CN115922365A - 一种凸极磁通组合式电磁模块x-y-r工作平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凸极磁通组合式电磁模块X‑Y‑R工作平台，采用四个绕Z轴旋转周向间隔90°凸极磁通电磁模块组合驱动工作台。两两电磁模块分别产生X、Y方向电磁推力，组合而成可实现X,Y和绕Z轴旋转R向的三自由度运动。此外各电磁模块通过控制线圈电流产生Z向悬浮力用于平衡工作平台重力，降低平台惯量。移动的工作平台只放置电磁模块的凸极式动子铁心，结构简单鲁棒性强。各电磁模块的永磁磁钢和线圈绕组均固定在底板上，有利于通过冷却装置增大电磁模块功率密度，提高平台载荷能力。另外，通过万向球的导向支承，采用激光测距传感器和应变压力传感器进行反馈，提高平台运动控制精度和动态响应性能。
Description
技术领域
本发明属于制造设备进给装置技术领域，具体涉及一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台。
背景技术
高精度多自由度工作平台是加工制造各类精密机械零件、半导体集成电路、微纳器件等的关键核心装备。现有工作平台通常由步进电机或伺服电机驱动滚珠丝杠实现X-Y-R三自由度运动。存在滑动摩擦、惯量大、运动噪声、系统发热和变形等问题，限制了平台载荷、进给速度和定位精度等性能的进一步提高。
电磁模块由电磁感应定理在定子和动子之间产生轴向电磁推力和法向电磁悬浮力。通过组合电磁模块可实现多自由度的微动平台。但该类平台通常结构复杂，控制解耦难度大，制造成本高，对工作环境要求高，难以普遍适用于各类需要精密加工制造的应用场合。
鉴于以上技术问题，实有必要提供一种低成本、低惯量、大行程、高精度的多自由度工作平台，设计新型的电磁模块结构提高平台驱动性能，并配置合理的导向方式和位置反馈传感器，提高控制的动态精度和定位精度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，包括底板和工作平台，所述工作平台位于所述底板上方，所述工作平台与所述底板同轴设置，在所述底板和所述工作平台之间，设置有四个凸极磁通组合式电磁模块，所述四个凸极磁通组合式电磁模块沿中心Z轴旋转周向间隔90°设置，两个凸极磁通组合式电磁模块沿X轴间隔放置，两个凸极磁通组合式电磁模块沿Y轴间隔放置；所述凸极磁通组合式电磁模块包括电磁模块定子和电磁模块动子，所述电磁模块定子设置在所述底板上，所述电磁模块动子位于所述电磁模块定子上；
所述电磁模块定子包括定子铁心、多个永磁磁钢和多个线圈绕组；在所述定子铁心上沿轴向开设有多个等间距齿槽，所述永磁磁钢放置在所述定子铁心的齿槽内，相邻所述永磁磁钢之间间隔一个齿槽，所述永磁磁钢沿轴向厚度方向充磁，相邻的永磁磁钢充磁方向相反；在所述永磁磁钢相邻的两个槽内绕制一个线圈绕组，所述线圈绕组以三相A、B、C的相序放置，由漆包线绕制，在同一个定子铁心上的三个线圈绕组的绕向相同；
所述电磁模块动子为凸极齿式整体铁心结构。
在本发明的一个实施例中，所述定子铁心的齿槽间距和所述电磁模块动子的齿极距与所述线圈绕组的个数配合设计，满足以下设计条件：
6m·τp＝n·τs，
式中，τp表示定子铁心的齿槽间距，τs表示电磁模块动子的齿极距，3m表示线圈绕组的个数，m取正整数，n表示电磁有效作用的动子齿极数，n取正整数；
所述电磁模块动子的轴向总长度和横向宽度根据所述工作平台的X,Y轴向行程sxy进行设置，满足以下设置条件：
Lsc＝n·τs+sxy＝(n+s)·τs；
Wsc＝Wpc+sxy＝Wpc+s·τs；
式中，Lsc表示电磁模块动子的轴向总长度，Wsc表示电磁模块动子的横向宽度，Wpc表示定子铁心的横向宽度，sxy表示工作平台的X,Y轴向行程，s取正整数。
在本发明的一个实施例中，同X轴向设置的两个所述电磁模块定子之间的相间隔距离、以及同Y轴向设置的的两个所述电磁模块定子之间的相间隔距离均为(k+0.5)·τs，k取正整数，同X轴向的两个凸极磁通组合式电磁模块上的线圈绕组的绕向相反，同Y轴向的两个凸极磁通组合式电磁模块上的线圈绕组的绕向相反。
在本发明的一个实施例中，所述工作平台中心轴线处设置有凸台，所述凸台位于所述底板上，在所述凸台中心设置有一个应变压力传感器，所述凸台四角对称设置有四个万向球。
在本发明的一个实施例中，所述底板的四个边长中心处设置有向外的突出部，在所述突出部上设置有激光测距传感器，所述激光测距传感器由传感器支架固定在所述底板上；在所述激光测距传感器一侧设置有限位缓冲块。
在本发明的一个实施例中，所述线圈绕组通入三相正弦电流后，在所述电磁模块定子和所述电磁模块动子之间产生可控制的电磁轴向推力Fx、Fy和纵向悬浮力Fz，控制沿X轴向放置的两个凸极磁通组合式电磁模块输出同向电磁推力Fx+或Fx-使所述工作平台沿X轴向进给，控制沿Y轴向放置的两个凸极磁通组合式电磁模块输出同向电磁推力Fy+或Fy-使所述工作平台沿Y轴向进给，控制四个凸极磁通组合式电磁模块沿周向顺序输出电磁推力Fx+,Fy+,Fx-,Fy-,使所述工作平台沿Z轴逆时针旋转，控制四个凸极磁通组合式电磁模块沿周向顺序输出电磁推力Fx-,Fy-,Fx+,Fy+,使所述工作平台沿Z轴逆时针旋转。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，通过四个凸极磁通电磁模块的组合，实现工作平台在平面上的X-Y-R三自由度运动。各电磁模块通过控制线圈电流产生Z向悬浮力用于平衡工作平台重力，降低平台惯量。移动的工作平台只放置电磁模块的凸极式动子铁心，结构简单鲁棒性强。各电磁模块的永磁磁钢和线圈绕组均固定在底板上，有利于通过冷却装置增大电磁模块功率密度，提高平台载荷能力。另外，通过万向球的导向支承，采用激光测距传感器和应变压力传感器进行反馈，提高平台运动控制精度和动态响应性能。本发明在各类精密加工运动进给平台等领域具有极大的发展应用潜力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台的整体三维结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电磁模块定子的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的单个电磁模块定子和动子结构横向截面示意图；
图4是本发明实施例提供的四个电磁模块组合的各定子安装位置和尺寸示意图；
图5是本发明实施例提供的四个电磁模块组合的各动子安装位置和尺寸示意图；
图6是本发明实施例提供的四个电磁模块组合的输出电磁力示意图；
图7是本发明实施例提供的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台的各自由度运动示意图。
图标：1-电磁模块定子；11-定子铁心；12-永磁磁钢；13-线圈绕组；2-电磁模块动子；3-底板；4-工作平台；5-万向球；6-激光测距传感器；7-传感器支架；8-限位缓冲块；9-应变压力传感器；10-凸台。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台的整体三维结构示意图，如图所示，本实施例的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台包括电磁模块定子1，电磁模块动子2，底板3，工作平台4，万向球5，激光测距传感器6，传感器支架7，限位缓冲块8，应变压力传感器9和凸台10。工作平台4设置在底板3上方，两者中心轴线重合，在底板3和工作平台4之间，沿中心Z轴旋转周向间隔90°，设置四个凸极磁通组合式电磁模块，两个沿X轴间隔放置，两个沿Y轴间隔放置。凸极磁通组合式电磁模块由电磁模块定子1和电磁模块动子1组成；电磁模块定子1放置在底板3上，电磁模块动子2位于电磁模块定子1上，电磁模块动子1位于工作平台4下方。
工作平台4中心轴线处设置有凸台10，凸台10位于底板3上在凸台10中心设置有一个应变压力传感器9，凸台10四角对称设置有四个万向球5。万向球5用于对工作平台4起支承和平面运动的导向作用，周向设置四个万向球5能保证足够平稳的支承导向作用力。应变压力传感器9用于测量和采集支承工作平台4的作用力大小。
底板3的四个边长中心处设置有向外的突出部，在突出部上设置有激光测距传感器6，激光测距传感器6由传感器支架7固定在底板3上。激光测距传感器6用于测量工作平台4在平面运动的X、Y轴位置，通过四个激光测距传感器6配合能测量平台绕中心Z轴的旋转角度。在激光测距传感器6一侧设置有限位缓冲块8，用于限制工作平台4的运动不超出平台允许的最大行程。
结合参见图2所示的本发明实施例提供的电磁模块定子的结构示意图，电磁模块定子1由定子铁心11、永磁磁钢12、线圈绕组13组成；在定子铁心11沿轴向开有等间距齿槽，永磁磁钢12间隔一个槽放置在定子铁心11槽内，永磁磁钢12沿轴向厚度方向充磁，如图3所示的单个电磁模块定子和动子结构横向截面示意图中箭头方向所示，相邻的永磁磁钢12充磁方向相反；在永磁磁钢12相邻的两个槽内绕制一个线圈绕组13，线圈绕组13以三相A、B、C的相序放置，由漆包线绕制，在同一个定子铁心11上的三个线圈绕组13的绕向相同。
电磁模块动子2为凸极齿式整体铁心结构，由导磁性好的铁磁材料一体加工而成。
结合图2和图3所示，定子铁心11的齿槽间距τp和电磁模块动子2的齿极距τs需和线圈绕组13的个数3m(m取正整数)配合设计，使6m·τp＝n·τs，n为电磁有效作用的动子齿极数，n取正整数，电磁力只在该定子及动子的轴向有效长度内产生。
结合图2、图3和图5所示，电磁模块动子2的轴向总长度Lsc和横向宽度Wsc需要根据平台X,Y轴向行程sxy进行设置，假设X,Y轴向行程相同。使Lsc＝n·τs+sxy＝(n+s)·τs，(s取正整数)，Wsc＝Wpc+sxy＝Wpc+s·τs，Wpc为定子铁心11的横向宽度。该尺寸设置使得工作平台4的平面运动行程不影响各电磁模块产生电磁力作用范围的尺寸。
结合图2、图3和图4所示，同X、Y轴向的两个电磁模块定子1相间隔距离均为(k+0.5)·τs(k取正整数)，同X、Y轴向的两个电磁模块上的线圈绕组13的绕向相反。该设置的目的在于抵消同轴向电磁模块的谐波推力脉动。
结合图1、图3、图6和图7所示，线圈绕组13通入三相正弦电流后，在电磁模块定子1和电磁模块动子2之间产生可控制的电磁轴向推力Fx、Fy和纵向悬浮力Fz，控制沿X轴向放置的两个电磁模块输出同向电磁推力Fx+或Fx-使工作平台4沿X轴向进给，控制沿Y轴向放置的两个电磁模块输出同向电磁推力Fy+或Fy-使工作平台4沿Y轴向进给，控制四个电磁模块沿周向顺序输出电磁推力Fx+,Fy+,Fx-,Fy-,使工作平台4沿Z轴逆时针旋转，控制四个电磁模块沿周向顺序输出电磁推力Fx-,Fy-,Fx+,Fy+,使工作平台4沿Z轴逆时针旋转。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”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。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，其特征在于，包括底板(3)和工作平台(4)，所述工作平台(4)位于所述底板(3)上方，所述工作平台(4)与所述底板(3)同轴设置，在所述底板(3)和所述工作平台(4)之间，设置有四个凸极磁通组合式电磁模块，所述四个凸极磁通组合式电磁模块沿中心Z轴旋转周向间隔90°设置，两个凸极磁通组合式电磁模块沿X轴间隔放置，两个凸极磁通组合式电磁模块沿Y轴间隔放置；所述凸极磁通组合式电磁模块包括电磁模块定子(1)和电磁模块动子(2)，所述电磁模块定子(1)设置在所述底板(3)上，所述电磁模块动子(2)位于所述电磁模块定子(1)上；
所述电磁模块定子(1)包括定子铁心(11)、多个永磁磁钢(12)和多个线圈绕组(13)；在所述定子铁心(11)上沿轴向开设有多个等间距齿槽，所述永磁磁钢(12)放置在所述定子铁心(11)的齿槽内，相邻所述永磁磁钢(12)之间间隔一个齿槽，所述永磁磁钢(12)沿轴向厚度方向充磁，相邻的永磁磁钢(12)充磁方向相反；在所述永磁磁钢(12)相邻的两个槽内绕制一个线圈绕组(13)，所述线圈绕组(13)以三相A、B、C的相序放置，由漆包线绕制，在同一个定子铁心(11)上的三个线圈绕组(13)的绕向相同；
所述电磁模块动子(2)为凸极齿式整体铁心结构。
2.根据权利要求1所述的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，其特征在于，所述定子铁心(11)的齿槽间距和所述电磁模块动子(2)的齿极距与所述线圈绕组(13)的个数配合设计，满足以下设计条件：
6m·τp＝n·τs，
式中，τp表示定子铁心的齿槽间距，τs表示电磁模块动子的齿极距，3m表示线圈绕组的个数，m取正整数，n表示电磁有效作用的动子齿极数，n取正整数；
所述电磁模块动子(2)的轴向总长度和横向宽度根据所述工作平台的X,Y轴向行程sxy进行设置，满足以下设置条件：
Lsc＝n·τs+sxy＝(n+s)·τs；
Wsc＝Wpc+sxy＝Wpc+s·τs；
式中，Lsc表示电磁模块动子的轴向总长度，Wsc表示电磁模块动子的横向宽度，Wpc表示定子铁心的横向宽度，sxy表示工作平台的X,Y轴向行程，s取正整数。
3.根据权利要求1所述的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，其特征在于：
同X轴向设置的两个所述电磁模块定子之间的相间隔距离、以及同Y轴向设置的的两个所述电磁模块定子(1)之间的相间隔距离均为(k+0.5)·τs，k取正整数，同X轴向的两个凸极磁通组合式电磁模块上的线圈绕组(13)的绕向相反，同Y轴向的两个凸极磁通组合式电磁模块上的线圈绕组(13)的绕向相反。
4.根据权利要求1所述的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，其特征在于：
所述工作平台(4)中心轴线处设置有凸台(10)，所述凸台(10)位于所述底板(3)上，在所述凸台(10)中心设置有一个应变压力传感器(9)，所述凸台(10)四角对称设置有四个万向球(5)。
5.根据权利要求1所述的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，其特征在于：
所述底板(3)的四个边长中心处设置有向外的突出部，在所述突出部上设置有激光测距传感器(6)，所述激光测距传感器(6)由传感器支架(7)固定在所述底板(3)上；在所述激光测距传感器(6)一侧设置有限位缓冲块(8)。
6.根据权利要求1所述的凸极磁通组合式电磁模块X-Y-R工作平台，其特征在于：
所述线圈绕组(13)通入三相正弦电流后，在所述电磁模块定子(1)和所述电磁模块动子(2)之间产生可控制的电磁轴向推力Fx、Fy和纵向悬浮力Fz，控制沿X轴向放置的两个凸极磁通组合式电磁模块输出同向电磁推力Fx+或Fx-使所述工作平台(4)沿X轴向进给，控制沿Y轴向放置的两个凸极磁通组合式电磁模块输出同向电磁推力Fy+或Fy-使所述工作平台(4)沿Y轴向进给，控制四个凸极磁通组合式电磁模块沿周向顺序输出电磁推力Fx+,Fy+,Fx-,Fy-,使所述工作平台(4)沿Z轴逆时针旋转，控制四个凸极磁通组合式电磁模块沿周向顺序输出电磁推力Fx-,Fy-,Fx+,Fy+,使所述工作平台(4)沿Z轴逆时针旋转。
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