专利名称：大范围移动磁浮平面工作台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁浮平面工作台，特别是一种大范围移动磁浮平面工作台，主要应用于制造设备与机器人领域。
背景技术：
XY工作台是一种用于实现制造设备及机器人中工件与刀具之间、基础件和末端件之间以及多个工件之间的平面相对运动的机电部件。传统的XY工作台由两套直线驱动单元垂直叠加而成，每套直线驱动单元由一台旋转电动机、一套直线运动转换机构和一套直线导轨组成，或者由一台直线电机和一套直线导轨组成。位于底层的直线驱动单元不仅承担末端承件台的驱动，而且还承载着顶层直线驱动单元的质量，于是造成了XY工作台在X方向和Y方向运动惯量的严重不均衡，从而影响了运动行程、响应速度、运动精度等性能指标的提高。在这种背景下，具有多个电磁力直接驱动特点的XY工作台则应运而生，它避开了传统XY工作台叠层驱动的思路，为XY工作台性能指标的进一步增强开辟了崭新的途径。
根据竖直、纵顷和横顷3个非运动自由度的约束方式和涉及的技术领域，可将直接驱动XY工作台划分为气浮XY工作台和磁浮XY工作台，它们分别采用气浮和磁浮方式实现对3个非运动自由度(偏摆、纵顷和横顷)的约束。相比于气浮方式，磁浮方式具有结构简单、基座表面无需精密加工、可实现非运动自由度的主动约束、易在真空环境中应用等优点。
目前，由于受到电磁结构形式及运行原理的限制，磁浮XY工作台的移动范围特别是相对移动范围偏小，譬如，Kim等提出的磁浮XY工作台中，移动台的边长为321mm×321mm，而沿X向和Y向的行程却只有50mm(见Kim 1997年完成的博士论文《High-precision planarmagnetic levitation》和发表于1998年第34卷第6期的论文《Modeling and vector controlof planar magnetic levitator》)，不到移动台边长的20％。如图1(a)所示，X相绕组CX1和CX2、Y相绕组CY1和CY2分置于平面的四个区域并与基台相连，中心线1-1’和2-2’为所述四个区域的分界线，图中MX1和MX2为X相直线永磁阵列，MY1和MY2为Y相直线永磁阵列。图1(b)和图1(c)表示了移动台运动到Y方向最上边和最下边时的情形，此时，永磁阵列Mx1和Mx2的下边界和上边界分别与中心线2-2’重合，于是，移动台在Y方向上的运动行程小于或等于永磁阵列边界之间的距离d≈50mm，同样X方向行程也受到上述原理的限制，移动范围也不到移动台边长的20％。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现大范围移动的磁浮XY工作台。
本发明的技术方案如下一种大范围移动磁浮平面工作台，包括基台和移动台，所述移动台由平台和设置于平台底部的移动电磁结构组成，其特征在于所述的基台由底座和设置于底座上面的平面永磁阵列组成；所述移动电磁结构由3个以上电枢单元组成，每个电枢单元包括电枢铁心、X相绕组和Y相绕组，所述X相绕组和Y相绕组在电枢单元底面的竖直方向上相互重叠，且所述X相绕组的任一有效边与所述Y相绕组的任一有效边之间相互垂直。
本发明所述的平面永磁阵列是由一系列永磁体按磁化方向交错排列而成，所述永磁体沿竖直方向被磁化。
本发明的技术特征还在于在所述电枢铁心的底面加工有相互垂直交错的X齿槽和Y齿槽，所述X相绕组和Y相绕组分别嵌入X齿槽和Y齿槽内，且所述X齿槽的深度和Y齿槽的深度不一致。
本发明所述的X相绕组和Y相绕组分别连接成三相绕组结构。
本发明所述的电枢单元产生具有平面分布磁极的电枢气隙磁场，所述电枢气隙磁场磁极的分布形式与所述平面永磁阵列的气隙磁场磁极的分布形式相同，且所述电枢气隙磁场的极距与所述平面永磁阵列的气隙磁场的极距相等。
本发明所述大范围移动磁浮平面工作台的优点是由于所述移动台的移动范围不受移动台尺寸的限制，使得移动台可以在平面尺寸远大于移动台平面尺寸的基台上移动，从而大大增加了移动台的相对行程(远大于1)，实现移动台的大范围平移。
图1是一种磁浮平面工作台(XY工作台)移动范围分析原理图。
图2是本发明所述磁浮平面工作台的三维视图。
图3是本发明所述磁浮平面工作台的侧面视图。
图4是本发明所述基台的一种结构。
图5本发明所述永磁阵列气隙磁感应强度竖直分量关于XY坐标的变化关系示意图。
图6是本发明所述电枢单元的三维视图。
图7是本发明所述电枢单元上X相绕组有效边和Y相绕组有效边的嵌装示意图。
图8是本发明所述电枢单元上X相绕组的三相绕组结构。
图9是本发明所述电枢单元上Y相绕组的三相绕组结构。
图10是本发明所述电枢单元受激励后产生的气隙磁感应度竖直分量关于XY坐标的变化关系示意图。
图11本发明所述电枢单元的受力情况。
图12本发明所述移动台的受力情况。
图中1-基台；2-移动台；3-底座；5-平面永磁阵列；6-永磁体；7-平台；8-移动电磁结构；9-电枢单元；10-X相绕组；11-Y相绕组；12-电枢铁心；13-X齿槽；14-Y齿槽14。
具体实施例方式
图2是本发明所述磁浮平面工作台的三维视图，由图可知本发明所述工作台由基台1和移动台2组成。其中，基台1由底座3和设置于底座3上的平面永磁阵列5组成，所述移动台2由平台7和置于平台7底面的移动电磁结构8组成，如图3所示，该图为本发明所述磁浮XY工作台的侧面视图。
所述的平面永磁阵列5是由一系列永磁体6按磁化方向交错排列在底座3上，图4给出了平面永磁阵列5的一种形式及其与底座3之间的安装关系，图中长方体的永磁体6沿竖直方向被磁化，产生N极和S极。若干永磁体6按一定规律排列，使得永磁体6的磁化方向交错排列。图4中标注在永磁体上表面的N和S表示该永磁体位于上部的磁极名称。平面永磁阵列5在基台1和移动台2之间的气隙中或接触面上产生气隙磁场。图5是图4所示平面永磁阵列的气隙磁感应强度竖直分量Bz关于XY坐标的变化关系示意图。图4中同一列中两相邻永磁体轴线间的距离τ为极距，它也是图5中永磁阵列的气隙磁感应强度两相邻峰值之间的距离。
所述移动电磁结构8由3个以上电枢单元9组成，图6是本发明所述电枢单元9的三维视图，图中每个电枢单元9由X相绕组10、Y相绕组11和电枢铁心12构成。图7是本发明所述电枢单元9上X相绕组有效边和Y相绕组有效边的嵌装示意图，可知电枢铁心12底部加工有相互垂直交错的X齿槽13和Y齿槽14。为实现绕组嵌装，所述X齿槽13的深度和Y齿槽14的深度不一致。所述X相绕组10和Y相绕组11在与电枢单元9底面垂直方向(Z方向)上相互重叠，并且所述X相绕组10的任一有效边与所述Y相绕组的任一有效边之间相互垂直，所述X相绕组10和Y相绕组11分别嵌入X齿槽13和Y齿槽14内。
X相绕组10和Y相绕组11分别具有三相绕组结构，如图8、图9所示。图中X相绕组10由XA相绕组、XB相绕组和XC相绕组组成，其中XA相绕组和XB相绕组之间在Y方向上错开τ/3，XB相绕组和XC相绕组在Y方向上也错开τ/3。Y相绕组由YA相绕组、YB相绕组和YC相绕组组成，它们之间的位置关系类似于X相绕组中的各相绕组。
当X相绕组10和Y相绕组11被激励后，电枢单元9在基台1和移动台2之间的气隙中产生电枢气隙磁场，所述电枢气隙磁场的磁感应强度Z方向分量变化情况如图10所示，其极距仍为τ，与平面永磁阵列的极距相等。但是，该电枢气隙磁场可相对于电枢单元9运动，图10中Vx和Vy分别为气隙磁场关于电枢单元9的相对速度沿X向和Y向的分量。在电枢单元9产生的电枢气隙磁场和平面永磁阵列5产生的气隙磁场的相互作用下，每个电枢单元9受到3个分力F′x、F′y和F′z的作用，分别沿物体坐标系ox′y′z′的x′轴、y′轴和z′轴，所述物体坐标系固连于移动台2上，如图11所示。
图12表示了移动台具有4个电枢单元驱动时的受力情况，4个电枢单元分别称为第一电枢单元、第二电枢单元、第三电枢单元和第四电枢单元，它们底面的中心分别为O1、O2、O3和O4。图中ABCD为移动台2的底面，abcd为ABCD在基台顶面上的投影。第i个(i＝1，2，3，4)电枢单元的3个方向分量F′xi、F′yi和F′zi作用于该电枢单元底面的中心O′i，于是在上述力分量的作用下，移动台实现沿x、y方向的运动和沿z方向的悬浮。
权利要求
1.一种大范围移动磁浮平面工作台，包括基台(1)和移动台(2)，所述移动台由平台(7)和设置于平台底部的移动电磁结构(8)组成，其特征在于所述的基台由底座(3)和设置于底座上面的平面永磁阵列(5)组成；所述移动电磁结构由3个以上电枢单元(9)组成，每个电枢单元包括电枢铁心(12)、X相绕组和Y相绕组，所述X相绕组和Y相绕组在电枢单元底面的竖直方向上相互重叠，且所述X相绕组的任一有效边与所述Y相绕组的任一有效边之间相互垂直。
2.按照权利要求1所述的大范围移动磁浮平面工作台，其特征在于所述的平面永磁阵列是由一系列永磁体(6)按磁化方向交错排列而成，所述永磁体沿竖直方向被磁化。
3.按照权利要求1或2所述的大范围移动磁浮平面工作台，其特征在于在所述电枢铁心(12)的底面加工有相互垂直交错的X齿槽(10)和Y齿槽(11)，所述X相绕组和Y相绕组分别嵌入X齿槽和Y齿槽内，且所述X齿槽的深度和Y齿槽的深度不一致。
4.按照权利要求1所述的大范围移动磁浮平面工作台，其特征在于所述的X相绕组和Y相绕组分别连接成三相绕组结构。
5.按照权利要求1所述的大范围移动磁浮平面工作台，其特征在于所述电枢单元产生具有平面分布磁极的电枢气隙磁场，所述电枢气隙磁场磁极的分布形式与所述平面永磁阵列的气隙磁场磁极的分布形式相同，且所述电枢气隙磁场的极距与所述平面永磁阵列的气隙磁场的极距相等。
全文摘要
大范围移动磁浮平面工作台，涉及一种磁浮平面工作台，特别是一种大范围移动磁浮平面工作台，主要应用于制造设备与机器人领域。该工作台包括基台和移动台，所述移动台由平台和设置于平台底部的移动电磁结构组成，在基台顶部设置有平面永磁阵列，移动电磁结构由3个以上电枢单元组成，每个电枢单元包括电枢铁心、X相绕组和Y相绕组，X相绕组和Y相绕组在电枢单元底面的竖直方向上相互重叠，且X相绕组的任一有效边与Y相绕组的任一有效边之间相互垂直。由于所述移动台的移动范围不受移动台尺寸的限制，使得移动台可以在平面尺寸远大于移动台平面尺寸的基台上移动，从而大大增加了移动台的相对行程，实现移动台的大范围平移。
文档编号B25H1/00GK101022040SQ20071006415
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者朱煜, 曹家勇, 张鸣, 尹文生, 汪劲松, 段广洪, 李广, 闵伟 申请人:清华大学