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      一種雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)的制作方法

      文檔序號:7335709閱讀:168來源:國知局
      專利名稱:一種雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種平面電機(jī),應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床及光刻機(jī)等先進(jìn)制造裝備。
      背景技術(shù)
      平面電機(jī)可實現(xiàn)二維平面運(yùn)動與定位,工業(yè)需求廣泛。在現(xiàn)代精密、超精密制造業(yè)如機(jī)械制造、微電子技術(shù)、儀器儀表等行業(yè),也都需要用到高響應(yīng)、高速度、高精度的二維平面運(yùn)動裝置(見付春楠[D].基于壓電驅(qū)動的摩擦式微位移工作臺的研究,大連理工大學(xué), 2010 9)。傳統(tǒng)的二維平面運(yùn)動裝置,是通過兩個可實現(xiàn)一維運(yùn)動的獨立機(jī)構(gòu)在空間上呈正交疊加布置,來實現(xiàn)二維運(yùn)動,這種用低維運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加形成高維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實施方式,對于底層的直線電機(jī),要承載上層直線電機(jī)及其相關(guān)機(jī)械部件的總質(zhì)量,會產(chǎn)生兩層機(jī)構(gòu)之間平行度、平面度、間隙等諸多影響最終定位精度與穩(wěn)定性的誤差因素,使得機(jī)構(gòu)的傳動精度、運(yùn)動精度、響應(yīng)速度等受到限制(見馬春燕[J],開關(guān)磁阻平面電機(jī)運(yùn)動機(jī)理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計,電機(jī)與控制學(xué)報,2008,1(12) :1)。因此,引發(fā)了對直驅(qū)式平面電機(jī)的研究?,F(xiàn)有的直驅(qū)式平面電機(jī),如開關(guān)磁阻平面電機(jī),其定子由硅鋼片疊裝而成,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。硅鋼片的疊加厚度與齒寬相同,在X和Y方向上形成多條相同的磁路通道,定子的疊片形狀及形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。動子采用寬齒結(jié)構(gòu),鐵心上安裝有勵磁繞組(見李更新, Maxwell 3D在開關(guān)磁阻平面電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J],微特電機(jī),2009,3 :2)。這樣使得結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,且由于電磁干擾等因素存在,增大了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明提供了一種雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)裝置,由雙軸共面解耦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同一平面上雙軸驅(qū)動的二維運(yùn)動,簡化了結(jié)構(gòu),增大了系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明提供的雙軸共面解耦結(jié)構(gòu)的特點是先使工作臺與基座分離,避免機(jī)械接觸,再利用磁交互作用力作為驅(qū)動力。兩軸驅(qū)動線圈呈共面布置,兩軸動子永磁體也呈共面布置。當(dāng)工作臺沿任一方向運(yùn)動時,由于工作臺和基座非機(jī)械接觸,所以其另一方向上的驅(qū)動線圈和運(yùn)動永磁體之間沒有阻力存在,仍可由工作臺帶動作相對滑移。這樣就實現(xiàn)了兩個正交方向運(yùn)動的解耦。本結(jié)構(gòu)的實施裝置實現(xiàn)XY方向運(yùn)動部件共面布置,無需疊加即可實現(xiàn)二維平面運(yùn)動,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)可靠性和定位精度,減輕了裝置重量,整體結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。


      圖1雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)整體平面結(jié)構(gòu)圖;圖2雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)各部件高度關(guān)系圖;圖3工作臺平面結(jié)構(gòu)圖;圖4工作臺平面結(jié)構(gòu)圖高度位置圖5工作臺平面位置波動控制流程圖;圖6工作臺與基座相對懸浮間隙控制流程圖;圖7雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——初始平衡位置;圖8雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——X軸正極限狀態(tài);圖9雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——X軸負(fù)極限狀態(tài);圖10雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——Y軸正極限狀態(tài);圖11雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——Y軸負(fù)極限狀態(tài);圖12雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——X、Y軸皆正極限狀態(tài);圖13雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)位置示意圖——X、Y軸皆負(fù)極限狀態(tài)。圖14為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)圖。
      具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖14為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)圖,圖1為本發(fā)明的雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)整體平面結(jié)構(gòu)圖,本發(fā)明的具有雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)裝置具體由兩大部分構(gòu)成,即工作臺和基座體。所述的工作臺由工作平臺7和平臺上相垂直擺放的永磁體1和5組成,所述的基座體包含有基座10和設(shè)在其上的驅(qū)動線圈2和4、氣懸浮體6、傳感器8、靜態(tài)支撐9、線圈定位器3等組成。驅(qū)動線圈2和4在基座上相垂直擺放,采用線圈定位器3固定,其中驅(qū)動線圈 2與永磁體1垂直,驅(qū)動線圈4與永磁體2垂直。工作平臺7與基座10面積相等,呈正方形設(shè)計,邊長為A。傳感器8包括位置傳感器和間隙傳感器??刂破鬏敵鲵?qū)動信號至功率放大器,再輸出至驅(qū)動線圈2和4,驅(qū)動線圈獲得電流,產(chǎn)生交變磁場,與永磁體1和5的磁力相互作用,驅(qū)動工作臺7移動。下面以實例形式簡單介紹該裝置的具體實現(xiàn)當(dāng)一個軸向(例如X向)的驅(qū)動線圈4驅(qū)動對應(yīng)的永磁體5運(yùn)動時,帶動工作臺7沿著此方向運(yùn)動,而另一個方向(Y向)的永磁體1作X向移動,其在Y向不產(chǎn)生交互磁作用力。同樣,當(dāng)Y向驅(qū)動線圈2通電時,驅(qū)動其對應(yīng)的永磁體1沿Y向移動,工作臺7發(fā)生沿Y向的移動,而X向的永磁體5則作Y向移動,其在X向不產(chǎn)生交互磁作用力。這樣,就實現(xiàn)了雙軸平面運(yùn)動的解耦,不會產(chǎn)生雙軸共面的情況下,一軸移動,通過工作臺7帶動另一軸移動而引發(fā)的干涉碰撞。突破了傳統(tǒng)的依靠低維運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加形成高維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的模式。圖2為雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī)各部件高度關(guān)系圖,為避免失電時,工作臺7與氣動懸浮體6發(fā)生碰撞,設(shè)置靜態(tài)支撐體9略高于氣動懸浮體6等零件,使得驅(qū)動線圈2和4 與永磁體1和5之間保留有安全間隙。本實例靜態(tài)支撐體9采用立柱固定于基座上,呈對角布置,其上表面與工作臺底面保持有Imm左右的間隙。圖3為工作臺平面結(jié)構(gòu)圖,圖4為工作臺高度位置圖;永磁體1和5呈正交布置, 固定于工作平臺7的背面,且需保證如下關(guān)系2*Li = 2*L5 = A,其中L1, L5為永磁體的長度,A為工作平臺的邊長。這樣可實現(xiàn)最優(yōu)行程,工作平臺7的運(yùn)動行程范圍才能最大化。如果工作臺受到外力干擾會產(chǎn)生位置波動圖5為工作臺平面位置波動控制流程圖,控制器發(fā)出驅(qū)動信號,經(jīng)過功率放大器放大,輸出至驅(qū)動線圈,產(chǎn)生交變磁場,使得工作臺移動;位置傳感器測得工作臺位置w,與兩者的預(yù)期相對位置值ν相比較,得偏移量P =w-v,將偏移量P與系統(tǒng)的分辨率值q相比較;如果P < q,則不動作;若P > q,則運(yùn)動控制卡發(fā)出調(diào)節(jié)脈沖,使得平臺向相反位置移動,以抵消干擾引起的位置偏差。圖6為工作臺與基座相對懸浮間隙控制流程圖,間隙傳感器測得工作臺的懸浮間隙,經(jīng)過信號放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入計算機(jī),經(jīng)計算,若此間隙過大或過小,則計算機(jī)給出偏差量,再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換,信號放大,驅(qū)動氣動懸浮體產(chǎn)生相應(yīng)支撐力,調(diào)整間隙。圖7 圖13為本發(fā)明的雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī),工作臺(永磁體表示)相對于基座的位置運(yùn)動極限示意圖。圖7為初始平衡位置圖。圖8為系統(tǒng)運(yùn)行到X軸正向極限的狀態(tài)圖,此時已經(jīng)到達(dá)驅(qū)動線圈4的X正向極限位置,再往右,驅(qū)動線圈4已無驅(qū)動磁場產(chǎn)生,永磁體5沒有驅(qū)動源。所以永磁體5及工作臺7不會越出此極限位置。因此,本發(fā)明無需象傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)那樣在軸端設(shè)置限位裝置來保證工作臺越位,在本發(fā)明中,驅(qū)動系統(tǒng)的自身原理即保證了系統(tǒng)的極限位置。這較大程度地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明不僅僅局限于上述具體的實施方式,本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實施例和附圖公開的內(nèi)容,可以采用其他多種具體實施方式
      實施本發(fā)明,因此,凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路,做一些簡單的變化或更改的設(shè)計,都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
      權(quán)利要求
      1.一種雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī),包括基座和位于其上方的工作平臺,所述基座上設(shè)有第一驅(qū)動線圈、第二驅(qū)動線圈、氣動懸浮體、間隙傳感器和位置傳感器,第一和第二驅(qū)動線圈在同一平面相垂直擺放;所述工作平臺上設(shè)有同一平面相垂直擺放的第一永磁體和第二永磁體,其中第一永磁體與第一驅(qū)動線圈相垂直,第二永磁體與第二驅(qū)動線圈相垂直,另有控制器分別連接兩驅(qū)動線圈、兩傳感器和氣動懸浮體。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面電機(jī),其特征在于,在所述基座上還設(shè)有在失電時保證工作臺與基座持有安全間隙的靜態(tài)支撐體。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面電機(jī),其特征在于,所述工作臺和基座為邊長相等的正方形,兩驅(qū)動線圈和兩永磁體的長度相等,所述正方形的邊長等于驅(qū)動線圈長度的兩倍。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面電機(jī),其特征在于,所述控制器與兩驅(qū)動線圈之間還接有功率放大器,控制器與氣動懸浮體之間接有AD轉(zhuǎn)換器、濾波器和放大器。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種雙軸解耦結(jié)構(gòu)的平面電機(jī),包括基座和位于其上方的工作平臺,所述基座上設(shè)有第一驅(qū)動線圈、第二驅(qū)動線圈、氣動懸浮體、間隙傳感器和位置傳感器,第一和第二驅(qū)動線圈在同一平面相垂直擺放;所述工作平臺上設(shè)有同一平面相垂直擺放的第一永磁體和第二永磁體,其中第一永磁體與第一驅(qū)動線圈相垂直,第二永磁體與第二驅(qū)動線圈相垂直,另有控制器分別連接兩驅(qū)動線圈、兩傳感器和氣動懸浮體。本發(fā)明雙軸共面解耦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同一平面上雙軸驅(qū)動的二維運(yùn)動,簡化了結(jié)構(gòu),增大了系統(tǒng)可靠性。
      文檔編號H02K41/00GK102270908SQ201110207249
      公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
      發(fā)明者康宜華 申請人:華中科技大學(xué)
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