結構合理的自驅式磁懸浮曲直複合循環型傳送單元的製作方法
2023-07-19 13:20:56 1
技術領域
本發明涉及一種磁懸浮開關磁阻傳送單元。
背景技術：
傳送裝置是一種將動力裝置的動力傳遞各工作機構的中間裝置，在製藥、手機裝配、物流分揀、半導體晶片封裝等自動化傳送領域中均有應用，要求具有傳送平穩、定位精確、運行可靠等特點。但在現有的傳送系統中，主要採用鏈輪鏈條、皮帶、滾柱、鋼帶、渦輪蝸杆、滾珠絲槓、氣缸等作為傳送介質，並通過電動機和變速機構控制其傳送速率，這一方面使得電動機到運動部件之間存在軸承、聯軸器、齒輪等諸多中間環節，加大了定位機構的慣性質量，降低了響應速度；另一方面存在於運動部件與支承導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，並增大了驅動部件的功率損耗。而更突出的問題是：現有的傳送系統大多僅能實現直線傳送功能，難以實現沿形狀多樣化、由直線和曲線組成的封閉式曲直複合型導軌循環傳送的功能。因此，如何簡化傳送方式、減小導軌副之間摩擦，實現穩定、精確、可靠的曲直複合循環傳送功能，成為制約傳送系統進一步發展的重要因素。
磁懸浮直線傳送單元將磁懸浮支承技術和直線電動機相結合，在實現了驅動元件和運動部件之間「零傳動」的同時，消除了運動導軌與支承導軌之間的摩擦，符合曲直複合型循環傳送系統的發展要求。但從現有報導和相關文獻中可獲知，目前所研究的磁懸浮直線傳送單元僅能實現直線往復運動，無法實現曲直複合型循環運動，這是因為目前所研究的磁懸浮直線傳送單元中支承導軌的形式均為直線型，而能夠完成曲直複合型循環運動的導軌一般是要由直線型和圓周型導軌複合而成。因此，如何在現有磁懸浮直線傳送單元的基礎上，分別根據直線和圓周運動的運動特徵，研製出能夠在直線和圓周運動之間自由切換從而實現曲直複合型循環運動的磁懸浮傳送單元，對促進傳送系統高速、高精密化的發展具有重要意義。
本申請專利以實現磁懸浮技術周期循環進給運動為目標，將具有較強主動控制和信息處理能力，並能精確、可靠的實現在線檢測和自動補償功能的磁懸浮支承技術與具有啟動出力大、耐高溫、成本低等優點的直線開關磁阻電機相結合，研製出一種新型的能夠在直線和圓周進給運動之間自由切換從而實現周期循環運動的磁懸浮傳送單元，既符合現代傳送技術領域高精度、高速化發展要求，又拓展了磁懸浮支承和傳送技術的應用領域。
經檢索，國內外雖已有多數磁懸浮直線進給單元的相關專利申請，但大多是以直線電動機作為驅動元件，將直線電動機的動子與磁懸浮工作檯相連，在利用磁懸浮支承技術實現磁懸浮工作檯穩定懸浮後，由直線電動機的動子帶動磁懸浮工作檯沿直線導軌做進給運動，而未見有對於要求多個磁懸浮工作檯搭載一柔性傳送帶沿著由直線導軌和不同半徑的圓周導軌組成的封閉式支承導軌運行從而實現周期循環傳送的磁懸浮傳送單元的相關專利申請。
例如，專利201010017657.0、201110113611.3、200310107944.0、200820013968.8、200610161995、02132839.0等中的磁懸浮工作檯均只沿直線導軌做進給運動，未提及磁懸浮工作檯可沿著由直線導軌和不同半徑的圓周導軌組成的封閉式導軌運行。
專利201310021053.7、201210502591.3等雖提及若干個磁懸浮工作檯帶動柔性傳送帶沿跑道式導軌做進給運動，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軌由直線導軌和不同半徑的圓周導軌相互平滑連接構成，傳送導軌的形狀可隨圓周導軌的數量和半徑的變化而改變，而專利201310021053.7、201210502591.3等的傳送導軌形式固定，僅有直線導軌和半徑唯一的圓周導軌組成，不能適應傳送路徑複雜的應用場合。
2)專利201310021053.7、201210502591.3等由於考慮磁懸浮工作檯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狀而設計了直線和圓周兩大導向系統，即磁懸浮工作檯在直線導軌上運行時，啟用由矩形電磁鐵構成的直線導向系統，當磁懸浮工作檯在圓周導軌上運行時，啟用由弧形電磁鐵構成的圓周導向系統。而本申請專利中磁懸浮工作檯中僅有一套由矩形電磁鐵構成的直線導向系統，這是因為在本申請專利中，每個磁懸浮工作檯沿進給方向的厚度相對於各圓周導軌半徑的比值小於0.05，使得磁懸浮工作檯在每個圓周導軌上運行時，矩形導向電磁鐵與圓周導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軌是由多個不同半徑圓周導軌組成的，且相鄰圓周導軌間是相互外切的，若要針對每個圓周導軌都設計一套導向系統，既增加了磁懸浮工作檯的結構尺寸，又降低了控制系統的穩定性和可靠性。因此，本申請專利避免了專利201310021053.7、201210502591.3等兩套或多套導向系統切換時所引起的系統穩定性差、控制策略複雜等問題，並有效降低了磁懸浮工作檯的結構複雜性。
專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中提及依靠靜電磁鐵對動電磁鐵所產生的電磁吸力和電磁斥力的作用，實現動導軌沿跑道式導軌的無電機驅動和自動導向，但與本申請專利相比，存在以下差異：
1)專利201110381216.3、201210476597.8、201210476631.1中的磁懸浮工作檯中僅有支承電磁鐵，即磁懸浮工作檯僅具有實現垂直方向穩定懸浮的功能，不具有水平方向上的導向功能，當磁懸浮工作檯水平方向出現擾動力時，則難以保證系統的正常運行。
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，且該線圈在系統工作時始終處於通電發熱狀態，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，系統工作性能的穩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在圓周導軌上運行時的向心力採用何種控制方式調整位於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中的傳送導軌形式固定，僅有直線導軌和半徑唯一的圓周導軌組成，不能適應傳送路徑複雜的應用場合，而本申請專利中的傳送導軌由直線導軌和不同半徑的圓周導軌相互平滑連接構成，傳送導軌的形狀可隨圓周導軌的數量和半徑的變化而改變。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種結構合理，利用磁懸浮支承和驅動的能夠在直線和圓周進給運動之間自由切換從而實現周期循環運動的自驅式磁懸浮曲直複合循環型傳送單元。
本發明的技術解決方案是：
一種自驅式磁懸浮曲直複合循環型傳送單元，其特徵是：柔性傳送帶通過連接塊安裝在動子上，動子與磁懸浮工作檯5、相連，磁懸浮工作檯套裝在支承導軌外周，支承導軌安裝在支承塊上，支承導軌由直線段和圓弧段組成，多組對稱設置的支承電磁鐵和一組對稱設置的導向電磁鐵的分布在磁懸浮工作檯的內側，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向電磁鐵處，支承導軌兩側安裝支架，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檯穩定懸浮時動子的高度一致，每個定子上繞有線圈；磁懸浮工作檯穩定懸浮時柔性傳送帶與支架之間的間隙值Δ1小於支承電磁鐵與支承導軌之間的間隙值Δ2。
安裝在每個磁懸浮工作檯中的支承電磁鐵和導向電磁鐵均為矩形狀。
每個磁懸浮工作檯沿進給方向的厚度相對於各圓周導軌半徑的比值小於0.05。
支承導軌是由直線導軌和若干個不同半徑的圓周導軌組成封閉狀，且相鄰導軌中心線外切。
安裝在支承導軌兩側支架的形狀與支承導軌一致，且在支承導軌直線段兩側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檯穩定懸浮時動子的高度一致。
安裝在直線支承導軌兩側支架上的定子為雙邊n相，n≥4，動子為雙邊n-1相，每個動子對應一個磁懸浮工作檯；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於動子相數與定子相數之比。
柔性傳送帶的寬度不小於兩支架之間的安裝距離。
本發明結構合理，傳送精度高，可靠性強，實現了磁懸浮技術的周期循環運動，進一步拓展了磁懸浮支承技術的應用領域。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1為本發明一種自驅式磁懸浮曲直複合循環型傳送單元俯視圖；
圖2為圖1的A-A視圖；
圖3為直線進給運動工作原理示意圖；
圖4為不同圓周導軌組合示意圖；
圖5為導向電磁鐵在直線支承導軌運行時的懸浮氣隙形狀；
圖6為導向電磁鐵在圓周支承導軌運行時的懸浮氣隙形狀；
圖7為導向電磁鐵在大半徑圓周支承導軌中運行示意圖。
具體實施方式
一種自驅式磁懸浮曲直複合循環型傳送單元元，主要由支承部件和傳動部件組成，根據運動和實現磁懸浮的要求，柔性傳送帶3通過連接塊4、9安裝在動子7上，動子7與磁懸浮工作檯(磁懸浮工作檯由部件5、12、14、19、21組成的套狀結構)相連，磁懸浮工作檯套裝在支承導軌17外周，支承導軌17安裝在支承塊16上，支承導軌17由直線段和圓弧段組成，支承電磁鐵6、8、15、18和導向電磁鐵13、20對稱的分布在磁懸浮工作檯的內側，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向電磁鐵處，支承導軌兩側安裝支架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檯穩定懸浮時動子7的高度一致，每個定子上繞有線圈。為保證磁懸浮工作檯不工作時支承電磁鐵6、8、15、18與支承導軌17不發生幹涉，應使得磁懸浮工作檯穩定懸浮時柔性傳送帶3與支架1、11之間的間隙值Δ1小於支承電磁鐵6、8、15、18與支承導軌17之間的間隙值Δ2。
安裝在直線支承導軌兩側支架上的定子設計為雙邊四相結構(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，並沿Z軸方向相互之間距離均為ls。根據磁阻電機的基本原理可知，當定子為雙邊n相(n≥4)時，動子為雙邊n-1相，因此，該傳送單元的動子應包括3個雙邊動子相TA、TB、TC(即3個磁懸浮工作檯)，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ls與動子間距lm的比值等於動子相數與定子相數之比，即：
為保證磁懸浮工作檯在做直線進給運動所需行程範圍內，安裝在直線支承導軌兩側支架上的定子與動子之間的相數耦合關係始終保持不變(即定子為雙邊n相，動子為雙邊n-1相，n≥4)，在設計製造時，安裝在直線支承導軌兩側支架上的定子相數可取雙邊K1×n相(K1為正整數)，動子的相數可取雙邊K2×(n-1)相(K2為正整數)。
當磁懸浮工作檯處於圓周支承導軌中時，需進行圓周進給運動，此時磁懸浮工作檯中導向電磁鐵13、20與圓周支承導軌27間懸浮氣隙的形狀不再是其在直線支承導軌24中運行時的矩形狀25、26(如附圖5所示)，而是如附圖6所示的不規則狀28、29，但控制系統在設計時均是以電磁鐵與支承導軌間懸浮氣隙是規則的矩形所進行的，因此，磁懸浮工作檯在圓周支承導軌27中運行時，導向控制系統的控制精度會大大降低。
為解決這一問題，如附圖7所示，在設計該傳送單元時，使得磁懸浮工作檯中導向電磁鐵13、20沿進給方向的長度d與圓周導軌中心線處半徑r的比值均不超過0.05，此時導向電磁鐵13、20與各圓周支承導軌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向系統控制精度的影響。
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檯中的支承電磁鐵和導向電磁鐵通電，待垂直位移傳感器和水平位移傳感器檢測出磁懸浮工作檯沿垂直和水平方向均實現穩定懸浮後，根據傳送方向和傳送速度對安裝在直線支承導軌兩側支架上的各個定子中的線圈按一定規律通電。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軌兩側支架上定子中的繞組按照左側SB→SC→SD→SA→SB時序通電，右側NB→NC→ND→NA→NB時序通電，當SB、NB通電時，對TB產生電磁吸力，從而TB帶動TA和TC沿Z軸負方向做直線進給運動；當SC、NC通電時，對TC產生電磁吸力，從而TC帶動TA和TB沿Z軸負方向做直線進給運動；當SD、ND通電時，對TA產生電磁吸力，從而TA帶動TB和TC沿Z軸負方向做直線進給運動。如此循環，使得位於支承導軌直線段的磁懸浮工作檯按一定速度沿Z軸負方向做直線進給運動。
而對於位於支承導軌圓周段中的磁懸浮工作檯，則根據其所處圓周導軌的半徑和直線支承導軌中磁懸浮工作檯的直線進給速度大小，調整兩導向電磁鐵的電磁力，使得兩者的電磁力合力值為每個磁懸浮工作檯沿其所處圓周導軌做圓周運動所需的向心力大小。例如，參見附圖4，當磁懸浮工作檯在A型圓周導軌中運行時，磁懸浮工作檯中左側導向電磁鐵20所產生的電磁力F20需大於右側導向電磁鐵13所產生的電磁力F13，且兩者的合力大小等於向心力大小，即：
式中：m為所有磁懸浮工作檯、動子、連接塊以及柔性傳送帶的總質量；n為磁懸浮工作檯的個數；v為磁懸浮工作檯做圓周運動的線速度；r1為圓周形導軌中心線處的半徑。
當磁懸浮工作檯在B型圓周導軌中運行時，磁懸浮工作檯中左側導向電磁鐵20所產生的電磁力F20需小於右側導向電磁鐵13所產生的電磁力F13，且兩者的合力大小等於向心力大小，即：
式中：m為所有磁懸浮工作檯、動子、連接塊以及柔性傳送帶的總質量；n為磁懸浮工作檯的個數；v為磁懸浮工作檯做圓周運動的線速度；r2為圓周形導軌中心線處的半徑。
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軌兩側支架上定子中的繞組按照左側SD→SC→SB→SA→SD時序通電，右側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軌的傳送速率。
工作結束後，位於直線支承導軌兩側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後，逐漸減小所有磁懸浮工作檯中的支承電磁鐵和導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。由於當磁懸浮工作檯穩定懸浮時柔性傳送帶與支架之間的間隙值Δ1小於支承電磁鐵與支承導軌之間的間隙值Δ2，所以，當柔性傳送帶與支架上表面相接觸時，磁懸浮工作檯中的上支承電磁鐵不會與支承導軌的上表面相接觸。