技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種磁懸浮開關(guān)磁阻傳送單元。

背景技術(shù)：

傳送裝置是一種將動力裝置的動力傳遞各工作機(jī)構(gòu)的中間裝置，在制藥、手機(jī)裝配、物流分揀、半導(dǎo)體芯片封裝等自動化傳送領(lǐng)域中均有應(yīng)用，要求具有傳送平穩(wěn)、定位精確、運行可靠等特點。但在現(xiàn)有的傳送系統(tǒng)中，主要采用鏈輪鏈條、皮帶、滾柱、鋼帶、渦輪蝸桿、滾珠絲杠、氣缸等作為傳送介質(zhì)，并通過電動機(jī)和變速機(jī)構(gòu)控制其傳送速率，這一方面使得電動機(jī)到運動部件之間存在軸承、聯(lián)軸器、齒輪等諸多中間環(huán)節(jié)，加大了定位機(jī)構(gòu)的慣性質(zhì)量，降低了響應(yīng)速度；另一方面存在于運動部件與支承導(dǎo)軌間的摩擦和磨損降低了運動部件的運動精度和使用壽命，并增大了驅(qū)動部件的功率損耗。而更突出的問題是：現(xiàn)有的傳送系統(tǒng)大多僅能實現(xiàn)直線傳送功能，難以實現(xiàn)沿形狀多樣化、由直線和曲線組成的封閉式曲直復(fù)合型導(dǎo)軌循環(huán)傳送的功能。因此，如何簡化傳送方式、減小導(dǎo)軌副之間摩擦，實現(xiàn)穩(wěn)定、精確、可靠的曲直復(fù)合循環(huán)傳送功能，成為制約傳送系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。

磁懸浮直線傳送單元將磁懸浮支承技術(shù)和直線電動機(jī)相結(jié)合，在實現(xiàn)了驅(qū)動元件和運動部件之間“零傳動”的同時，消除了運動導(dǎo)軌與支承導(dǎo)軌之間的摩擦，符合曲直復(fù)合型循環(huán)傳送系統(tǒng)的發(fā)展要求。但從現(xiàn)有報道和相關(guān)文獻(xiàn)中可獲知，目前所研究的磁懸浮直線傳送單元僅能實現(xiàn)直線往復(fù)運動，無法實現(xiàn)曲直復(fù)合型循環(huán)運動，這是因為目前所研究的磁懸浮直線傳送單元中支承導(dǎo)軌的形式均為直線型，而能夠完成曲直復(fù)合型循環(huán)運動的導(dǎo)軌一般是要由直線型和圓周型導(dǎo)軌復(fù)合而成。因此，如何在現(xiàn)有磁懸浮直線傳送單元的基礎(chǔ)上，分別根據(jù)直線和圓周運動的運動特征，研制出能夠在直線和圓周運動之間自由切換從而實現(xiàn)曲直復(fù)合型循環(huán)運動的磁懸浮傳送單元，對促進(jìn)傳送系統(tǒng)高速、高精密化的發(fā)展具有重要意義。

本申請專利以實現(xiàn)磁懸浮技術(shù)周期循環(huán)進(jìn)給運動為目標(biāo)，將具有較強(qiáng)主動控制和信息處理能力，并能精確、可靠的實現(xiàn)在線檢測和自動補(bǔ)償功能的磁懸浮支承技術(shù)與具有啟動出力大、耐高溫、成本低等優(yōu)點的直線開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，研制出一種新型的能夠在直線和圓周進(jìn)給運動之間自由切換從而實現(xiàn)周期循環(huán)運動的磁懸浮傳送單元，既符合現(xiàn)代傳送技術(shù)領(lǐng)域高精度、高速化發(fā)展要求，又拓展了磁懸浮支承和傳送技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

經(jīng)檢索，國內(nèi)外雖已有多數(shù)磁懸浮直線進(jìn)給單元的相關(guān)專利申請，但大多是以直線電動機(jī)作為驅(qū)動元件，將直線電動機(jī)的動子與磁懸浮工作臺相連，在利用磁懸浮支承技術(shù)實現(xiàn)磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮后，由直線電動機(jī)的動子帶動磁懸浮工作臺沿直線導(dǎo)軌做進(jìn)給運動，而未見有對于要求多個磁懸浮工作臺搭載一柔性傳送帶沿著由直線導(dǎo)軌和不同半徑的圓周導(dǎo)軌組成的封閉式支承導(dǎo)軌運行從而實現(xiàn)周期循環(huán)傳送的磁懸浮傳送單元的相關(guān)專利申請。

例如，專利201010017657.0、201110113611.3、200310107944.0、200820013968.8、200610161995、02132839.0等中的磁懸浮工作臺均只沿直線導(dǎo)軌做進(jìn)給運動，未提及磁懸浮工作臺可沿著由直線導(dǎo)軌和不同半徑的圓周導(dǎo)軌組成的封閉式導(dǎo)軌運行。

專利201310021053.7、201210502591.3等雖提及若干個磁懸浮工作臺帶動柔性傳送帶沿跑道式導(dǎo)軌做進(jìn)給運動，但與本申請專利相比，存在以下差異：

1)本申請專利中的傳送導(dǎo)軌由直線導(dǎo)軌和不同半徑的圓周導(dǎo)軌相互平滑連接構(gòu)成，傳送導(dǎo)軌的形狀可隨圓周導(dǎo)軌的數(shù)量和半徑的變化而改變，而專利201310021053.7、201210502591.3等的傳送導(dǎo)軌形式固定，僅有直線導(dǎo)軌和半徑唯一的圓周導(dǎo)軌組成，不能適應(yīng)傳送路徑復(fù)雜的應(yīng)用場合。

2)專利201310021053.7、201210502591.3等由于考慮磁懸浮工作臺分別做直線和圓周運動時懸浮氣隙的形狀分別為矩形和圓環(huán)狀而設(shè)計了直線和圓周兩大導(dǎo)向系統(tǒng)，即磁懸浮工作臺在直線導(dǎo)軌上運行時，啟用由矩形電磁鐵構(gòu)成的直線導(dǎo)向系統(tǒng)，當(dāng)磁懸浮工作臺在圓周導(dǎo)軌上運行時，啟用由弧形電磁鐵構(gòu)成的圓周導(dǎo)向系統(tǒng)。而本申請專利中磁懸浮工作臺中僅有一套由矩形電磁鐵構(gòu)成的直線導(dǎo)向系統(tǒng)，這是因為在本申請專利中，每個磁懸浮工作臺沿進(jìn)給方向的厚度相對于各圓周導(dǎo)軌半徑的比值小于0.05，使得磁懸浮工作臺在每個圓周導(dǎo)軌上運行時，矩形導(dǎo)向電磁鐵與圓周導(dǎo)軌之間的懸浮氣隙形狀基本為矩形；另一方面，本申請專利中的支承導(dǎo)軌是由多個不同半徑圓周導(dǎo)軌組成的，且相鄰圓周導(dǎo)軌間是相互外切的，若要針對每個圓周導(dǎo)軌都設(shè)計一套導(dǎo)向系統(tǒng)，既增加了磁懸浮工作臺的結(jié)構(gòu)尺寸，又降低了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，本申請專利避免了專利201310021053.7、201210502591.3等兩套或多套導(dǎo)向系統(tǒng)切換時所引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性差、控制策略復(fù)雜等問題，并有效降低了磁懸浮工作臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中提及依靠靜電磁鐵對動電磁鐵所產(chǎn)生的電磁吸力和電磁斥力的作用，實現(xiàn)動導(dǎo)軌沿跑道式導(dǎo)軌的無電機(jī)驅(qū)動和自動導(dǎo)向，但與本申請專利相比，存在以下差異：

1)專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中的磁懸浮工作臺中僅有支承電磁鐵，即磁懸浮工作臺僅具有實現(xiàn)垂直方向穩(wěn)定懸浮的功能，不具有水平方向上的導(dǎo)向功能，當(dāng)磁懸浮工作臺水平方向出現(xiàn)擾動力時，則難以保證系統(tǒng)的正常運行。

2)本申請專利中的動子7上未繞有線圈，而專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中動電磁鐵4中繞有線圈，且該線圈在系統(tǒng)工作時始終處于通電發(fā)熱狀態(tài)，因此專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1在工作時的熱源點較本申請專利的多，系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定性較本申請專利的低。

3)專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中未具體分析動電磁鐵4在圓周段上運行時的受力情況，即動電磁鐵4在圓周導(dǎo)軌上運行時的向心力采用何種控制方式調(diào)整位于其上靜電磁鐵的電磁力大小而得到保證，因此本申請專利在運行時的可靠性較專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1高。

4)專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中的傳送導(dǎo)軌形式固定，僅有直線導(dǎo)軌和半徑唯一的圓周導(dǎo)軌組成，不能適應(yīng)傳送路徑復(fù)雜的應(yīng)用場合，而本申請專利中的傳送導(dǎo)軌由直線導(dǎo)軌和不同半徑的圓周導(dǎo)軌相互平滑連接構(gòu)成，傳送導(dǎo)軌的形狀可隨圓周導(dǎo)軌的數(shù)量和半徑的變化而改變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，利用磁懸浮支承和驅(qū)動的能夠在直線和圓周進(jìn)給運動之間自由切換從而實現(xiàn)周期循環(huán)運動的自驅(qū)式磁懸浮曲直復(fù)合循環(huán)型傳送單元。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種自驅(qū)式磁懸浮曲直復(fù)合循環(huán)型傳送單元，其特征是：柔性傳送帶通過連接塊安裝在動子上，動子與磁懸浮工作臺5、相連，磁懸浮工作臺套裝在支承導(dǎo)軌外周，支承導(dǎo)軌安裝在支承塊上，支承導(dǎo)軌由直線段和圓弧段組成，多組對稱設(shè)置的支承電磁鐵和一組對稱設(shè)置的導(dǎo)向電磁鐵的分布在磁懸浮工作臺的內(nèi)側(cè)，垂直位移傳感器和水平位移傳感器分別安裝在支承電磁鐵和導(dǎo)向電磁鐵處，支承導(dǎo)軌兩側(cè)安裝支架，支架的直線段均勻的分布著若干個定子，定子的安裝高度與磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮時動子的高度一致，每個定子上繞有線圈；磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮時柔性傳送帶與支架之間的間隙值Δ1小于支承電磁鐵與支承導(dǎo)軌之間的間隙值Δ2。

安裝在每個磁懸浮工作臺中的支承電磁鐵和導(dǎo)向電磁鐵均為矩形狀。

每個磁懸浮工作臺沿進(jìn)給方向的厚度相對于各圓周導(dǎo)軌半徑的比值小于0.05。

支承導(dǎo)軌是由直線導(dǎo)軌和若干個不同半徑的圓周導(dǎo)軌組成封閉狀，且相鄰導(dǎo)軌中心線外切。

安裝在支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架的形狀與支承導(dǎo)軌一致，且在支承導(dǎo)軌直線段兩側(cè)的直線支架上均勻的安裝定子，定子的安裝高度與磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮時動子的高度一致。

安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上的定子為雙邊n相，n≥4，動子為雙邊n-1相，每個動子對應(yīng)一個磁懸浮工作臺；各相定子等間距排列，各相動子也等間距排列，各相定子間的間距長度與各相動子間的間距長度之比等于動子相數(shù)與定子相數(shù)之比。

柔性傳送帶的寬度不小于兩支架之間的安裝距離。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，傳送精度高，可靠性強(qiáng)，實現(xiàn)了磁懸浮技術(shù)的周期循環(huán)運動，進(jìn)一步拓展了磁懸浮支承技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明一種自驅(qū)式磁懸浮曲直復(fù)合循環(huán)型傳送單元俯視圖；

圖2為圖1的A-A視圖；

圖3為直線進(jìn)給運動工作原理示意圖；

圖4為不同圓周導(dǎo)軌組合示意圖；

圖5為導(dǎo)向電磁鐵在直線支承導(dǎo)軌運行時的懸浮氣隙形狀；

圖6為導(dǎo)向電磁鐵在圓周支承導(dǎo)軌運行時的懸浮氣隙形狀；

圖7為導(dǎo)向電磁鐵在大半徑圓周支承導(dǎo)軌中運行示意圖。

具體實施方式

一種自驅(qū)式磁懸浮曲直復(fù)合循環(huán)型傳送單元元，主要由支承部件和傳動部件組成，根據(jù)運動和實現(xiàn)磁懸浮的要求，柔性傳送帶3通過連接塊4、9安裝在動子7上，動子7與磁懸浮工作臺(磁懸浮工作臺由部件5、12、14、19、21組成的套狀結(jié)構(gòu))相連，磁懸浮工作臺套裝在支承導(dǎo)軌17外周，支承導(dǎo)軌17安裝在支承塊16上，支承導(dǎo)軌17由直線段和圓弧段組成，支承電磁鐵6、8、15、18和導(dǎo)向電磁鐵13、20對稱的分布在磁懸浮工作臺的內(nèi)側(cè)，垂直位移傳感器22和水平位移傳感器23分別安裝在支承電磁鐵和導(dǎo)向電磁鐵處，支承導(dǎo)軌兩側(cè)安裝支架1、11，支架的直線段均勻的分布著若干個定子2、10，定子2、10的安裝高度與磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮時動子7的高度一致，每個定子上繞有線圈。為保證磁懸浮工作臺不工作時支承電磁鐵6、8、15、18與支承導(dǎo)軌17不發(fā)生干涉，應(yīng)使得磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮時柔性傳送帶3與支架1、11之間的間隙值Δ₁小于支承電磁鐵6、8、15、18與支承導(dǎo)軌17之間的間隙值Δ₂。

安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上的定子設(shè)計為雙邊四相結(jié)構(gòu)(參見附圖3)，分別為X軸左邊的SA、SB、SC、SD四相和X軸右邊的NA、NB、NC、ND四相，每相定子沿X軸方向相互對稱，并沿Z軸方向相互之間距離均為ls。根據(jù)磁阻電機(jī)的基本原理可知，當(dāng)定子為雙邊n相(n≥4)時，動子為雙邊n-1相，因此，該傳送單元的動子應(yīng)包括3個雙邊動子相TA、TB、TC(即3個磁懸浮工作臺)，每相動子僅由一個矩形且無繞組的動子鐵心組成，且相鄰動子間的直線距離均為lm，而定子間距l(xiāng)s與動子間距l(xiāng)m的比值等于動子相數(shù)與定子相數(shù)之比，即：

為保證磁懸浮工作臺在做直線進(jìn)給運動所需行程范圍內(nèi)，安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上的定子與動子之間的相數(shù)耦合關(guān)系始終保持不變(即定子為雙邊n相，動子為雙邊n-1相，n≥4)，在設(shè)計制造時，安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上的定子相數(shù)可取雙邊K₁×n相(K₁為正整數(shù))，動子的相數(shù)可取雙邊K₂×(n-1)相(K₂為正整數(shù))。

當(dāng)磁懸浮工作臺處于圓周支承導(dǎo)軌中時，需進(jìn)行圓周進(jìn)給運動，此時磁懸浮工作臺中導(dǎo)向電磁鐵13、20與圓周支承導(dǎo)軌27間懸浮氣隙的形狀不再是其在直線支承導(dǎo)軌24中運行時的矩形狀25、26(如附圖5所示)，而是如附圖6所示的不規(guī)則狀28、29，但控制系統(tǒng)在設(shè)計時均是以電磁鐵與支承導(dǎo)軌間懸浮氣隙是規(guī)則的矩形所進(jìn)行的，因此，磁懸浮工作臺在圓周支承導(dǎo)軌27中運行時，導(dǎo)向控制系統(tǒng)的控制精度會大大降低。

為解決這一問題，如附圖7所示，在設(shè)計該傳送單元時，使得磁懸浮工作臺中導(dǎo)向電磁鐵13、20沿進(jìn)給方向的長度d與圓周導(dǎo)軌中心線處半徑r的比值均不超過0.05，此時導(dǎo)向電磁鐵13、20與各圓周支承導(dǎo)軌31之間的懸浮氣隙的形狀30、32基本為矩形，可基本忽略懸浮氣隙形狀對導(dǎo)向系統(tǒng)控制精度的影響。

工作之前，所有線圈均不通電，柔性傳送帶3與支架1、11的上表面接觸，垂直位移傳感器22和水平位移傳感器23均不工作。

工作時，首先給各個磁懸浮工作臺中的支承電磁鐵和導(dǎo)向電磁鐵通電，待垂直位移傳感器和水平位移傳感器檢測出磁懸浮工作臺沿垂直和水平方向均實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮后，根據(jù)傳送方向和傳送速度對安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上的各個定子中的線圈按一定規(guī)律通電。參見附圖2，若要求柔性傳送帶沿逆時針方向傳送，則安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上定子中的繞組按照左側(cè)SB→SC→SD→SA→SB時序通電，右側(cè)NB→NC→ND→NA→NB時序通電，當(dāng)SB、NB通電時，對TB產(chǎn)生電磁吸力，從而TB帶動TA和TC沿Z軸負(fù)方向做直線進(jìn)給運動；當(dāng)SC、NC通電時，對TC產(chǎn)生電磁吸力，從而TC帶動TA和TB沿Z軸負(fù)方向做直線進(jìn)給運動；當(dāng)SD、ND通電時，對TA產(chǎn)生電磁吸力，從而TA帶動TB和TC沿Z軸負(fù)方向做直線進(jìn)給運動。如此循環(huán)，使得位于支承導(dǎo)軌直線段的磁懸浮工作臺按一定速度沿Z軸負(fù)方向做直線進(jìn)給運動。

而對于位于支承導(dǎo)軌圓周段中的磁懸浮工作臺，則根據(jù)其所處圓周導(dǎo)軌的半徑和直線支承導(dǎo)軌中磁懸浮工作臺的直線進(jìn)給速度大小，調(diào)整兩導(dǎo)向電磁鐵的電磁力，使得兩者的電磁力合力值為每個磁懸浮工作臺沿其所處圓周導(dǎo)軌做圓周運動所需的向心力大小。例如，參見附圖4，當(dāng)磁懸浮工作臺在A型圓周導(dǎo)軌中運行時，磁懸浮工作臺中左側(cè)導(dǎo)向電磁鐵20所產(chǎn)生的電磁力F₂₀需大于右側(cè)導(dǎo)向電磁鐵13所產(chǎn)生的電磁力F₁₃，且兩者的合力大小等于向心力大小，即：

式中：m為所有磁懸浮工作臺、動子、連接塊以及柔性傳送帶的總質(zhì)量；n為磁懸浮工作臺的個數(shù)；v為磁懸浮工作臺做圓周運動的線速度；r₁為圓周形導(dǎo)軌中心線處的半徑。

當(dāng)磁懸浮工作臺在B型圓周導(dǎo)軌中運行時，磁懸浮工作臺中左側(cè)導(dǎo)向電磁鐵20所產(chǎn)生的電磁力F₂₀需小于右側(cè)導(dǎo)向電磁鐵13所產(chǎn)生的電磁力F₁₃，且兩者的合力大小等于向心力大小，即：

式中：m為所有磁懸浮工作臺、動子、連接塊以及柔性傳送帶的總質(zhì)量；n為磁懸浮工作臺的個數(shù)；v為磁懸浮工作臺做圓周運動的線速度；r₂為圓周形導(dǎo)軌中心線處的半徑。

同理，若要求柔性傳送帶沿順時針方向傳送，則安裝在直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上定子中的繞組按照左側(cè)SD→SC→SB→SA→SD時序通電，右側(cè)ND→NC→NB→NA→ND時序通電。改變各定子繞組中的勵磁電流幅值，即可控制柔性傳送帶沿支承導(dǎo)軌的傳送速率。

工作結(jié)束后，位于直線支承導(dǎo)軌兩側(cè)支架上的定子繞組首先停止通電，待柔性傳送帶傳送速度將為零后，逐漸減小所有磁懸浮工作臺中的支承電磁鐵和導(dǎo)向電磁鐵中線圈電流的大小，直至柔性傳送帶與支架上表面相接觸。由于當(dāng)磁懸浮工作臺穩(wěn)定懸浮時柔性傳送帶與支架之間的間隙值Δ₁小于支承電磁鐵與支承導(dǎo)軌之間的間隙值Δ₂，所以，當(dāng)柔性傳送帶與支架上表面相接觸時，磁懸浮工作臺中的上支承電磁鐵不會與支承導(dǎo)軌的上表面相接觸。