CN102490165A - 直驱圆弧运动平台结构 - Google Patents

Abstract

一种直驱圆弧运动平台结构，属于测量与自动化控制装置技术领域。包括基座，该基座的长度方向的顶部呈圆弧形；定子机构，固定在基座上，并且与基座的长度方向的一侧相对应；圆弧运动平台和动子机构，圆弧运动平台配设在基座上，动子机构固定在圆弧运动平台上并且与定子机构相配合；光栅尺，设置在定子机构上；光栅头，该光栅头固定在动子机构上，并且与光栅尺相配合。优点：能保障圆弧运动平台的运动精度和运动的平稳性，并且确保圆弧运动平台的横向运动的可靠性；整体结构简单而紧凑，有助于制造和装配；光栅头与光栅尺的配合可简化后续的控制算法，以满足精密检测、精密制造和自动化控制场合的使用要求。

Description

直驱圆弧运动平台结构

技术领域

本发明属于测量与自动化控制装置技术领域，具体涉及一种直驱圆弧运动平台结构，利用动子相对于圆弧形的定子作圆弧往复运动的直驱式电机带动与动子连接的运动平台作相应的运动，同时运动平台自身相对于直驱式电机作横向运动，使运动平台实现圆弧运动以及与圆弧运动方向相垂直的横向运动的复合运动。

背景技术

高速度高精度运动平台广泛应用于精密检测和自动化行业，而圆弧运动平台主要但并不限于为应用于某一围绕某点具有固定的圆弧半径运动的应用场合而设计的，例如，X射线源的射线强度需要一个面向射线源并且能够做固定的半径运动的运动平台；又如，在光源强度检测或在医疗仪器的光源自动定位场合，往往需要对某个点的不同角度进行照射，则同样可以采用前述运动形式的直驱圆弧平台进行自动定位；再如，对于激光焊接圆弧连接场合，将激光头设置于运动平台上，从而由运动平台的前述高精度的匀速运动而可实现对圆弧壁焊缝的高精度焊接，等等。

并不限于上述例举的场合所应用的运动平台具有共同的特点，即能够体现复合运动，更具体地讲，需要精密圆弧运动与平动相结合。为了实现这种形式的运动，已有技术普遍使用小齿轮与大圆弧齿轮相啮合、齿轮与直线齿条相啮合、齿轮或直线电机加机械联动解耦方式，以及通过二维笛卡尔坐标加一个旋转运动平台实现圆弧运动而达到目的。

前述的齿轮啮合的欠缺在于运动精度难以保证，因为运动精度取决于齿轮的加工精度和装配精度，然而齿轮在加工过程中公差客观上无法避免，并且在装配过程中间隙也同样无法消除，加上齿轮容易磨损，维护不便；齿轮或直线电机加机械联动解耦的方式同样存在运动精度无法保障的欠缺，并且结构复杂，成本高而有失廉价；而二维笛卡尔坐标加旋转运动平台结构不仅成本高、体积庞大，而且对于实现圆弧运动控制的算法复杂。

本申请人进行了文献检索，在已公开的中国专利文献中虽然披露有并不限于的以下专利申请和/或专利方案，例如CN85100989A（电子换向直线电机）、CN102064659A（圆柱式直线电机的制造方法及装置）、CN1703996A（圆弧运动直线电机驱动窗帘机）、CN201136510Y（直线电机径向转向用径向机构拉杆节点）和CN100521469C（直线电机），等等。然而，均未披露得以弥补前述欠缺的可借鉴的技术启示。为此，本申请人作了积极而有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种有助于提高动子相对于定子作圆弧运动精密程度、有利于确保运动平台的横向运动的可靠性、有益于体现整体结构简练并且紧凑以及有便于使后期的控制算法简便而藉以适应精密检测、精密制造和自动化控制场合的使用要求的直驱圆弧运动平台结构。

本发明的任务是这样来完成的，一种直驱圆弧运动平台结构，包括一基座，该基座的长度方向的顶部呈圆弧形；一定子机构，固定在所述基座上，并且与基座的长度方向的一侧相对应；一圆弧运动平台和一动子机构，圆弧运动平台滑动地配设在所述基座上，而动子机构固定在圆弧运动平台上并且与所述定子机构相配合；一光栅尺，设置在定子机构上；一光栅头，该光栅头固定在所述动子机构上，并且与所述光栅尺相配合。

在本发明的一个具体的实施例中，所述基座的上部并且朝向所述定子机构的一侧敷设有一圆弧导轨，该圆弧导轨沿着基座的长度方向延伸，所述的圆弧运动平台滑动地配设在圆弧导轨上，所述的动子机构以及与所述光栅尺相配合的所述光栅头固定在圆弧运动平台的底部。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的定子机构包括第一、第二定子底板、一组第一磁铁和一组第二磁铁，第一、第二定子底板彼此面对面固定在所述基座上并且均构成为圆弧形，第一、第二定子底板之间保持有间距，藉由该间距构成为动子滑动槽，一组第一磁铁以间隔状态沿着第一定子底板朝向第二定子底板的一侧的长度方向设置，一组第二磁铁同样以间隔状态沿着第二定子底板朝向第一定子底板的一侧的长度方向设置，所述的光栅尺固定在光栅尺轨上，而光栅尺轨固定在所述第二定子底板背对所述第一定子底板的一侧的上部，并且该光栅尺轨的形状呈圆弧形，所述的基座与所述的第二定子底板之间构成有用于供与所述圆弧导轨滑动配合的圆弧运动平台相配合的滑动槽，所述的动子机构与所述动子滑动槽相配合并且对应于所述第一、第二磁铁之间，所述的光栅头固定在光栅头座上，光栅头座固定在连接垫块上，而连接垫块固定在动子机构上。

在本发明的又一个具体的实施例中，在所述的基座上固定有一定子底板支承座，所述的第一、第二定子底板均固定在定子底板支承座上，并且第一、第二定子底板均为高导磁材料，高导磁材料为铁或稀土合金材料。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的一组第一磁铁和所述的一组第二磁铁的形状均为矩形体，其中：一组第一磁铁彼此以磁极相反的方式交替排列，一组第二磁铁同样彼此以磁极相反的方式交替排列，并且第一、第二磁铁彼此的磁极方向相反。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的动子机构包括线圈座和复数个线圈，线圈座固定在所述圆弧运动平台上，并且与所述的动子滑动槽相配合，线圈嵌置在线圈座内，所述连接块固定在线圈座上。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的圆弧运动平台包括导杆座、导轨滑块、电机、一对导杆、螺杆和横向移动平台，导杆座朝向所述基座的一侧并且在对应于所述滑动槽的位置延伸有一导轨滑块固定臂，该导轨滑块固定臂与滑动槽相配合，而导杆座的背对基座的一侧的一端构成有一第一折边，另一端构成一第二折边，导轨滑块固定在所述导轨滑块固定臂上，该导轨滑块的导轨滑块槽与所述的圆弧导轨相配合，电机以卧置状态固定在第一折边上，一对导杆彼此并行，并且各导杆的一端与第一折边固定，而另一端与第二折边固定，螺杆位于一对导杆之间，该螺杆的一端转动地支承在第一折边上并且与电机传动连接，而螺杆的另一端转动地支承在第二折边上，横向移动平台的底部两侧与一对导杆滑动配合，而中部通过配设的螺杆螺母与螺杆相配合，所述的动子机构与所述导轨滑块固定臂背对所述导轨滑块的一侧固定。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的光栅尺可调整地固定在所述光栅尺轨朝向所述基座的底部的一侧，所述光栅头与光栅尺之间的间隙是恒定的。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述的电机为具有正反转功能的伺服电机。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述基座的横截面形状呈L形，并且由铝合金或不锈钢制作。

本发明提供的技术方案由于将基座的长度方向的顶部设计成圆弧形，圆弧运动平台在由与定子机构相配合的动子机构的带动下在基座上作圆弧运动，因此能保障圆弧运动平台的运动精度和运动的平稳性，并且确保圆弧运动平台的横向运动的可靠性；整体结构简单而紧凑，有助于制造和装配；光栅头与光栅尺的配合可简化后续的控制算法，以满足精密检测、精密制造和自动化控制场合的使用要求。

附图说明

图1为本发明的实施例结构图。

图2为图1所示的定子机构的第一、第二磁铁的排布示意图。

图3为图1的剖视图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

敬请参见图1，给出了一优选使用铝合金或不锈钢材料制作的一基座1，由图所示，该基座1的横截面形状呈L形，并且基座1的长度方向的顶部构成为圆弧形，在基座1上还固定有一定子底板支承座13，优选地，在该定子底板支承座13的两端并且朝向外的一侧各用增强挡块131加固，也就是说由一对增强挡块131增进定子底板支承座13的稳定性，整个定子底板支承座13同样呈两端高而中间低的圆弧形。在基座1的上部并且朝向下面即将描述的定子机构2的一侧敷设有一圆弧导轨11，更具体地讲，该圆弧导轨11沿着基座1的上部的长度方向敷设，并且由圆弧导轨固定螺钉111与基座固定。

上面提及的定子机构2包括第一、第二定子底板21、22、一组第一磁铁23和一组第二磁铁24，第一、第二定子底板21、22优选使用高导磁材料制作，高导磁材料并不限于的如钢铁或稀土合金材料，该第一、第二定子底板21、22以彼此面对面的方式用定子底板固定螺钉7与前述的定子底板支承座13的两侧固定，并且第一、第二定子底板21、22均同样呈圆弧形，第一、第二定子底板21、22之间所保持的空间构成为动子滑动槽25。一组第一磁铁23以间隔状态设置在第一定子底板21面对第二定子底板22的一侧并且沿着第一定子底板21的长度方向设置，而一组第二磁铁24同样以间隔状态设置在第二定子底板22面对第一定子底板21的一侧并且沿着第二定子底板22的长度方向设置。第一、第二磁铁23、24的几何形状均呈矩形体（长方体），并且彼此的数量相等，以及位置相对应。一组第一磁铁23也可称为第一磁极列，而一组第二磁铁24也可称为第二磁极列。

敬请参见图2，该图清楚地揭示了一组第一磁铁23和一组第二磁铁24的极性排列形式，具体而言，一组第一磁铁23以磁极相反（或称磁性相反）的方式交替排列，同例，一组第二磁铁24彼此以磁极相反的方式交替排列，并且第一、第二磁铁23、24彼此的磁极相反。以一组第一磁铁23为例，左起（以图2所示的位置状态为例，以下同）首枚第一磁铁23朝向前述的第一定子底板21的一侧为S极，而N极则朝向第二磁铁24，接着即左起第二枚的第一磁铁23的N极朝向第一定子底板21，而S极则朝向第二磁铁24，依此类推而以S-N-S-N-S-N的循环交替排列；以一组第二磁铁24为例，左起首枚第二磁铁24朝向前述的第二定子底板22的一侧为N极，而S极则朝向第一磁铁23，接着即左起第二枚的第二在磁铁24的S极朝向第二定子底板22，而N级则朝向第一磁铁23，依此类推而以N-S-N-S-N-S循环交替排列。当然，上述第一、第二磁铁23、24的排列方式也可如下：以一组第一磁铁23为例，将左起首枚第一磁铁23的N极朝向第一定子底板21，而S极则朝向第二磁铁24，左起第二枚第一磁铁23的S极朝向第一定子底板21，而N极则朝向第二磁铁24，依此类推循环交替排列；以一组第二磁铁24为例，将左起首枚第二磁铁24的S极朝向第二定子底板22，而N极则朝向第一磁铁23，左起第二枚第二磁铁24的N极朝向第二定子底板22，而S极则朝向第一磁铁23的N极，依此类推循环排列。因此不论采用上述两种方式中的任意一种方式，都应属于本发明方案公开的范畴。第一、第二磁铁23、24优选以粘贴方式分别固定于第一、第二定子底板21、22上。

请见图3并且继续结合图1，给出了圆弧运动平台3和动子机构4，动子机构4包括线圈座41和复数个线圈42，线圈座41用线圈座固定螺钉411固定在圆弧运动平台3上，线圈42设在线圈座41内并且采用树脂或类似的材料灌填充。圆弧运动平台3包括导柱座31、导轨滑块32、电机33、一对导杆34、螺杆35和横向移动平台36，在导柱座31朝向前述的基座1的一侧即朝向下的一侧延伸有一导轨滑块固定臂311，该导轨滑块固定臂311朝向前述的动子机构4即朝向线圈座41的一侧固定有一过渡连接垫块3111，线圈座41固定在该过渡连接垫块3111上。导轨滑块32固定在导轨滑块固定臂311朝前述的圆弧导轨11的一侧，并且该导轨滑块32的导轨滑块槽321与圆弧导轨11滑动配合。由于在基座1与前述的第一定子底板21之间保持有滑动槽12，因此导轨滑块固定臂311的下部探入该滑动槽12内。由图1和图3所示，在导杆座31朝向上的一侧的一端构成有一第一折边312，而另一端构成有一与第一折边312相对应的第二折边313。第一电机33以卧置状态固定在第一折边312的外侧，该电机33为具有正反转功能的伺服电机。一对导杆34彼此并行，各导杆34的一端与第一折边312固定，而另一端与第二折边313固定。螺杆35对应于一对导杆34之间，该螺杆35的一端转动地支承在第一折边312上，并且与电机33传动连接，而螺杆35的另一端转动地支承在第二折边313上。横向移动平台36的底部的两侧与一对导杆34滑动配合，而底部的居中位置设有螺杆螺母，该螺杆螺母与螺杆35相配合。圆弧滑动平台3的电机33的工作电源以及前述的动子机构4的电源由一端固定在基座1上而另一端通过拖链固定板81固定于导柱座31上的导线拖链8提供。

请依然见图1和图3，给出的光栅尺5固定在光栅尺轨51朝向基座1的底部的一侧，而光栅尺轨51用光栅尺轨固定螺钉511与前述定子机构2的第二定子底板22朝向外的一侧（背对第一定子底板21的一侧）的上部固定，光栅尺轨51同样呈圆弧形。在设置（固定）光栅尺轨51时可以进行微调，以便使处于运动状态的光栅头6与光栅尺5之间的间隙保持恒定（不变）。对光栅尺轨51作微调的目的是补偿或称消除在制造过程中带来的误差。又，将光栅尺5固定于光栅尺轨51的下方可以避免和/或降低尘杂沾染，以保障测量精度。

光栅头6固定在光栅头座61上，而光栅头座61固定在连接垫块611上，连接垫块611固定在前述的线圈座41上。优选地，当由线圈座固定螺钉411将线圈座41与前述的过渡连接垫块3111固定时，则连同光栅头座61及连接垫块611与线圈座41固定。光栅头6与光栅尺5相配合而实现精密线性距离测量，藉以实现对前述圆弧运动平台3的圆弧运动角度测量，达到简化角度控制运算算法。

申请人简述本发明的工作原理，动子机构4的线圈42得电并可在动子滑动槽25中往复滑动，滑动方式表现为圆弧运动，由于光栅头6固定在动子机构4上，并且与光栅尺5相配合，因而能够测知动子机构4的精确位置，又由于动子机构4的线圈座41与圆弧运动平台3固定，因此圆弧运动平台3的精确位置同样可测知。圆弧运动平台3的横向移动平台36的动作是这样来实现的：当电机33作顺时针方向旋转时，带动螺杆35旋转，由于横向移动平台36通过其底部的螺杆螺母与螺杆35相配合，因此由螺杆35将横向移动平台36沿一对导杆34朝着远离第一折边312的方向位移，反之亦然。在上述过程中，搭载在横向移动平台36上的诸如光源、测量头、焊枪或激光头之类的器件随横向移动平台36在动子机构4带动下作圆弧运动（公运动）及在电机33驱动下的横向运动（自运动）而运动，也就是说随横向移动平台36圆弧运动以及与圆弧运动方向相垂直的横向运动的复合运动而运动。

Claims (10)

1.一种直驱圆弧运动平台结构，其特征在于包括一基座，该基座(1)的长度方向的顶部呈圆弧形；一定子机构(2)，固定在所述基座(1)上，并且与基座(1)的长度方向的一侧相对应；一圆弧运动平台(3)和一动子机构(4)，圆弧运动平台(3)滑动地配设在所述基座(1)上，而动子机构(4)固定在圆弧运动平台(3)上并且与所述定子机构(2)相配合；一光栅尺(5)，设置在定子机构(5)上；一光栅头(6)，该光栅头(6)固定在所述动子机构(4)上，并且与所述光栅尺(5)相配合。

2.根据权利要求1所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述基座(1)的上部并且朝向所述定子机构(2)的一侧敷设有一圆弧导轨(11)，该圆弧导轨(11)沿着基座(1)的长度方向延伸，所述的圆弧运动平台(3)滑动地配设在圆弧导轨(11)上，所述的动子机构(4)以及与所述光栅尺(5)相配合的所述光栅头(6)固定在圆弧运动平台(3)的底部。

3.根据权利要求2所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述的定子机构(2)包括第一、第二定子底板(21、22)、一组第一磁铁(23)和一组第二磁铁(24)，第一、第二定子底板(21、22)彼此面对面固定在所述基座(1)上并且均构成为圆弧形，第一、第二定子底板(21、22)之间保持有间距，藉由该间距构成为动子滑动槽(25)，一组第一磁铁(23)以间隔状态沿着第一定子底板(21)朝向第二定子底板(22)的一侧的长度方向设置，一组第二磁铁(24)同样以间隔状态沿着第二定子底板(22)朝向第一定子底板(21)的一侧的长度方向设置，所述的光栅尺(5)固定在光栅尺轨(51)上，而光栅尺轨(51)固定在所述第二定子底板(22)背对所述第一定子底板(21)的一侧的上部，并且该光栅尺轨(51)的形状呈圆弧形，所述的基座(1)与所述的第二定子底板(21)之间构成有用于供与所述圆弧导轨(11)滑动配合的圆弧运动平台(3)相配合的滑动槽(12)，所述的动子机构(4)与所述动子滑动槽(25)相配合并且对应于所述第一、第二磁铁(23、24)之间，所述的光栅头(6)固定在光栅头座(61)上，光栅头座(61)固定在连接垫块(611)上，而连接垫块(611)固定在动子机构(4)上。

4.根据权利要求3所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于在所述的基座(1)上固定有一定子底板支承座(13)，所述的第一、第二定子底板(21、22)均固定在定子底板支承座(13)上，并且第一、第二定子底板(21、22)均为高导磁材料，高导磁材料为铁或稀土合金材料。

5.根据权利要求3所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述的一组第一磁铁(23)和所述的一组第二磁铁(24)的形状均为矩形体，其中：一组第一磁铁(23)彼此以磁极相反的方式交替排列，一组第二磁铁(24)同样彼此以磁极相反的方式交替排列，并且第一、第二磁铁(23、24)彼此的磁极方向相反。

6.根据权利要求3所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述的动子机构(4)包括线圈座(41)和复数个线圈(42)，线圈座(41)固定在所述圆弧运动平台(3)上，并且与所述的动子滑动槽(25)相配合，线圈(42)嵌置在线圈座(41)内，所述连接块(611)固定在线圈座(41)上。

7.根据权利要求3所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述的圆弧运动平台(3)包括导杆座(31)、导轨滑块(32)、电机(33)、一对导杆(34)、螺杆(35)和横向移动平台(36)，导杆座(31)朝向所述基座(1)的一侧并且在对应于所述滑动槽(12)的位置延伸有一导轨滑块固定臂(311)，该导轨滑块固定臂(311)与滑动槽(12)相配合，而导杆座(31)的背对基座(1)的一侧的一端构成有一第一折边(312)，另一端构成一第二折边(313)，导轨滑块(32)固定在所述导轨滑块固定臂(311)上，该导轨滑块(32)的导轨滑块槽(321)与所述的圆弧导轨(11)相配合，电机(33)以卧置状态固定在第一折边(312)上，一对导杆(34)彼此并行，并且各导杆(34)的一端与第一折边(312)固定，而另一端与第二折边(313)固定，螺杆(35)位于一对导杆(34)之间，该螺杆(35)的一端转动地支承在第一折边(312)上并且与电机(33)传动连接，而螺杆(35)的另一端转动地支承在第二折边(313)上，横向移动平台(36)的底部两侧与一对导杆(34)滑动配合，而中部通过配设的螺杆螺母与螺杆(35)相配合，所述的动子机构(4)与所述导轨滑块固定臂(311)背对所述导轨滑块(32)的一侧固定。

8.根据权利要求3所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述的光栅尺可调整地固定在所述光栅尺轨(51)朝向所述基座(1)的底部的一侧，所述光栅头(6)与光栅尺(5)之间的间隙是恒定的。

9.根据权利要求7所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述的电机(33)为具有正反转功能的伺服电机。

10.根据权利要求1-4或7-8任一权利要求所述的直驱圆弧运动平台结构，其特征在于所述基座(1)的横截面形状呈L形，并且由铝合金或不锈钢制作。

Images