CN201380492Y - 向心拉力磁悬浮球形主动关节 - Google Patents

Abstract

向心拉力磁悬浮球形主动关节，属于机电一体化技术领域。设有关节的支承机体、凸极定子、球形转子、转动臂和包括DSP数字控制器、驱动电路、开关功率放大器、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路的检测控制系统。支承机体为设有轴向通孔的柱体，在柱体侧面均匀布有至少四个垂直于轴向通孔的垂面通孔，轴向通孔的一端和至少二个垂面通孔内装有凸极定子，其余垂面通孔内安装电磁铁夹持机构，端盖中心孔内设有传感器，球形转子设置在凸极定子的球形空间内，球形转子与转动臂固定为一体，转动臂通过轴向通孔另一端伸向外部。本实用新型结构合理简单、紧凑，实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。

Description

向心拉力磁悬浮球形主动关节

技术领域

本实用新型涉及的是一种工程中广泛使用的具有支承驱动功能的关节系统，属于机电一体化技术领域。

背景技术

球形关节在机器人及机械手，乃至多坐标机械加工中心、航大飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。关节系统包括驱动器、传动器和控制器，属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。关节的驱动方式主要有：1)由液动机、伺服阀、油泵及油箱等组成的液压伺服驱动系统；2)由气缸、气阀、气罐和空压机组成的气压伺服驱动系统；3)采用伺服电机、减速传动装置等组成的电气伺服驱动系统。从机器人关节的应用现状可知，目前机器人关节通常采用电机加减速机构驱动方式。大多数关节为多自由度关节，而多自由度关节的运动是通过几个关节通过连杆连接利用平移和旋转运动协调运动产生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成。这样将导致结构复杂，体积庞大，关节摩擦面磨损严重，效率低下，制造安装非常困难，运动空间范围小，响应迟缓，动态性能较差。而且机械传动系统误差的累计导致整个控制系统的精度下降，甚至影响系统的稳定性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有关节存在的上述问题，基于磁悬浮技术和电机技术，提供一种机械集成度高、结构简单、无摩擦、无磨损，精度高和动态性能好，具有可以绕球形转子中心旋转的二自由度或多自由度的向心拉力磁悬浮球形主动关节。

本实用新型的目的是这样实现的，向心拉力磁悬浮球形主动关节，其特征是设有关节本体和检测控制系统，关节本体设有关节的支承机体、凸极定子、球形转子、转动臂，检测控制系统设有DSP数字控制器、驱动电路、开关功率放大器、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路；支承机体为设有轴向通孔的柱体，在柱体侧面均匀布有至少四个垂直于轴向通孔的垂面通孔，轴向通孔的一端和至少二个垂面通孔内通过端盖安装有凸极定子，其余垂面通孔内安装电磁铁夹持机构，柱体侧面的凸极定子和电磁铁夹持机构相互间隔错开，在安装凸极定子的端盖中心孔内设有检测转子位置、运动速度的传感器，所有凸极定子的凸极表面构成一球形包络内表面，球形转子设置在球形包络内表面构成的球形空间内，球形转子与转动臂固定为一体，转动臂通过支承机体轴向通孔另一端伸向外部。

所述的凸极定子由具有良好导磁性能的材料制成，内表面开有几何形状相同的凸极面，凸极之间的槽内绕有三相或多相通电线圈绕组。

所述的关节球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的凸极面。沟槽内设有转子绕组或电枢绕组的导线或导体。

本实用新型结构合理、简单、紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现球形关节的悬浮支承并驱动关节转子转动。关节工作过程中，由检测控制系统的传感器不断地检测转子的位置姿态(径向位移和切向位移)，并对其进行调制、放大、解调、滤波等信号处理，将处理后转子位置姿态信号由DSP数字控制器进行A/D转换和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬浮控制信号控制开关功率放大器，使经过稳压整流的电源电流随PWM脉冲信号变化，调节关节定子绕组产生的电磁悬浮磁力，以支承关节转子悬浮于平衡位置。PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源电流随PWM脉冲信号变化，调节关节定子绕组产生的电磁转矩，以控制关节转子按照所给定的角位移或角速度指令旋转，即在检测控制系统的主动控制下，关节定子绕组将产生悬浮磁力和磁力矩，支承球形转子稳定悬浮并驱动转子按给定指令转动。球形转子与关节定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。

附图说明

图1是本实用新型关节的支承机体结构示意图；

图2是本实用新型沿图1中A-A的剖面结构示意图；

图3是本实用新型沿图1中B-B的剖面结构示意图；

图4是本实用新型的球形转子表面结构示意图；

图5是图4中C-C的剖面结构示意图；

图6是本实用新型的凸极定子的结构示意图；

图7是本实用新型的凸极定子的剖面结构示意图；

图8是图6的俯视结构示意图；

图9是本实用新型的工作控制示意图；

图中：1球形转子，2凸极定子，3端盖，4传感器，5传感器定位块，6支承保护轴承，7凸极定子，8端盖，9支承机体，10电磁铁夹持机构，11转动臂，12轴向通孔，13、14、15垂面通孔，16通电线圈绕组，17凸极面，18凸极面，19沟槽。

具体实施方式

下面结合附图进一步叙述本实用新型的实施案例。

向心拉力磁悬浮球形主动关节，由关节的支承机体9、凸极定子2、球形转子1、转动臂11和包括DSP数字控制器、驱动电路、开关功率放大器、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路的检测控制系统等构成，支承机体为设有轴向通孔12的柱体，在柱体侧面均匀布有八个垂直于轴向通孔的垂面通孔13、14、15，轴向通孔的一端和四个垂面通孔内通过端盖3、8安装有凸极定子，其余四个垂面通孔内安装电磁铁夹持机构10，柱体侧面的凸极定子和电磁铁夹持机构相互间隔错开布置，安装凸极定子的端盖上设置中心孔，在安装凸极定子的端盖中心孔内传感器定位块5安装检测转子位置、运动速度的传感器4。凸极定子由具有良好导磁性能的材料制成，内表面开有几何形状相同的凸极面17，凸极之间的槽内绕有三相或多相通电线圈绕组16。所有凸极定子的凸极面17构成一球形包络内表面，球形转子1设置在球形包络内表面构成的球形空间内，球形转子与转动臂11固定为一体，转动臂通过支承机体轴向通孔另一端伸向外部。球形转子1由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽19，沟槽将整个球表面分为若干几何形状相同的凸极面18，沟槽内设置转子绕组或电枢绕组的导线或导体。

向心拉力磁悬浮球形主动关节的工作过程：关节处于停机状态时，由电磁铁夹持机构10中在弹簧力的作用下，将关节球形转子1的姿态锁定于平衡位置。关节处于无转悬浮时，向磁悬浮主动关节系统给定各方向的转子在平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，同时电磁铁夹持机构10衔铁在电磁力的作用下，松开球形转子1。指令信号与各个传感器4检测的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬浮控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源提供给定子通电线圈绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支承球形转子1的悬浮磁力，PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源提供给定子通电线圈绕组的电流随PWM脉冲信号变化而调节球形转子的磁力矩，在悬浮磁力和磁力矩综合作用下将球形转子1控制在夹持状态时的姿态，以达到球形转子不旋转的稳定悬浮。关节悬浮转动时，关节在不旋转的稳定悬浮基础上，输入沿某个转动自由度方向的角位移和转速指令信号，经数字控制器进行信号调节后输出PWM旋转控制信号，去调节控制逆变器的各功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器按照PWM脉冲控制信号规律向关节绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按所给指令要求旋转。

Claims (4)

1、一种向心拉力磁悬浮球形主动关节，其特征是设有关节本体和检测控制系统，关节本体设有关节的支承机体、凸极定子、球形转子、转动臂，检测控制系统设有DSP数字控制器、驱动电路、开关功率放大器、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路；支承机体为设有轴向通孔的柱体，在柱体侧面均匀布有至少四个垂直于轴向通孔的垂面通孔，轴向通孔的一端和至少二个垂面通孔内通过端盖安装有凸极定子，其余垂面通孔内安装电磁铁夹持机构，柱体侧面的凸极定子和电磁铁夹持机构相互间隔错开，在安装凸极定子的端盖中心孔内设有检测转子位置、运动速度的传感器，所有凸极定子的凸极表面构成一球形包络内表面，球形转子设置在球形包络内表面构成的球形空间内，球形转子与转动臂固定为一体，转动臂通过支承机体轴向通孔另一端伸向外部。

2、根据权利要求1所述的向心拉力磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的凸极定子由具有良好导磁性能的材料制成，内表面开有几何形状相同的凸极面，凸极之间的槽内绕有三相或多相通电线圈绕组。

3、根据权利要求1所述的向心拉力磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的关节球形转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的凸极面。

4、根据权利要求3所述的向心拉力磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的沟槽内设有转子绕组或电枢绕组的导线或导体。

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