CN117335687A - 一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，包括动子单元，动子单元的外侧设置驱动单元；动子单元包括工作台，工作台外侧周向分布衔铁支撑单元，衔铁支撑单元的上端、下端、左端和右端上均设置有衔铁；驱动单元包括磁铁安装架，磁铁安装架设置在衔铁支撑单元的外侧，磁铁安装架上端、下端、左端和右端上分别设置有与衔铁对应的电磁铁，还包括数据采集单元，数据采集单元用于采集动子单元的位置和姿态信息。本装置的驱动力的密度更大，可以实现更高带宽的运动控制，且通过四个方向吸引力的约束，定位的精准度更高，可以满足相对较大行程的运动范围和精度定位，且电磁铁产生的驱动力能够实现动子单元的全驱动而非欠驱动和过驱动。

Description

一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置

技术领域

本发明属于磁悬浮实验技术领域，涉及一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置。

背景技术

在集成电路制造、精密加工和纳米技术等领域都需要大行程精密的定位，而高性能的精密定位工作台是这些领域的支撑技术，其定位精度的高低成为制约当今前沿科学发展的关键因素。

随着集成电路集成度越来越高，要求刻线越来越细，集成电路装备光刻机的定位工作台就需要有快速运动和精确定位的要求；除了集成电路外，惯导系统、武器系统、生物显微镜以及光学非球面零件加工等领域都需要大行程超精密加工，经常要求其定位精度达到纳米级。

对于传统机械定位装置而言，通常采用丝杠系统实现定位，存在丝杠系统的定位精度低，且电驱动的运动范围小，不适合大行程场合等问题。

同时，针对现有磁悬浮平台的实验装置，其存在的问题是驱动力密度小和欠驱动，无法充分发挥所用控制器的作用和满足实际工作情况的模拟。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，包括动子单元，所述动子单元的外侧设置有驱动单元；

所述动子单元包括工作台，所述工作台外侧周向分布衔铁支撑单元，所述衔铁支撑单元的上端、下端、左端和右端上分别设置有衔铁；

所述驱动单元包括磁铁安装架，所述磁铁安装架设置在衔铁支撑单元的外侧，所述磁铁安装架上的上端、下端、左端和右端上分别设置有与衔铁对应的电磁铁；

所述工作台的周向分布有数据采集单元，所述数据采集单元用于采集动子单元的位置和姿态信息。

本发明的进一步改进在于：

所述衔铁支撑单元包括衔铁放置架，所述衔铁放置架通过连接架连接工作台；

所述衔铁固定在衔铁放置架上。

所述衔铁放置架设置在磁铁安装架的内部，所述衔铁放置架与磁铁安装架的内侧壁之间存在间隙。

所述磁铁安装架的上端、下端、左端和右端上均开设定位槽，电磁铁设置在定位槽内。

所述磁铁安装架的上端、下端、左端和右端上均设置有磁铁固定块，所述磁铁固定块内部两侧有凸块，所述电磁铁两侧面开有凹槽，所述凹槽与凸块配合对电磁铁进行固定和定位。

所述数据采集单元包括传感器组件和传感器感应片；

所述传感器组件设置在工作台和磁铁安装架之间；

所述传感器感应片设置在连接架上。

所述传感器组件包括传感器固定架，所述传感器固定架设置在工作台和磁铁安装架之间；

所述传感器固定架的上端设置有竖直传感器，传感器固定架的侧面设置有水平传感器。

所述工作台的外侧周向分布有限位块，所述限位块与工作台之间有间隙。

所述工作台下端设置有支撑台；

所述工作台上分布有定位销，所述定位销贯穿工作台，定位销用于对工作台的初始位置进行定位。

还包括底座，所述动子单元和驱动单元均设置在底座上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，设置了一一对应的衔铁和磁铁，且衔铁和磁铁均分布在上下左右四个方向，磁铁能够为衔铁提供四个方向的吸引力，使衔铁和磁铁相互配合能够保证动子稳定悬浮并完成沿X、Y、Z三个方向的移动，以及绕X、Y、Z三个方向的转动，实现六自由度运动，本装置的驱动力的密度更大，可以实现更高带宽的运动控制，且通过四个方向吸引力的约束，定位的精准度更高，在工作过程中，驱动单元和动子单元无接触直接驱动的驱动形式，配合数据采集单元，可以实时获取动子的位置信息，并根据位置信息调整电磁铁吸引力的大小，可以满足相对较大行程的运动范围和精度定位，且电磁铁产生的驱动力能够实现全驱动而非欠驱动和过驱动。

进一步的，本发明中，通过限位块可以对工作台的最大移动行程进行限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一种磁阻力驱动型磁悬浮平台的实验装置结构图；

图2为图1中的驱动单元结构示意图；

图3为图1中的动子单元部分结构示意图；

图4为图1中的定位限位单元的结构图；

图5为图1中的底座分布图。

其中：1-底座；2-磁铁安装架；3-磁铁固定块；4-竖直传感器；5-限位块；6-连接架；7-工作台；8-定位销；9-电磁铁；10-固定螺栓；11-传感器固定架；12-水平传感器；13-支撑台；14-衔铁放置架；15-传感器感应片；16-衔铁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，包括驱动器部分和动子部分，驱动器部分包括三个驱动单元，每个单元的磁铁安装架2上安装四个电磁铁，电磁铁9外有定位磁铁固定块，磁铁安装架2内有衔铁放置架14，其上安装四块衔铁16。衔铁放置架14通过连接架与工作台组成动子单元，在衔铁放置架14和工作台7之间安装传感器固定架11，每个传感器固定架11上安装竖直传感器4和水平传感器12，通过测量连接架6上的感应片15，以测量动子的位置和姿态。

进一步的，工作台7上的三个孔与支撑台13的三个孔通过定位销8确定工作台7的初始定位，与支撑台13相连接的限位块5限制工作台7的工作范围。

进一步的，本发明的实验装置可使动子稳定悬浮并完成沿X、Y、Z三个方向的移动，和绕X、Y、Z三个方向的转动，实现六自由度运动，较机械式装置，结构更加简单，同时，实验装置克服了摩擦力，可以实现更高的运动控制精度。

具体包括以下结构：

本实施例公开了一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，包括动子单元，所述动子单元的外侧设置有驱动单元；所述动子单元包括工作台7，所述工作台7外侧周向分布衔铁支撑单元，所述衔铁支撑单元的上端、下端、左端和右端上分别设置有衔铁16；所述驱动单元包括磁铁安装架2，所述磁铁安装架2设置在衔铁支撑单元的外侧所述磁铁安装架2上的上端、下端、左端和右端上分别设置有与衔铁16对应的磁铁；所述工作台7的周向分布有数据采集单元，所述数据采集单元用于采集动子单元的位置和姿态信息。

参见图2，进一步的，电磁铁9为E型电磁铁，且本实施例中周向分布有三组驱动单元，每个单元的驱动器都相同，通过其上的电磁铁9对衔铁16的作用，产生上下、左右四个吸引力，四个力互不干扰，既可以产生水平驱动力合力使动子水平运动，又可以产生绕竖直方向的力矩，使动子转过一定角度。

参见图3，进一步的，本实施例中，衔铁支撑单元包括衔铁放置架14，衔铁放置架14的一端与连接架6连接，连接架6与工作台7固定连接，形成动子单元。

其中，衔铁16分别固定安装在衔铁放置架14的上端面、下端面、左端面和右端面。

本实施例中，衔铁放置架14与连接架6通过螺栓10锁紧连接。

其中，衔铁放置架14位于磁铁安装架2的内部，磁铁安装架2内部为中空结构，磁铁安装架2的内侧壁与衔铁放置架14的外侧壁之间存在间隙，在磁铁安装架2的上下左右四个端面上分别开设有定位槽，定位槽对电磁铁的安装位置进行定位，每一个面上的电磁铁9分别与衔铁放置架14的每一个面上的衔铁16对应，每个电磁铁9两侧面开有凹槽，电磁铁9通过磁铁固定块3内部的凸块进行固定，磁铁固定块3与磁铁安装架2的外侧壁连接。

进一步的，本实施例中，数据采集单元包括传感器组件和传感器感应片15；

其中传感器组件包括传感器固定架11，传感器固定架11位于工作台7和磁铁安装架2之间，传感器固定架11的上端面安装有一个竖直传感器4，传感器固定架11的侧面的侧壁上安装有一个水平传感器12，进一步的，在连接架6的上端面安装有传感器感应片15，通过竖直传感器4、水平传感器12和传感器感应片15便于测量动子单元的位置和姿态。

参见图4，进一步的，本实施例中，还包括限位单元，限位单元主要用于对动子单元的行程和轨迹进行限位，包括以下结构：

在工作台7的外侧周向分布有限位块5，限位块5与工作台7的外侧壁之间存在间隙，限位块5能够对工作台7的最大行程进行限制。

本实施例中，限位块5分布有三个，三个限位块呈120°分布。

进一步的，在工作台7的下端固定支撑台13，支撑台13用于支撑工作台7，工作台7的上开设有通孔，通孔内设置有定位销8，当定位销8放置在通孔内时，定位销8的下端能够与支撑台13的上端接触，定位销8是对工作台7在水平面内进行初始定位，在完成定位之后，在工作台7工作之前需要把三个定位销8取出即可。

进一步的，本实施例中，工作台7为六边形结构。

进一步的，本实施例中，参见图5，还包括底座1，底座1为整个实验装置提供底部的支撑和定位。

进一步的，本实施例中，所采用的竖直传感器4、水平传感器12均为电涡流位移传感器。安装在传感器固定架11上的三个竖直传感器4是测量动子在竖直方向的位移，相邻两个传感器间相隔120度，可以检测动子与水平面的平行性，完全掌握动子的悬浮姿态。安装在传感器固定架11上的三个水平传感器12测量动子在竖直方向的位移，相邻两个传感器间也相隔120度。

本装置的工作原理为：

首先，针对动子的悬浮目标位移，通过竖直传感器4采集的信息对控制器进行实时反馈，对磁铁安装架2上表面和下表面的电磁铁9供电，使动子单元悬浮起来，并处于稳定状态；

然后，针对水平目标位移，通过水平传感器12的采集的信息对控制器进行实时反馈，对磁铁安装架2左表面和右表面的电磁铁9供电，使动子单元运动到指定目标水平位置。

本实施例实验装置的功能，实验装置分为悬浮部分和水平驱动部分：

悬浮部分：

本发明实施例采用吸引式悬浮结构，动子单元的悬浮动作是由E型电磁铁和衔铁16完成的，驱动器固定在底座1之上不动，安装于驱动器上的E型电磁铁固定不动，衔铁16固定在衔铁放置架14四个表面与四个E型电磁铁相对，对驱动器上表面的E型电磁铁通电后产生磁阻力，吸引衔铁，动子向上运动，三个竖直传感器4将动子单元的位置反馈回控制器，控制器根据反馈信号确定E型电磁铁的输入电压，最终使动子稳定悬浮。

水平驱动部分：

动子单元的驱动通过磁铁安装架2左右表面的E型电磁铁对其相对应的衔铁16产生吸引力的合力而实现的。动子单元悬浮稳定后，对相应的E型电磁铁供电使其产生吸引力，从实现动子在水平内的运动，水平传感器12将动子的位置反馈回控制器，控制器根据反馈信息调节输出电压，使动子运动到目标位置。

本发明实施例公开的装置，通过三个两自由度磁阻力的驱动单元可使动子稳定悬浮并完成沿X、Y、Z三个方向的移动，和绕X、Y、Z三个方向的转动，实现六自由度运动，较机械式装置，结构更加简单，提高了运动精度，且与洛伦兹力驱动型磁悬浮平台驱动力密度相比，磁阻力驱动型磁悬浮平台的驱动力密度更大，可以实现更高带宽的运动控制，与传统机械式装置相比，可以实现更高的定位精度，且无接触直接驱动、具有相对大的行程范围和高运动精度，同时，驱动器分布的电磁铁所产生的驱动力，能满足动子单元向下运动时加速度大于重力加速度的需求，使实验装置实现全驱动而非欠驱动和过驱动。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，包括动子单元，所述动子单元的外侧设置有驱动单元；

所述动子单元包括工作台(7)，所述工作台(7)外侧周向分布衔铁支撑单元，所述衔铁支撑单元的上端、下端、左端和右端上分别设置有衔铁(16)；

所述驱动单元包括磁铁安装架(2)，所述磁铁安装架(2)设置在衔铁支撑单元的外侧，所述磁铁安装架(2)上的上端、下端、左端和右端上分别设置有与衔铁(16)对应的电磁铁(9)；

所述工作台(7)的周向分布有数据采集单元，所述数据采集单元用于采集动子单元的位置和姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述衔铁支撑单元包括衔铁放置架(14)，所述衔铁放置架(14)通过连接架(6)连接工作台(7)；

所述衔铁(16)固定在衔铁放置架(14)上。

3.根据权利要求2所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述衔铁放置架(14)设置在磁铁安装架(2)的内部，所述衔铁放置架(14)与磁铁安装架(2)的内侧壁之间存在间隙。

4.根据权利要求3所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述磁铁安装架(2)的上端、下端、左端和右端上均开设定位槽，电磁铁(9)设置在定位槽内。

5.根据权利要求4所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述磁铁安装架(2)的上端、下端、左端和右端上均设置有磁铁固定块(3)，所述磁铁固定块(3)内部两侧有凸块，所述电磁铁(9)两侧面开有凹槽，所述凹槽与凸块配合对电磁铁(9)进行固定和定位。

6.根据权利要求2所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述数据采集单元包括传感器组件和传感器感应片(15)；

所述传感器组件设置在工作台(7)和磁铁安装架(2)之间；

所述传感器感应片(15)设置在连接架(6)上。

7.根据权利要求6所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述传感器组件包括传感器固定架(11)，所述传感器固定架(11)设置在工作台(7)和磁铁安装架(2)之间；

所述传感器固定架(11)的上端设置有竖直传感器(4)，传感器固定架(11)的侧面设置有水平传感器(12)。

8.根据权利要求1所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述工作台(7)的外侧周向分布有限位块(5)，所述限位块(5)与工作台(7)之间有间隙。

9.根据权利要求8所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，所述工作台(7)下端设置有支撑台(13)；

所述工作台(7)上分布有定位销(8)，所述定位销(8)贯穿工作台(7)，定位销(8)用于对工作台(7)的初始位置进行定位。

10.根据权利要求1所述的一种磁阻力驱动型磁悬浮平台实验装置，其特征在于，还包括底座(1)，所述动子单元和驱动单元均设置在底座(1)上。