子804；所述动子804置于定子磁轭801缺口中间，与定子磁轭801缺口面形成左右两个工作气隙805，所述动子804与永磁体802之间存在间隙，所述永磁体802置于定子磁轭中间，用于形成通过动子804、工作气隙805和定子磁轭801两路闭环偏置磁路。在所述定子磁轭801的左右两侧分别绕制线圈绕组803，两线圈绕组通以大小相同方向相反的电流，以产生励磁磁场，通过定子磁轭801、工作间隙805和动子804形成闭环励磁磁路。
在具体应用实例中，所述正应力电磁致动器8进一步还包括致动器座7，所述致动器座7设置有定子磁轭槽、永磁体槽及线圈绕组槽，所述定子磁轭801、永磁体802及线圈绕组803分别安装于所述槽位内。
在具体应用实例中，所述正应力电磁致动器8进一步还包括前盖6，用来起到密闭和密封效果。
在具体应用实例中，所述正应力电磁致动器8的永磁体802置于定子磁轭801的中间，用硅胶垫片或其他材料粘接，用于形成通过动子804、工作气隙805和定子磁轭801两路闭环偏置磁路；在定子磁轭801的左右两侧分别绕制线圈绕组803，两线圈绕组通以大小相同方向相反的电流以产生闭环励磁磁路，所述动子804与永磁体802之间保留一定间隙。
在具体应用实例中，所述永磁体802由NdFeB材料制成，所述定子磁轭801与动子804均由叠层钢或软磁合金制成；所述线圈绕组803由绝缘材料包裹铜芯或银芯而成，绕制时保证围绕定子磁轭801层层并排，相互绝缘且耐高温。
在具体应用实例中，载物板1上设置有多个立柱101，多个立柱101穿过基座3上的通槽302后分别于各所述正应力电磁致动器8的动子804固连，各动子804在工作方向上与定子磁轭801形成工作气隙805。
在具体应用实例中，平台驱动装置为线性化正应力电磁驱动致动器8，利用磁场叠加的原理，使运动部件产生轴向的电磁驱动力且与通电线圈电流呈线性关系，其结构简单、出力密度大、发热量少，响应速度快、运动范围大，有效集成了音圈电机与压电陶瓷驱动的优点。
在具体应用实例中，所述载物板1和过渡板2根据实际需要可以做减重与异型结构处理，能有效减小负载质量并缩小整体空间尺寸。
例如，所述载物板2做减重处理，并在关键部位设计加强筋102；所述立柱101分别设置可安装X向传感器靶标块肋板103与可安装Y向传感器靶标块肋板104。
又例如，所述过渡板2设计为Z型并做减重处理，分别与基座3、载物板1连接，缩短载物板1与基座3之间的距离。
在具体应用时，作为优选方案，所述载物板1和过渡板2可以通过螺钉与多套Y向的导轨滑块组10连接，过渡板2和基座3可以通过螺钉与多套X向的导轨滑块10连接。
在具体应用时，根据实际需要载物板1、过渡板2及基座3可以由不锈钢、钛合金或铝合金制成。
通过本发明的上述方案之后，平台传动与承载为直线导轨滑块组10，结构简单，连接可靠，限制5个非工作方向上的自由度，具有无限刚度，X/Y两轴采用运动串联形式，使得两轴运动相互独立，无寄生运动，可以满足微定位平台定位精度高、低速平稳性好、状态保持性好等性能要求。
在具体应用实例中，所述传感器组4包括X方向传感器401和Y轴方向传感器402，传感器与基座3用螺栓连接，其中螺栓孔在传感器作方向上延展，使得传感器的安装位置可微调，便于调整传感器零位与微定位平台零位保持一致。
在具体应用实例中，所述基座3上设置有中部通光口径105、传感器组安装槽位303、传感器组接线槽孔304、立柱101的通槽302，导轨滑块组10的安装槽位301。
在具体应用实例中，所述传感器组4为电感式微位移位置传感器或电容式微位移传感器，布置在基座3的安装槽位303内。
在具体应用实例中，平台位置检测元件采用电感式传感器，能实时监测微定位平台载荷相对于基座3的位置信息，并反馈至正应力电磁致动器8的伺服控制单元，调整运动部件根据从当前位置运动到目标位置的位移输出励磁电流，实现闭环控制。位置检测元件安装在基座3运动部件之间，利用运动部件的肋板嵌入靶标块以组成位置检测子系统，整体结构紧凑，位置检测元件测量范围与平台运动行程匹配。
其中，正应力电磁致动器8的套数及安装位置可以改变，定子磁轭801可以平行于与运动平面，线圈绕组位置可以在偏置磁路的任意位置。位置检测元件不限于电感式传感器，可以是电容传感器、光栅尺或其他形式的微位移位置传感器。
本发明的工作原理及实现过程为：当给X轴方向的两套正应力电磁驱动致动器8通以电流，通电励磁线圈产生励磁磁场，磁路通过定子磁轭、动子及工作气隙形成闭环，该励磁磁路在动子两侧叠加，一侧的磁通密度将会增大，另一侧变小，从而动子两侧所受电磁力不一致，使之产生与励磁磁路方向相同的加速度，进而带动载物板产生Y轴正向工作位移，当通以反向电流时，将产生Y轴反向位移。同理，当给Y方向的两套正应力电磁驱动致动器通以不同方向的电流，会产生相应的正反向工作位移；载物板相对过渡板能实现Y轴方向的平动，载物板与过渡板共同相对基座能实现X轴方向的平动，最终的效果为载物板相对基座在平面内实现两自由度平动；传感器组分为X轴方向传感器和Y轴方向传感器，传感器零位与微定位平台零位保持一致；传感器组实时监测载物板及其所带负载的相对位置，并反馈给致动器的伺服控制器，实现闭环控制。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，包括载物板(1)、过渡板(2)、基座(3)、传感器组(4)、多套导轨滑块组(10)及多套正应力电磁致动器(8)；多套所述导轨滑块组(10)中具有X轴方向和Y轴方向的，所述基座(3)与过渡板(2)通过多套导轨滑块组(10)连接，导轨滑块组(10)的导向为X轴方向；所述过渡板(2)与载物板(1)通过多套导轨滑块组(10)连接，导轨滑块组(10)的导向为Y轴方向；所述载物板(1)与正应力电磁致动器(8)相连。
2.根据权利要求1所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述正应力电磁致动器(8)包括定子磁轭(801)、永磁体(802)、两套线圈绕组(803)及动子(804)；所述动子(804)置于定子磁轭(801)缺口中间，与定子磁轭(801)缺口面形成左右两个工作气隙(805)，所述动子(804)与永磁体(802)之间存在间隙，所述永磁体(802)置于定子磁轭中间，用于形成通过动子(804)、工作气隙(805)和定子磁轭(801)两路闭环偏置磁路；在所述定子磁轭(801)的左右两侧分别绕制线圈绕组(803)。
3.根据权利要求2所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，两个所述线圈绕组(803)通以大小相同方向相反的电流，以产生励磁磁场，通过定子磁轭(801)、工作间隙(805)和动子(804)形成闭环励磁磁路。
4.根据权利要求2所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述正应力电磁致动器(8)还包括致动器座(7)，所述致动器座(7)设置有定子磁轭槽、永磁体槽及线圈绕组槽，所述定子磁轭(801)、永磁体(802)及线圈绕组(803)分别安装于槽位内。
5.根据权利要求2所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述永磁体(802)由NdFeB材料制成，所述定子磁轭(801)与动子(804)均由叠层钢或软磁合金制成；所述线圈绕组(803)由绝缘材料包裹铜芯或银芯而成，绕制时保证围绕定子磁轭(801)层层并排，相互绝缘且耐高温。
6.根据权利要求2-5中任意一种所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述载物板(1)上设置有多个立柱(101)，多个立柱(101)穿过基座(3)上的通槽(302)后分别于所述正应力电磁致动器(8)的动子(804)固连，各动子(804)在工作方向上与定子磁轭(801)形成工作气隙(805)。
7.根据权利要求2-5中任意一种所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述基座(3)上设置有加强筋(102)；所述立柱(101)分别设置可安装X向传感器靶标块肋板(103)与可安装Y向传感器靶标块肋板(104)。
8.根据权利要求1-5中任意一种所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述传感器组(4)包括X方向传感器(401)和Y轴方向传感器(402)，所述传感器与基座(3)用螺栓连接，螺栓孔在传感器作方向上延展。
9.根据权利要求1-5中任意一种所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述基座(3)上设置有中部通光口径(105)、传感器组安装槽位(303)、传感器组接线槽孔(304)、通槽(302)及导轨滑块组(10)的安装槽位(301)。
10.根据权利要求1-5中任意一种所述的线性化二维平动正应力式电磁微动平台，其特征在于，所述导轨滑块组(10)包括直线导轨(1001)和精密滑块(1002)，所述精密滑块(1002)用来在直线导轨(1001)滑动。
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| CN (1) | CN114253004A (zh) |
Citations (6)
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| CN113175871A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-27 | 南京理工大学 | 一种定位平台设备 |
-
2021
- 2021-12-26 CN CN202111608634.1A patent/CN114253004A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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