專利名稱：六自由度磁懸浮微動平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機領域，具體涉及一種六自由度磁懸浮微動平臺。
背景技術：
現(xiàn)代精密、超精密加工裝備對高響應、高速度、高精度的多自由度工作臺有著迫切的需求，如機械加工、電子產(chǎn)品生產(chǎn)、機械裝卸、制造自動化儀表設備甚至機器人驅(qū)動等。通常這些裝置由旋轉(zhuǎn)式電動機產(chǎn)生動力驅(qū)動，再由皮帶、滾珠絲桿等機械裝置，轉(zhuǎn)換為直線運動。由于機械裝置復雜，傳動精度和速度都受到限制，且需經(jīng)常調(diào)校，造成成本高、可靠性差、體積較大。最初的多自由度工作臺是由兩臺直接驅(qū)動的直線電機來實現(xiàn)的，采用層疊式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了傳動系統(tǒng)的復雜性，從本質(zhì)上沒有擺脫低維運動機構(gòu)疊加形成高維運動機構(gòu)的模式。對于底層的直線電機，要承載上層直線電機及其相關機械部件的總質(zhì)量，從而嚴重影響了定位和控制精確度。而直接利用電磁能產(chǎn)生平面運動的多自由度平面電機，具有出力密度高、低熱耗、高速度、高精度和高可靠性的特點，因省去了從旋轉(zhuǎn)運動到直線運動再到平面運動的中間轉(zhuǎn)換裝置，可把控制對象同電機做成一體化結(jié)構(gòu)，具有反應快、靈敏度高、隨動性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 圖9所示為六自由度磁懸浮微動平臺的一種構(gòu)成方式，圖10是所述微動平臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。該六自由度磁懸浮微動平臺由八邊形平板、固定基板、四組水平非接觸電磁驅(qū)動機構(gòu)與四組磁懸浮垂直支撐機構(gòu)構(gòu)成。水平非接觸電磁驅(qū)動機構(gòu)與磁懸浮垂直支撐機構(gòu)均采用音圈電機結(jié)構(gòu)，音圈電機的初級固定，次級運動。八邊形平板的其中呈90。對稱分布的四條邊與水平非接觸電磁驅(qū)動機構(gòu)的動子相連；八邊形平板的呈90。對稱分布的另外四條邊與磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的動子相連。水平非接觸電磁驅(qū)動機構(gòu)的定子以及磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的定子固定在固定基板上。通過控制水平配置音圈電機初級繞組電流的大小與方向，可控制作用在動子上X方向、Y方向電磁力的大小與方向以及繞Z軸偏轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩的大小與方向；同時，通過控制垂直配置音圈電機初級繞組電流的大小與方向，即可控制作用在動子上Z方向電磁力的大小與方向以及繞X軸、繞Y軸偏轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩的大小與方向，從而實現(xiàn)微動平臺的6自由度運動控制。 但是，該六自由度磁懸浮微動平臺存在如下問題垂直配置音圈電機需要始終通電，以產(chǎn)生垂直方向的電磁力、抵消平臺動子的自重。因此，線圈的發(fā)熱量高、損耗大。同時，音圈電機的結(jié)構(gòu)相對復雜、推力密度低，平臺的剛度低、熱變形大，系統(tǒng)的動態(tài)特性差、定位精度低。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有六自由度磁懸浮微動平臺存在的線圈的發(fā)熱量高、損耗大，同時，音圈電機的結(jié)構(gòu)相對復雜、推力密度低，平臺的剛度低、熱變形大，系統(tǒng)的動態(tài)特性差、定位精度低等問題，本發(fā)明提出一種六自由度磁懸浮微動平臺。 —種六自由度磁懸浮微動平臺，它包括平臺底座、支撐平臺4、 m個磁懸浮水平支撐機構(gòu)和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)，m個磁懸浮水平支撐機構(gòu)和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu) 相間分布分別固定在平臺底座頂面周邊、并組成對稱結(jié)構(gòu)的2m邊形，支撐平臺與每一個磁 懸浮水平支撐機構(gòu)的動子和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2的動子固定連接，所述磁懸浮垂直 支撐機構(gòu)與磁懸浮水平支撐機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的動子的運動方向 為垂直方向，所述磁懸浮水平支撐機構(gòu)的動子的運動方向為水平方向，m為自然數(shù)。
本發(fā)明通過控制水平非接觸電磁驅(qū)動機構(gòu)各個線圈電流的大小與方向，即可控制 作用在動子上X方向、Y方向電磁力的大小與方向以及繞Z軸旋轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩的大小與方向； 同時，通過控制磁懸浮垂直支撐機構(gòu)控制線圈中電流的大小與方向，即可控制作用在動子 上Z方向電磁力的大小與方向以及繞X軸、繞Y軸旋轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩的大小與方向，從而實現(xiàn)微 動平臺的6自由度運動控制。本發(fā)明六自由度磁懸浮微動平臺的損耗低、結(jié)構(gòu)簡單、控制容 易、定位精度高。
圖1是m為3時，本發(fā)明的六自由度磁懸浮微動平臺中的磁懸浮水平支撐機構(gòu)和 磁懸浮垂直支撐機構(gòu)分布情況示意圖。圖2是m為3時，本發(fā)明的六自由度磁懸浮微動平臺 中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3和4是具體實施方式
五所述的磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5、6是具體實施方式
六所述的磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是具體實施方式
二所述的磁懸浮水平支撐機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是具體實施方式
三所述的磁懸浮水平支 撐機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9、10是現(xiàn)有一種六自由度磁懸浮微動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 本實施方式所述的六自由度磁懸浮微動平臺，它包括平臺底座、 支撐平臺4、m個磁懸浮水平支撐機構(gòu)1和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2，m個磁懸浮水平支撐 機構(gòu)1和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2相間分布分別固定在平臺底座頂面周邊、并組成對稱 結(jié)構(gòu)的2m邊形，支撐平臺4與每一個磁懸浮水平支撐機構(gòu)1的動子11和m個磁懸浮垂直 支撐機構(gòu)2的動子21固定連接，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2與磁懸浮水平支撐機構(gòu)1的結(jié) 構(gòu)相同，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2的動子21的運動方向為垂直方向，所述磁懸浮水平支 撐機構(gòu)1的動子11的運動方向為水平方向。 本實施方式中的m取值為3時，參見圖1所示，3個磁懸浮水平支撐機構(gòu)1和3個 磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2組成一個對稱結(jié)構(gòu)的六邊形，此時本實施方式的六自由度磁懸浮微 動平臺的結(jié)構(gòu)參見圖2所示，支撐平臺4也為對稱結(jié)構(gòu)的六邊形，所述支撐平臺4的每條邊 通過固定件5與每一個磁懸浮水平支撐機構(gòu)1和3個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2的動子固定連 接。 本實施方式中的m取值為4時，4個磁懸浮水平支撐機構(gòu)1和4個磁懸浮垂直支撐 機構(gòu)2組成一個對稱結(jié)構(gòu)的八邊形，以此類推。
具體實施方式
二 參見圖7說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所述 的六自由度磁懸浮微動平臺的區(qū)別在于，所述磁懸浮水平支撐機構(gòu)1由定子和動子11構(gòu) 成，定子包括左軛板101、左軛板永磁體組103、左控制線圈組102、兩個支撐邊12、右軛板 111、右軛板永磁體組113、右控制線圈組112，左軛板101和右軛板111相互平行布置，左軛板101和右軛板111與兩個支撐邊12組成矩形框，左軛板永磁體組103固定在左軛板101 的右表面，右軛板永磁體組113固定在右軛板111的左表面，所述左軛板永磁體組103和右 軛板永磁體組113分別包括兩塊永磁體，每塊個永磁體的外側(cè)纏繞有水平方向的線圈，纏 繞在左軛板永磁體組103中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成左控制線圈組102，纏繞在 右軛板永磁體組113中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成右控制線圈組112，動子11由兩 塊永磁體和一塊連結(jié)板組成，所述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子11位于左軛板永磁體 組103和右軛板永磁體組113之間，并且所述左軛板永磁體組103、右軛板永磁體組113和 動子中的兩個永磁體位于同一平面內(nèi)。
具體實施方式
三參見圖8說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所述 的六自由度磁懸浮微動平臺的區(qū)別在于，所述磁懸浮水平支撐機構(gòu)1由定子和動子11構(gòu) 成，定子包括左軛板101、左軛板永磁體組103、左控制線圈組102、兩個支撐邊12、右軛板 111、右軛板永磁體組113、右控制線圈組112，左軛板101和右軛板111相互平行布置，左軛 板101和右軛板111與兩個支撐邊12組成矩形框，左軛板永磁體組103固定在左軛板101 的右表面，右軛板永磁體組113固定在右軛板111的左表面，所述左軛板永磁體組103和右 軛板永磁體組113分別包括兩塊永磁體，左控制線圈組102纏繞在左軛板101上，并且位于 左軛板永磁體組103中的兩個永磁體之間，右控制線圈組112纏繞在右軛板111上，并且位 于右軛板永磁體組113中的兩個永磁體之間，動子11由兩塊永磁體和一塊連結(jié)板組成，所 述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子11位于左軛板永磁體組103和右軛板永磁體組113之 間，并且所述左軛板永磁體組103、右軛板永磁體組113和動子中的兩個永磁體位于同一平 面內(nèi)。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
二或三所述的六自由度磁懸浮微動 平臺的區(qū)別在于，左軛板永磁體組103中的兩塊永磁體的充磁方向相反，右軛板永磁體組 113中的兩塊永磁體的充磁方向相反，動子11的兩塊永磁體的充磁方向相反，并且水平相 鄰的左軛板永磁體組103中的永磁體與動子11中的永磁體的充磁方向相反，水平相鄰的右 軛板永磁體組113中的永磁體與動子11中的永磁體的充磁方向亦相反。
具體實施方式
五參見圖3、4說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所 述的六自由度磁懸浮微動平臺的區(qū)別在于，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2由定子和動子21構(gòu) 成，定子包括上軛板201、上軛板永磁體組203、上控制線圈組202、兩個支撐邊22、下軛板 211、下軛板永磁體組213 、下控制線圈組212 ，上軛板201和下軛板211相互平行布置，上軛 板201和下軛板211與兩個支撐邊22組成矩形框，上軛板永磁體組203固定在上軛板201 的下表面，下軛板永磁體組213固定在下軛板211的上表面，所述上軛板永磁體組203和下 軛板永磁體組213分別包括兩塊永磁體，每塊永磁體的外側(cè)纏繞有水平方向的線圈，纏繞 在上軛板永磁體組203中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成上控制線圈組202，纏繞在下 軛板永磁體組213中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成下控制線圈組212，動子11由兩塊 永磁體和一塊連結(jié)板組成，所述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子11位于上軛板永磁體組 203和下軛板永磁體組213之間，并且所述上軛板永磁體組203、下軛板永磁體組213和動 子中的兩個永磁體位于同一平面內(nèi)。
具體實施方式
六參見圖5、6說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所 述的六自由度磁懸浮微動平臺的區(qū)別在于，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)2由定子和動子21構(gòu)成，定子包括上軛板201、上軛板永磁體組203、上控制線圈組202、兩個支撐邊22、下軛板 211、下軛板永磁體組213 、下控制線圈組212 ，上軛板201和下軛板211相互平行布置，上軛 板201和下軛板211與兩個支撐邊22組成矩形框，上軛板永磁體組203固定在上軛板201 的右表面，下軛板永磁體組213固定在下軛板211的左表面，所述上軛板永磁體組203和下 軛板永磁體組213分別包括兩塊永磁體，上控制線圈組202纏繞在上軛板201上，并且位于 上軛板永磁體組203中的兩個永磁體之間，下控制線圈組212纏繞在下軛板211上，并且位 于下軛板永磁體組213中的兩個永磁體之間，動子21由兩塊永磁體和一塊連結(jié)板組成，所 述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子21位于上軛板永磁體組203和下軛板永磁體組213之 間，并且所述上軛板永磁體組203、下軛板永磁體組213和動子中的兩個永磁體位于同一平 面內(nèi)。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
五或六所述的六自由度磁懸浮微動
平臺的區(qū)別在于，上軛板永磁體組203中的兩塊永磁體的充磁方向相反，下軛板永磁體組
213中的兩塊永磁體的充磁方向相反，動子21的兩塊永磁體的充磁方向相反，并且垂直相
鄰的下軛板永磁體組213中的永磁體與動子21中的永磁體的充磁方向相反。 本實施方式中的垂直相鄰的上軛板永磁體組203中的永磁體與動子21中的永磁
體的充磁方向相同或者相反。
權利要求
六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于它包括平臺底座、支撐平臺4、m個磁懸浮水平支撐機構(gòu)(1)和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)，m個磁懸浮水平支撐機構(gòu)(1)和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)相間分布分別固定在平臺底座頂面周邊、并組成對稱結(jié)構(gòu)的2m邊形，支撐平臺(4)與每一個磁懸浮水平支撐機構(gòu)(1)的動子(11)和磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)的動子(21)固定連接，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)與磁懸浮水平支撐機構(gòu)(1)的結(jié)構(gòu)相同，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)的動子(21)的運動方向為垂直方向，所述磁懸浮水平支撐機構(gòu)(1)的動子(11)的運動方向為水平方向，m為自然數(shù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，m取值為3，3個磁懸 浮水平支撐機構(gòu)(1)和3個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)組成一個對稱結(jié)構(gòu)的六邊形。
3. 根據(jù)權利要求l所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，m取值為4時，4個 磁懸浮水平支撐機構(gòu)(1)和4個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)(2)組成一個對稱結(jié)構(gòu)的八邊形。
4. 根據(jù)權利要求1所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，所述磁懸浮水平支 撐機構(gòu)(1)由定子和動子(11)構(gòu)成，定子包括左軛板(101)、左軛板永磁體組(103)、左控 制線圈組(102)、兩個支撐邊(12)、右軛板(111)、右軛板永磁體組(113)、右控制線圈組 (112)，左軛板(101)和右軛板(111)相互平行布置，左軛板(101)和右軛板(111)與兩個 支撐邊(12)組成矩形框，左軛板永磁體組(103)固定在左軛板(101)的右表面，右軛板永 磁體組(113)固定在右軛板(111)的左表面，所述左軛板永磁體組(103)和右軛板永磁體 組(113)分別包括兩塊永磁體，每塊永磁體的外側(cè)纏繞有水平方向的線圈，纏繞在左軛板 永磁體組(103)中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成左控制線圈組(102)，纏繞在右軛板 永磁體組(113)中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成右控制線圈組(112)，動子(11)由兩 塊永磁體和一塊連結(jié)板組成，所述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子(11)位于左軛板永磁 體組(103)和右軛板永磁體組(113)之間，并且所述左軛板永磁體組(103)、右軛板永磁體 組(113)和動子中的兩個永磁體位于同一平面內(nèi)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，所述磁懸浮水平支 撐機構(gòu)(1)由定子和動子(11)構(gòu)成，定子包括左軛板(101)、左軛板永磁體組(103)、左控 制線圈組(102)、兩個支撐邊(12)、右軛板(111)、右軛板永磁體組(113)、右控制線圈組 (112)，左軛板(101)和右軛板(111)相互平行布置，左軛板(101)和右軛板(111)與兩個 支撐邊(12)組成矩形框，左軛板永磁體組(103)固定在左軛板(101)的右表面，右軛板永 磁體組(113)固定在右軛板(111)的左表面，所述左軛板永磁體組(103)和右軛板永磁體 組(113)分別包括兩塊永磁體，左控制線圈組(102)纏繞在左軛板(101)上，并且位于左軛 板永磁體組(103)中的兩個永磁體之間，右控制線圈組(112)纏繞在右軛板(111)上，并且 位于右軛板永磁體組(113)中的兩個永磁體之間，動子(11)由兩塊永磁體和一塊連結(jié)板組 成，所述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子(11)位于左軛板永磁體組(103)和右軛板永磁 體組(113)之間，并且所述左軛板永磁體組(103)、右軛板永磁體組(113)和動子中的兩個 永磁體位于同一平面內(nèi)。
6. 根據(jù)權利要求4或5所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，左軛板永磁體組 (103)中的兩塊永磁體的充磁方向相反，右軛板永磁體組(113)中的兩塊永磁體的充磁方 向相反，動子(11)的兩塊永磁體的充磁方向相反，并且水平相鄰的左軛板永磁體組(103) 中的永磁體與動子(11)中的永磁體的充磁方向相反，水平相鄰的右軛板永磁體組(113)中的永磁體與動子(11)中的永磁體的充磁方向亦相反。
7. 根據(jù)權利要求1所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，所述磁懸浮垂直支 撐機構(gòu)(2)由定子和動子(21)構(gòu)成，定子包括上軛板(201)、上軛板永磁體組(203)、上控 制線圈組(202)、兩個支撐邊(22)、下軛板(211)、下軛板永磁體組(213)、下控制線圈組 (212)，上軛板(201)和下軛板(211)相互平行布置，上軛板(201)和下軛板(211)與兩個 支撐邊(22)組成矩形框，上軛板永磁體組(203)固定在上軛板(201)的下表面，下軛板永 磁體組(213)固定在下軛板(211)的上表面，所述上軛板永磁體組(203)和下軛板永磁體 組(213)分別包括兩塊永磁體，每塊永磁體的外側(cè)纏繞有水平方向的線圈，纏繞在上軛板 永磁體組(203)中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成上控制線圈組(202)，纏繞在下軛板 永磁體組(213)中的兩個永磁體外側(cè)的兩個線圈組成下控制線圈組(212)，動子(11)由兩 塊永磁體和一塊連結(jié)板組成，所述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子(11)位于上軛板永磁 體組(203)和下軛板永磁體組(213)之間，并且所述上軛板永磁體組(203)、下軛板永磁體 組(213)和動子中的兩個永磁體位于同一平面內(nèi)。
8. 根據(jù)權利要求1所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，所述磁懸浮垂直支 撐機構(gòu)(2)由定子和動子(21)構(gòu)成，定子包括上軛板(201)、上軛板永磁體組(203)、上控 制線圈組(202)、兩個支撐邊(22)、下軛板(211)、下軛板永磁體組(213)、下控制線圈組 (212)，上軛板(201)和下軛板(211)相互平行布置，上軛板(201)和下軛板(211)與兩個 支撐邊(22)組成矩形框，上軛板永磁體組(203)固定在上軛板(201)的右表面，下軛板永 磁體組(213)固定在下軛板(211)的左表面，所述上軛板永磁體組(203)和下軛板永磁體 組(213)分別包括兩塊永磁體，上控制線圈組(202)纏繞在上軛板(201)上，并且位于上軛 板永磁體組(203)中的兩個永磁體之間，下控制線圈組(212)纏繞在下軛板(211)上，并且 位于下軛板永磁體組(213)中的兩個永磁體之間，動子(21)由兩塊永磁體和一塊連結(jié)板組 成，所述連結(jié)板位于兩塊永磁體之間，動子(21)位于上軛板永磁體組(203)和下軛板永磁 體組(213)之間，并且所述上軛板永磁體組(203)、下軛板永磁體組(213)和動子中的兩個 永磁體位于同一平面內(nèi)。
9. 根據(jù)權利要求7或8所述的六自由度磁懸浮微動平臺，其特征在于，上軛板永磁體組 (203)中的兩塊永磁體的充磁方向相反，下軛板永磁體組(213)中的兩塊永磁體的充磁方 向相反，動子(21)的兩塊永磁體的充磁方向相反，并且垂直相鄰的下軛板永磁體組(213) 中的永磁體與動子(21)中的永磁體的充磁方向相反。
全文摘要
六自由度磁懸浮微動平臺，屬于電機領域，它解決了現(xiàn)有六自由度磁懸浮微動平臺存在的線圈的發(fā)熱量高、損耗大，同時，音圈電機的結(jié)構(gòu)相對復雜、推力密度低，平臺的剛度低、熱變形大，系統(tǒng)的動態(tài)特性差、定位精度低的問題。所述微動平臺中的m個磁懸浮水平支撐機構(gòu)和m個磁懸浮垂直支撐機構(gòu)相間分布分別固定在平臺底座頂面周邊、并組成對稱結(jié)構(gòu)的2m邊形，支撐平臺4與每一個磁懸浮水平支撐機構(gòu)的動子和磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的動子固定連接，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)與磁懸浮水平支撐機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，所述磁懸浮垂直支撐機構(gòu)的動子的運動方向為垂直方向，所述磁懸浮水平支撐機構(gòu)的動子的運動方向為水平方向，m為自然數(shù)。
文檔編號H02N15/00GK101741290SQ200910217418
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年12月24日
發(fā)明者劉奉海, 吳紅星, 寇寶泉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學