一种电磁定位隔振平台的制作方法

文档序号:11763155阅读:287来源:国知局
一种电磁定位隔振平台的制作方法与工艺

本发明涉及一种服务于航天器机载敏感设备的电磁定位隔振平台。

技术背景

随着航空航天事业的不断深入开展,对于航天器机载敏感设备的定位精度和稳定度等技术指标有着越来越苛刻的要求,这些机载敏感设备包括空间望远镜、侦查相机、空间干涉仪以及空间实验室的生命科学实验装置、流体实验装置等。由于上述敏感设备在轨运行时会受到设备自身运行、航天器上其它设备运行及航天员活动等所引入的扰动的影响,使得航天器无法为敏感设备提供其所需的定位精度及微重力条件,因此研发一种服务于航天器机载敏感设备的电磁定位隔振平台是十分有意义的。中国专利201610977643.0号公开了一种服务于高微重力科学实验的隔振平台,包括定子、浮子、二轴电磁激励器以及位移传感器等。这种隔振平台的缺点在于:采用六个位移传感器对隔振平台的位置和姿态进行测量,需采用的测量元件较多,安装复杂;同时隔振平台仅安装了位移传感器,没有安装线加速度传感器,难于满足空间加速度测量及控制的需要,因此仅能对隔振平台进行定位控制,难于满足加速度隔振控制需要。



技术实现要素:

为了克服现有技术位置测量元件安装复杂,无法对微振动加速度进行有效测量与控制的不足,本发明提出了一种各元器件安装布置简单,可对微加速度进行测量控制的电磁定位隔振平台。

一种电磁定位隔振平台,具有基座,工作平台,作用力输出系统,加速度测量单元,位置测量单元和控制器;作用力输出系统由3套二轴电磁激励器构成,二轴电磁激励器通过洛伦兹力无接触连接工作平台与基座,二轴电磁激励器以工作平台的中心为圆心间隔120°沿同一圆周均匀阵列布置;加速度测量单元由6个线加速度传感器构成,每两个线加速度传感器正交安装于一个加速度传感器安装块上,加速度传感器安装块与工作平台固定,以工作平台的中心为圆心沿同一圆周均匀布置,且与二轴电磁激励器在圆周方向间隔布置;位置测量单元由三组二维psd传感器和对应的三组激光器组成,每组激光器同样通过上述加速度传感器安装块安装于工作平台,二维psd传感器与相对应的激光器对位,在同一圆周方向上等间隔分布,同样与二轴电磁激励器在圆周方向间隔布置;

其特征在于:二轴电磁激励器利用洛伦兹力实现工作平台与基座间的无接触连接和相互作用,由第一工作部和第二工作部组成,通电时第一工作部相对第二工作部运动;第一工作部由永磁体和磁轭组成,永磁体和磁轭形成闭合磁路,磁轭与工作平台固定;

第二工作部包括线路板和线圈支架,线圈支架与基座固定,线路板固定于线圈支架上,线路板上有线圈,线路板为pcb印刷电路板,线路板与控制器连接;线圈位于闭合磁路内,穿过线圈的所有磁力线同向,线圈包含x向洛伦兹力发生部和z向洛伦兹力发生部,x向洛伦兹力发生部与z向洛伦兹力发生部相互独立且正交;x向洛伦兹力发生部中的所有导线的电流流向相同,z向洛伦兹力发生部中的所有导线的电流流向相同;其中x向与工作平台的轴向垂直,同时与由坐标原点到力作用点所形成的矢径方向垂直,z向与工作平台的轴向平行。上述x向和z向指的是每个二轴电磁激励器自身坐标系的x轴向和z轴向。

所谓洛伦兹力发生部,是指在磁场中产生洛伦兹力的通电线圈部位。x向洛伦兹力发生部的导线沿z向排列,通电后产生x向作用力,z向洛伦兹力发生部的导线则沿x向排列,通电后产生z向作用力。x向洛伦兹力发生部与z向洛伦兹力发生部相互独立是指这两个洛伦兹力发生部的导线没有电连接关系,所产生的作用力彼此独立。

进一步,x向洛伦兹力发生部包含多个z向绕组层,z向洛伦兹力发生部包含多个x向绕组层,x向绕组层和z向绕组层间隔分布,各x向绕组层和z向绕组层间分别通过多层线路板上的过孔进行连接。

进一步,各层x向洛伦兹力发生部和z向洛伦兹力发生部分别由平行布置的导线组组成,导线组中的导线并联,导线组中每一根导线均属于同向绕组的一部分,当该绕组通入电流后,绕组中的所有导线的电流流向均相同。其次要产生相互垂直正交的x向安培力和z向安培力,x向安培力发生部和z向安培力发生部必然垂直正交布置。

或者,线圈包含各导线串联的x向绕制线圈和z向线圈,x向线圈中位于磁场中等距离分布的多匝导线段形成向洛伦兹力发生部,x向线圈中位于磁场外的导线段作为连接导线段;z向线圈中位于磁场中的等距离分布的多匝导线段形成向洛伦兹力发生部,z向线圈中位于磁场外的导线段作为连接导线段。要产生垂直正交x向的洛伦兹力和z向的洛伦兹力,x向洛伦兹力发生部与z向洛伦兹力发生部也必然垂直正交。

或者,线圈包含x向线圈组和z向线圈组,x向线圈组和z向线圈组由各自的第一子线圈和第二子线圈形成,第一子线圈和第二子线圈相邻且由一根导线绕制,第一子线圈逆时针从内向外绕线,第二子线圈顺时针从外向内绕线,第一子线圈和第二子线圈处于同一个平面,第一子线圈和第二子线圈分别绕制多匝,每匝分别由有效导线段和连接导线段组成,有效导线段在磁场内,连接导线段在磁场外,第一子线圈和第二子线圈中相邻且等间隔分布的有效导线段形成洛伦兹力发生部。

进一步,磁轭有且仅有一个缺口,两个磁钢相对安装于该缺口处。磁轭的形状可以是u形、c形等。当然,磁钢的安装方式不限于上述方案,首先在磁钢的数量上也可以采用单磁钢进行激励,其次不同于上述面极式串联安装方案,也可以采用隐极式串联安装方案,将磁钢串联在磁轭中。

进一步,工作平台和基座均为圆盘状结构,工作平台设置有用于安装敏感载荷的螺纹孔,螺纹孔有多个。敏感载荷通过螺纹孔与工作平台固连。基座设置有多个安装孔,螺栓穿过安装孔将基座与航天器固连。

三套二轴电磁激励器相互间隔120°在工作台面和基座间沿同一圆周均匀布置。每套二轴电磁激励器分别产生一个z轴向力和一个x轴向力,即第一套二轴电磁激励器产生f1z和f1x两个正交力,第二套二轴电磁激励器产生f2zf2x两个正交力,第三套二轴电磁激励器产生f3zf3x两个正交力。六个输出力共同作用在工作平台上,可产生沿工作平台坐标轴的作用力fx、fy、fz和绕其坐标轴的力矩mx、my、mz,从而实现对工作平台的六自由度完全控制。工作平台坐标系是以工作平台的中心为原点o,工作平台的轴向为z轴,工作平台的台面为xoy平面而建立的oxyz坐标系。

进一步,每个加速度传感器安装块具有两个正交的安装面和一个激光器安装孔,每个线加速度传感器固定在一个安装面上,一个线加速度传感器的敏感轴方向与z轴平行,另一个线加速度传感器的敏感轴布置在xoy平面内且方向与坐标系原点到测量点所形成矢径方向垂直,二维psd传感器的激光器固定在加速度传感器安装块的安装孔内,psd传感器通过psd传感器安装块固定于基座上,psd传感器的敏感面正对激光器。

经上述方式安装线加速度传感器后,只要采集上述六个伺服线加速度传感器的加速度值,其中在第1个加速度传感器安装块上采集a1xa1z两个轴向的加速度信号,在第2个加速度传感器安装块上采集a2xa2z两个轴向的加速度信号,在第3个加速度传感器安装块上采集a3xa3z两个轴向的加速度信号,便可以经算法解算得到工作平台在oxyz坐标系下沿各坐标轴的线加速度(axayaz)及角加速度

当激光器的光斑落在psd敏感面上,psd传感器便可以根据光斑在敏感面上的位置输出相对应的x向电压和z向电压,得到光斑在光敏面上的位置,其中x向和z向指的是每个安装块自身的坐标系下的x轴向和z轴向,其中z轴向与工作平台的z轴向平行,x轴向与工作平台的z轴向垂直,且与由工作平台坐标原点到敏感面中心所形成的矢径方向垂直。本发明将激光器通过加速度传感器安装块与线加速度传感器一起安装在工作平台上,psd传感器则对应通过psd传感器安装块安装在基座上,三组二维psd同样互成120°在同一圆周上均匀对称布置在各激励器之间。同样,根据三组psd传感器的输出值e1xe1ze2xe2ze3xe3z及传感器的安装距离便可以解算得到工作平台所在坐标系原点相对基座所在坐标系原点的位移()及转动角度()。

进一步,基座上设置限位单元,限位单元包括限位销和限位块,限位销固定于工作平台,限位块固定于基座,限位块上设有限位槽,限位销位于限位槽内并在限位槽内自由运动;限位单元有三个,限位单元以工作平台的中心为圆心阵列布置。限位单元同样互隔120°在同一圆周上均匀对称布置在工作平台和基座之间,其中限位销为圆柱状结构,限位销一端具有螺纹且通过该螺纹固定在工作平台侧壁的螺纹孔中;限位块为一长方体结构,限位块一端通过螺纹与基座固定连接,另一端开设有方形孔,该方形孔作为限位槽,限位销仅可以在方形孔中自由运动,从而对工作平台的相对运动范围进行限制。

本发明的技术构思是:在工作过程中,首先通过位置测量单元和加速度测量单元实时采集工作平台的运动信息,平台的运动信息通过ad转换后传递给控制器,接着控制器根据上位机的控制信息和采集到的平台运动信息经算法处理后得到进行定位或隔振操作各激励器所需输出的推力,并通过da将输出控制信号转换为模拟控制电压,最后通过功率放大器转换为激励线圈内部所通过的电流,从而对各激励器输出力进行控制,完成一次定位或隔振控制循环。

本发明的有益效果是:1、采用三组基于多层pcb制板工艺进行设计制造的二轴电磁激励器作为定位隔振平台的作动器,可实现对工作平台进行六自由度精确控制;二轴电磁激励器的各向洛伦兹力发生部中所有导线的电流流向相同,所处闭合磁路的磁感应强度方向也相同,因此x轴向洛伦兹力发生部和z轴向洛伦兹力发生部均能各自独立产生安培力,分别使线路板输出x轴向和z轴向的力,而不会发生力的干涉。

2、采用三组二维psd传感器实现对工作平台与基座的相对位置进行精确测量;采用六个线加速度传感器两两组合使用对工作平台的微小加速度进行精确测量。

3、上述二轴电磁激励器、线加速度传感器和二维psd传感器均采用空间对称布局方案,元器件的安装更为方便、精确,工作平台及安装元器件的质量分布更为均匀,有利于对测量信息和控制力输出的解耦,有利于实现工作平台相对基座的精确定位和工作平台自身微振动干扰的衰减。

附图说明

图1是电磁定位隔振平台示意图。

图2是隐藏工作平台的电磁定位隔振平台示意图。

图3是二轴电磁激励器示意图。

图3-1是实施例1分别产生x向和z向作用力的线圈单层绕制示意图。

图3-2-1是实施例2中产生z向作用力的线圈单层绕制示意图。

图3-2-2是实施例2中产生x向作用力的线圈单层绕制示意图。

图3-3是实施例3的线圈绕制示意图。

图4是线加速度传感器及激光器安装示意图。

图5是psd传感器安装示意图。

图6是二轴电磁激励器在工作平台上布局后的六个力输出方向示意图,其中a为空间布局的示意图,b为沿工作平台z轴负方向俯视的六个力示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1和2所示的一种电磁定位隔振平台,具有基座2,工作平台1,作用力输出系统,加速度测量单元,位置测量单元和控制器;作用力输出系统由3套二轴电磁激励器构成,二轴电磁激励器通过洛伦兹力无接触连接工作平台1与基座2,二轴电磁激励器以工作平台1的中心为圆心成120°沿同一圆周均匀阵列布置;加速度测量单元由6个线加速度传感器4-2构成,每两个线加速度传感器正交安装于一个加速度传感器安装块4-1上,加速度传感器安装块4-1与工作平台1固定,以工作平台1的中心为圆心沿同一圆周间隔120°均匀布置,且与二轴电磁激励器间隔布置;位置测量单元由3组二维psd传感器4-4和相应的三组激光器4-3构成,激光器4-3同样通过上述加速度传感器安装块4-1安装于工作平台1,psd传感器4-4的布置方向与相对应的激光器4-3对应,同样与二轴电磁激励器间隔布置。

二轴电磁激励器由第一工作部和第二工作部组成,通电时第一工作部相对第二工作部运动;第一工作部由永磁体3-2和磁轭3-1组成,永磁体3-2和磁轭3-1形成闭合磁路,磁轭3-1与工作平台1固定。如图3所示,二轴电磁激励器的第一工作部和第二工作部之间无接触,利用洛伦兹力实现工作平台1与基座2间的无接触连接和相互作用。

第二工作部包括线路板3-3和线圈支架3-4,线圈支架3-4与基座2固定,线路板3-3固定于线圈支架3-4上,线路板3-3上有线圈,线路板3-3为pcb印刷电路板,线路板3-3与控制器连接;线圈位于闭合磁路内,穿过线圈的所有磁力线同向,线圈包含x向洛伦兹力发生部和z向洛伦兹力发生部,x向洛伦兹力发生部与z向洛伦兹力发生部相互独立且正交;x向洛伦兹力发生部中的所有导线的电流流向相同,z向洛伦兹力发生部中的所有导线的电流流向相同,其中x向与工作平台的轴向垂直,同时于由坐标原点到力作用点所形成的矢径方向垂直,z向与工作平台1的轴向平行。

所谓洛伦兹力发生部,是指在磁场中产生洛伦兹力的通电线圈部位。如图3-1所示,在虚线所示的工作磁场中,x向洛伦兹力发生部的导线沿z向排列,通电后产生x向作用力fxz向洛伦兹力发生部的导线则沿x向排列,通电后产生向作用力fzx向洛伦兹力发生部与向洛伦兹力发生部相互独立是指这两个洛伦兹发生部的导线没有电连接关系,所产生的作用力彼此独立。

x向洛伦兹力发生部包含多个z向绕组层,z向洛伦兹力发生部包含多个x向绕组层,x向绕组层和z向绕组层间隔分布,各x向绕组层和z向绕组层间分别通过多层线路板上的过孔进行连接。

如图3-1所示,各层的x向洛伦兹力发生部121和z向洛伦兹力发生部111分别由平行布置的导线组组成,导线组中的导线并联,导线组中每一根导线均属于同向绕组的一部分,当该绕组通入电流后,绕组中的所有导线的电流流向均相同。其次要产生相互垂直正交的x向安培力和z向安培力,x向安培力发生部121和z向安培力发生部111必然垂直正交布置。

如图3所示,磁轭3-1有且仅有一个缺口,两个磁钢相对安装于该缺口处。磁轭3-1的形状可以是u形、c形等。当然,磁钢的安装方式不限于本实施例所述的方案,在磁钢的数量上也可以采用单磁钢进行激励,也可以采用两个磁钢分别安装于磁轭的两个侧臂上,还可以采用隐极式串联安装方案,将磁钢串联在磁轭中。

如图1所示,工作平台1和基座2均为圆盘状结构,工作平台1设置用于安装敏感载荷的螺纹孔1-1,螺纹孔有多个。敏感载荷通过螺纹孔与工作平台1固连。基座2设置有多个安装孔2-1,螺栓穿过安装孔将基座2与航天器固连。

如图6(a)所示,三套二轴电磁激励器相互间隔120°在工作台面和基座间沿同一圆周进行布置。工作平台坐标系是以工作平台1的中心为原点o,工作平台1的轴向为z轴,工作平台1的台面为平面而建立的坐标系。如图6(b)所示,每个二轴电磁激励器分别沿各自坐标轴产生一个z轴向力和一个x轴向力,第一套二轴电磁激励器产生f1z和f1x两个正交力,第二套二轴电磁激励器产生f2zf2x两个正交力,第三套二轴电磁激励器产生f3zf3x两个正交力,六个输出力共同作用在工作平台1上,可产生沿工作平台坐标系的作用力fx、fy、fz和绕其坐标轴的力矩mx、my、mz,从而实现对工作平台1的六自由度完全控制。

每个加速度传感器安装块4-1具有两个正交的安装面和一个激光器4-3安装孔,每个线加速度传感器4-2固定在一个安装面上,一个线加速度传感器4-2的敏感轴方向与z轴平行,另一个线加速度传感器4-2的敏感方向在垂直z轴的xoy平面内,且与由原点及测量点形成的矢径方向垂直,二维psd传感器的激光器4-3固定在加速度传感器安装块4-1的安装孔内,psd传感器通过psd传感器安装块4-5固定于基座2上。

经上述方式安装线加速度传感器4-2后,只要采集上述六个伺服线加速度传感器4-2的加速度值,其中在第一个加速度传感器安装块上采集a1xa1z两个轴向的加速度信号,在第2个加速度传感器安装块上采集a2xa2z两个轴向的加速度信号,在第3个加速度传感器安装块上采集a3xa3z两个轴向的加速度信号,便可以经算法解算得到工作平台1在oxyz坐标系下沿各坐标轴的线加速度(axayaz)及角加速度

当激光器4-3的光斑落在psd传感器4-4的敏感面上,psd传感器便可以根据光斑在敏感面上的位置输出相对应的x向电压和z向电压,得到光斑在光敏面上的位置,其中x向和z向指的是每个psd传感器自身坐标系上的x轴向和z轴向,其中z轴向与工作平台1的轴向平行。本发明将激光器4-3通过加速度传感器安装块4-1与线加速度传感器4-2一起安装在工作平台1上,psd传感器4-4对应通过psd传感器安装块4-5安装在基座上,三组二维psd同样互成120°在同一圆周上均匀对称布置在各激励器之间。同样,根据三组psd传感器的输出值e1xe1ze2xe2ze3xe3z及传感器的安装距离便可以解算得到工作平台1所在坐标系原点相对基座所在坐标系原点的位移()及转动角度()。

基座2上设置限位单元,限位单元包括限位销5-1和限位块5-2,限位销5-1固定于工作平台1,限位块5-2固定于基座2,限位块5-2上设有限位槽,限位销5-1位于限位槽内并仅在限位槽内自由运动;限位单元有三个,限位单元以工作平台1的中心为圆心均匀阵列布置。限位单元同样互隔120°在同一圆周上均匀对称布置在工作平台1和基座2之间,其中限位销5-1为圆柱状结构,限位销5-1一端具有螺纹且通过该螺纹固定在工作平台1侧壁的螺纹孔中;限位块5-2为一长方体结构,限位块5-2一端通过螺纹与基座2固定连接,另一端开设有方形孔,该方形孔作为限位槽,限位销仅可以在方形孔中自由运动,从而对工作平台1的相对运动范围进行限制。

本发明的技术构思是:在工作过程中,首先通过位置测量单元和加速度测量单元实时采集工作平台1的运动信息,平台的运动信息通过ad转换后传递给控制器,接着控制器根据上位机的控制信息和采集到的平台运动信息经算法处理后得到进行定位或隔振操作各激励器所需输出的推力,并通过da将输出控制信号转换为模拟控制电压,最后通过功率放大器转换为激励线圈内部所通过的电流,从而对各激励器输出力进行控制,完成一次定位或隔振控制循环。

本发明的有益效果是:采用三组基于多层pcb制板工艺进行设计制造的二维洛伦兹力激励器作为定位隔振平台的作动器,可实现对工作平台进行六自由度精确控制;采用三组二维psd传感器实现对工作平台与基座的相对位置进行精确测量;采用六个线加速度传感器组合使用对工作平台的微小加速度进行精确测量;上述三种关键元器件均采用空间对称布局方案,元器件的安装更为方便、精确,工作平台及安装元器件的质量分布更为均匀,有利于对测量信息和控制力输出的解耦,有利于实现工作平台相对基座的精确定位和工作平台自身的微振动干扰的衰减。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于:线圈的绕制方式不同。除了线圈以外的其余结构均与实施例1相同。

线圈的具体结构如下:如图3-2-1和3-2-2所示,线圈包含x向线圈组112和z向线圈组122,x向线圈组112和z向线圈组122由各自的第一子线圈和第二子线圈形成,第一子线圈和第二子线圈相邻且由一根导线绕制,第一子线圈逆时针从内向外绕线,第二子线圈顺时针从外向内绕线,第一子线圈和第二子线圈处于同一个平面,第一子线圈和第二子线圈分别绕制多匝,每匝分别由有效导线段和连接导线段组成。如图中所示的虚线框为工作磁场所在区域,位于该区域内为有效导线段,位于该区域外围连接导线段。第一子线圈和第二子线圈中相邻且等间隔分布的有效导线段形成洛伦兹力发生部。

这种方式绕制的线圈导线分布均匀,有效导线的数量多,产生的安培力大,对线路板表面的利用率高。

实施例3

本实施例与实施例1的区别之处在于:线圈的绕制方式不同。除了线圈以外的其余结构均与实施例1相同。

线圈的具体结构如下:如图3-3所示,线圈包含x向线圈123和z向线圈113,x向线圈123中位于虚线框所示工作磁场中等距离分布的多匝导线段形成z向洛伦兹力发生部,x向线圈123位于工作磁场外的导线段作为连接导线段;z向线圈113中位于磁场中的等距离分布的多匝导线段形成x向洛伦兹力发生部,z向线圈113位于磁场外的导线段作为连接导线段。要产生垂直正交的x向的洛伦兹力和z向的洛伦兹力,x向洛伦兹力发生部与z向洛伦兹力发生部也必然垂直正交。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

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