一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备 |
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| 申请号 | CN202410289759.X | 申请日 | 2024-03-14 | 公开(公告)号 | CN117937986A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 天津工业大学; | 发明人 | 牛萍娟; 曹世楠; 白杰; 韩丽丽; 郭曦彤; 崔颜军; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种固定气隙六 自由度 磁悬浮巨量转移设备，包括 定子 系统、动子系统以及控制系统，定子系统主要包括 支撑 架、支撑板、激光位移反射装置，新型Halbach永磁整列 磁场 供应系统；动子系统主要包括垂直位移 传感器 组件、X轴位移传感器组件、固定气隙被动磁 轴承 、Lorentz 磁轴承 、电磁 力 磁轴承、Y轴位移传感器组件、动子支撑组件；控制系统包括 控制器 和 驱动器 。本发明借助固定气隙被动磁轴承实现六自由度磁悬浮巨量转移设备Z轴的行程和绕X轴、Y轴转动的控制，降低气隙变化对动子的承载力的影响。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备，其特征在于：包括定子系统、动子系统以及控制系统； |
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| 说明书全文 | 一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备技术领域[0001] 本发明属于巨量转移平台技术领域，尤其是涉及一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备。 背景技术[0002] 现在投入商业应用的巨量转移平台为机械平台，平台运行时存在摩擦力且振动不可控，当平台高速运行时发热严重，振动剧烈，限制了平台的运行速度和巨量转移速度的提 升。磁悬浮平台利用磁悬浮技术实现无接触支撑，具备振动控制功能，能够实现高速运行且 无摩擦和发热，因此磁悬浮平台是一种理想的巨量转移用运动定位平台。 [0003] 现有巨量转移用六自由度磁悬浮平台，通过被动磁轴承悬浮动子，电磁力磁轴承控制动子稳定悬浮，洛伦兹力磁轴承提供驱动力和驱动力矩实现动子的六自由度运动，然 而现有巨量转移用六自由度磁悬浮平台气隙会随着动子在Z轴的运动而改变，气隙不固定， 当Z轴距离增加时，气隙增加，气隙区域磁密下降，动子悬浮功耗增大、承载力下降；当Z轴距 离减小时，气隙减小，气隙磁密增大，动子悬浮功耗增大，承载力增加。 发明内容[0004] 有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中上述问题的不足之处，提出一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备，通过固定气隙被动磁轴承实现六自由度磁悬浮巨量转移设 备垂直方向的行程控制，降低气隙变化对动子的承载力的影响。 [0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： [0006] 一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备，包括定子系统、动子系统以及控制系统； [0007] 所述定子系统包括支撑架、支撑板、激光位移反射装置，新型Halbach永磁整列磁场供应系统，所述支撑板位于支撑架上端，并通过螺栓固定在支撑架上端，激光位移反射装 置位于支撑板上端，激光位移反射装置通过螺栓与支撑板链接，新型Halbach永磁整列磁场 供应系统位于支撑板上端，并通过环氧树脂胶粘在支撑板上端，新型Halbach永磁整列磁场 供应系统位于激光位移反射装置内部； [0008] 所述动子系统包括垂直位移传感器组件、X轴位移传感器组件、固定气隙被动磁轴承、Lorentz磁轴承、电磁力磁轴承、Y轴位移传感器组件、以及动子支撑组件；所述垂直位移 传感器组件包括4个，其中2个设置于动子支撑组件外部上侧，左右各设置1个，另外2个设置 于动子支撑组件外部下侧，左右各设置1个，所述X轴位移传感器组件包括4个，其中2个设置 于动子支撑组件外部左侧，上下各设置1个，另外2个设置于动子支撑组件外部右侧，上下各 设置1个，所述Y轴位移传感器组件包括4个，其中2个设置于动子支撑组件外部上侧，左右各 设置1个，与位于动子支撑组件外部上侧的垂直位移传感器组件相邻，另外2个设置于动子 支撑组件外部下侧，左右各设置1个，与位于动子支撑组件外部下的侧垂直位移传感器组件 相邻； [0009] 所述固定气隙被动磁轴承包括4个，其中2个设置于动子支撑组件内部下端的上侧，左右各设置1个，另外2个设置于动子支撑组件内部下端的下侧，左右各设置1个； [0010] 所述Lorentz磁轴承包括8个，其中4个设置于动子支撑组件内部下端的上侧，左右各设置2个，另外4个设置于动子支撑组件内部下端的下侧，左右各设置2个，每2个Lorentz 磁轴承之间均设有1个电磁力磁轴承； [0011] 所述控制系统包括控制器和驱动器，所述控制器连接驱动器，所述驱动器用于向电磁力磁轴承、Lorentz轴承提供电流，所述驱动器连接固定气隙被动磁轴承，所述控制器 还连接垂直位移传感器组件、X轴位移传感器组件、Y轴位移传感器组件。 [0012] 进一步的，所述固定气隙被动磁轴承包括被动磁轴承固定板、直线电机、被动磁轴承固定支架、被动磁轴承连接件、被动磁轴承，被动磁轴承固定板通过螺栓与动子支撑组件 连接，被动磁轴承固定板与直线电机通过导轨滑块连接，被动磁轴承固定支架与直线电机 通过被动磁轴承连接件连接，被动磁轴承固定支架与被动磁轴承通过环氧树脂胶粘在一 起。 [0013] 进一步的，所述新型Halbach永磁整列磁场供应系统包括多个永磁体阵列，每个永磁体阵列包括左外磁钢、左中磁钢、左内磁钢、右内磁钢、右中磁钢、右外磁钢、右下磁钢、右下内磁钢、左下内磁钢和左下磁钢，充磁方向依次为: 内N外S、上N下S、内S外N、内N外S、上N下S、内S外N、内N外S、内S外N、内S外N和内N外S。 [0014] 进一步的，所述垂直位移传感器组件通过螺栓与动子支撑组件连接。 [0015] 进一步的，所述X轴位移传感器组件通过螺栓与动子支撑组件连接。 [0016] 进一步的，所述Y轴位移传感器组件通过螺栓与动子支撑组件连接。 [0019] 进一步的，所述垂直位移传感器组件、X轴位移传感器组件、Y轴位移传感器组件通过信号传输导线与控制器连接。 [0020] 进一步的，还包括辅助设备CCD相机，所述CCD相机通过信号传输导线与控制器连接。 [0021] 相对于现有技术，本发明所述的一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备具有以下优势： [0022] 本发明采用固定气隙被动磁轴承实现了六自由度磁悬浮巨量转移设备气隙固定不变的悬浮，被动磁轴承磁力不会因为动子的垂直方向改变而发生变化，保证了动子的承 载能力稳定不变；同时8个Lorentz磁轴承和4个电磁力磁轴承的配合实现了动子空间6个自 由度的全方位控制，满足需要运输转移的产品与目标基板的任意位置的控制。 附图说明 [0023] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0024] 图1为本发明的一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备的结构示意图； [0025] 图2为本发明的定子系统结构示意图； [0026] 图3为本发明的动子系统结构示意图； [0027] 图4为本发明的动子支撑组件结构示意图； [0028] 图5为本发明的动子系统的俯视图； [0029] 图6为本发明的固定气隙被动磁轴承结构示意图； [0030] 图7为本发明的永磁体阵列结构示意图； [0031] 图8为本发明的实施例中Mini/Micro LED芯片与目标基板的位置关系示意图，其中，（a）为理想状态下的Mini/Micro LED芯片与目标基板的位置关系示意图；（b）为Mini/ Micro LED芯片与目标基板在Z轴向存在位移偏差的示意图；（c）为Mini/Micro LED芯片与 目标基板在X轴向存在位移偏差的示意图；（d）为Mini/Micro LED芯片与目标基板在Y轴向 存在位移偏差的示意图；（e）为Mini/Micro LED芯片与目标基板在X轴向存在夹角偏差的示 意图；（f）为Mini/Micro LED芯片与目标基板在Y轴向存在夹角偏差的示意图；（g）为Mini/ Micro LED芯片与目标基板在Z轴向存在夹角偏差的示意图。 [0032] 附图标记说明 [0033] 1‑支撑架；2‑支撑板；3‑激光位移反射装置；4‑新型Halbach永磁整列磁场供应系统；401‑左外磁钢；402‑左中磁钢；403‑左外磁钢；404‑右内磁钢；405‑右中磁钢；406‑右外磁钢；407‑右下磁钢；408‑右下内磁钢；409‑左下磁钢；410‑左下磁钢；5‑垂直位移传感器组件；6‑X轴位移传感器组件；7‑固定气隙被动磁轴承；701‑被动磁轴承固定板；702‑直线电机；703‑被动磁轴承固定支架；704‑被动磁轴承连接件；705‑被动磁轴承；8‑Lorentz磁轴承；9‑电磁力磁轴承；10‑Y轴位移传感器组件；11‑动子支撑组件；12‑控制器；13‑驱动器； 14‑CCD相机；15‑Mini/Micro LED芯片；16‑Mini/Micro LED芯片引脚；17‑目标基板；18‑目标基板引脚。 具体实施方式[0034] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个” 的含义是两个或两个以上。 [0036] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。 [0037] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 [0038] 如图1所述，本发明提供了一种固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备，包括定子系统、动子系统以及控制系统。 [0039] 如图2所示，所述定子系统包括支撑架1、支撑板2、激光位移反射装置3，新型Halbach永磁整列磁场供应系统4，所述支撑板2位于支撑架1上端，并通过螺栓固定在支撑 架1上端，激光位移反射装置3位于支撑板2上端，激光位移反射装置3通过螺栓与支撑板2链 接，新型Halbach永磁整列磁场供应系统4位于支撑板2上端，并通过环氧树脂胶粘在支撑板 2上端，新型Halbach永磁整列磁场供应系统4位于激光位移反射装置3内部。 [0040] 如图3、4、5所示，所述动子系统包括垂直位移传感器组件5、X轴位移传感器组件6、固定气隙被动磁轴承7、Lorentz磁轴承8、电磁力磁轴承9、Y轴位移传感器组件10、以及动子 支撑组件11；所述垂直位移传感器组件5包括4个，其中2个设置于动子支撑组件11外部上 侧，左右各设置1个，另外2个设置于动子支撑组件11外部下侧，左右各设置1个，所述X轴位 移传感器组件6包括4个，其中2个设置于动子支撑组件11外部左侧，上下各设置1个，另外2 个设置于动子支撑组件11外部右侧，上下各设置1个，所述Y轴位移传感器组件10包括4个， 其中2个设置于动子支撑组件11外部上侧，左右各设置1个，与位于动子支撑组件11外部上 侧的垂直位移传感器组件5相邻，另外2个设置于动子支撑组件11外部下侧，左右各设置1 个，与位于动子支撑组件11外部下侧的垂直位移传感器组件5相邻。在本发明中，垂直位移 传感器组件5、X轴位移传感器组件6 、以及Y轴位移传感器组件10均为激光位移传感器。 [0041] 具体的，所述固定气隙被动磁轴承7包括4个，其中2个设置于动子支撑组件11内部下端的上侧，左右各设置1个，另外2个设置于动子支撑组件11内部下端的下侧，左右各设置 1个；所述固定气隙被动磁轴承7通过螺栓固定在动子支撑组件11的侧面。 [0042] 具体的，所述Lorentz磁轴承8包括8个，其中4个设置于动子支撑组件11内部下端的上侧，左右各设置2个，另外4个设置于动子支撑组件11内部下端的下侧，左右各设置2个， 每2个Lorentz磁轴承8之间均设有1个电磁力磁轴承9。所述Lorentz磁轴承8、电磁力磁轴承 9均通过螺栓固定在动子支撑组件11上。 [0043] 具体的，所述控制系统包括控制器12和驱动器13，所述控制器12连接驱动器13，所述驱动器13用于向电磁力磁轴承9、Lorentz磁轴承8提供电流，所述控制器12还连接垂直位 移传感器组件5、X轴位移传感器组件6、Y轴位移传感器组件10。 [0044] 具体的，所述垂直位移传感器组件5、X轴位移传感器组件6、Y轴位移传感器组件10通过信号传输导线与控制器12连接。 [0045] 具体的，还包括辅助设备CCD相机14，所述辅助设备CCD相机14通过信号传输导线与控制器12连接。 [0046] 如图6所示，所述固定气隙被动磁轴承包括被动磁轴承固定板701、直线电机702、被动磁轴承固定支架703、被动磁轴承连接件704、被动磁轴承705，被动磁轴承固定板701通 过螺栓与动子支撑组件11连接，被动磁轴承固定板701与直线电机702通过导轨滑块连接， 被动磁轴承固定支架703与直线电机702通过被动磁轴承连接件704连接，被动磁轴承固定 支架703与被动磁轴承705通过环氧树脂胶粘在一起。其中，被动磁轴承连接件704采用隔磁 螺栓，由隔磁材料7475铝合金制作而成。 [0047] 具体的，所述控制器12通过信号传输导线与驱动器13连接，驱动器13上不同的接口通过电流导线与电磁力磁轴承9、Lorentz磁轴承8的线圈连接，所述驱动器13通过导线连 接直线电机702，驱动固定气隙被动磁轴承7。 [0048] 如图7所示，所述新型Halbach永磁整列磁场供应系统4包括多个永磁体阵列，每个永磁体阵列包括左外磁钢401、左中磁钢402、左外磁钢403、右内磁钢404、右中磁钢405、右 外磁钢406、右下磁钢407、右下内磁钢408、左下磁钢409和左下磁钢410，充磁方向依次为: 内N外S、上N下S、内S外N、内N外S、上N下S、内S外N、内N外S、内S外N、内S外N和内N外S。本发明通过左中磁钢402、右中磁钢405两种永磁体提高气隙区域的磁感应强度，左外磁钢401、左 外磁钢403、右内磁钢404、右外磁钢406起到聚磁效应，进一步提高气隙区域的磁感应强度。 左下磁钢410和左下磁钢磁极相对，右下内磁钢408和右下磁钢407磁极相对，起到调控磁场 作用，提高气隙区域磁场的均匀性。在本发明中，磁悬浮平台的行程由新型Halbach永磁整 列磁场供应系统4决定，通过增加永磁体阵列的个数可以提高磁悬浮平台的行程，满足任何 巨量转移对运动定位平台行程的要求。 [0049] 下面以运输Mini/Micro LED芯片举例说明本发明的具体工作过程： [0050] 首先将目标基板17固定在动子支撑组件11上方，将动子系统固定在定子系统的新型Halbach永磁整列磁场供应系统4上，动子系统处于悬浮状态，然后将Mini/Micro LED芯 片15转移到相应的目标基板（电路板）上，此时Mini/Micro LED芯片15处于悬浮状态，与目 标基板17之间有一定距离，根据Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的位置，调节目标基 板17的位置。如图8所示，理想状态下，Mini/Micro LED芯片引脚16与目标基板引脚18一一 对应，如图8（a）所示，因此需要调节Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的位置。 [0051] 如图8（b）所示，Mini/Micro LED芯片15与目标基板17在Z轴向存在位移偏差，通过四个垂直位移传感器组件5采集动子支撑组件11在新型Halbach永磁整列磁场供应系统4中 的垂直方向的位移数据，并将测量结果传输至控制器中，通过控制器内预置的算法计算动 子支撑组件11在新型Halbach永磁整列磁场供应系统4中的Z轴位置，然后通过四个固定气 隙被动磁轴承7来调整目标基板17与Mini/Micro LED芯片15在Z轴的距离，使Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的Z轴位置满足巨量转移的要求，在巨量转移时，要求Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的位置有一个最优值，大于或者小于时对巨量转移良品率有影响， 因此需要通过固定气隙被动磁轴承7来调整目标基板与Mini/Micro LED芯片15在Z轴的距 离，使Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的Z轴位置达到预先设置的最优值； [0052] 如果Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的位置在Z轴方向大于预先设置的最优值，控制器12向驱动器13发送命令，驱动器13输出电流，并驱动直线电机702，由直线电机 702驱动被动磁轴承固定板701向上运动，被动磁轴承固定板701带动动子支撑组件11向上 运动，减少Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的距离，在此过程被动磁轴承705与新型 Halbach永磁整列磁场供应系统4的位置不变，即被动磁轴承气隙固定不变。如果Mini/ Micro LED芯片15与目标基板17的位置在Z轴方向小于预先设置的最优值，控制器12向驱动 器13发送命令，驱动器13输出电流，并驱动直线电机702，由直线电机702驱动被动磁轴承固 定板701向下运动，被动磁轴承固定板701带动动子支撑组件11向下运动，增大Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的距离，达到巨量转移需求，在此过程被动磁轴承705与新型 Halbach永磁整列磁场供应系统4的位置不变，即被动磁轴承气隙固定不变。 [0053] 当Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的垂直位置达到要求后，通过辅助设备CCD相机14测量Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的水平位置，并发送到控制器12中，控 制器12判断Mini/Micro LED芯片15与目标基板17在X或Y轴方向的位置是否存在偏差，当存 在偏差时，通过固定气隙被动磁轴承7保证Mini/Micro LED芯片与目标基板的垂直位置固 定不变，由控制器12控制驱动器13，由驱动器13为Lorentz轴承8的线圈提供电流，产生 Lorentz力，控制动子支撑组件11和目标基板的移动，通过X轴位移传感器组件6和Y轴位移 传感器组件10来测量和反馈动子支撑组件11和目标基板在X、Y平面的位置，并将结果发送 至控制器12中，控制器12判断Mini/Micro LED芯片15与目标基板17是否存在X或Y轴方向的 位置偏差，当不存在偏差时，Lorentz磁轴承8的线圈停止通入电流，完成Mini/Micro LED芯 片15与目标基板17X或Y轴方向的位置调整。如图8（c）、8（d）所示为Mini/Micro LED芯片15 与目标基板17在X和Y轴向存在位移偏差的情况。 [0054] 如图8（e）、8（f）所示，当Mini/Micro LED芯片15与目标基板17存在X轴、Y轴的夹角偏差时，通过电磁力磁轴承9来控制目标基板绕X轴、Y轴的转动，通过垂直位移传感器组件5测量动子支撑组件11和目标基板的转动角度信息，当Mini/Micro LED芯片15与目标基板 17X轴、Y轴夹角为0时，电磁力磁轴承9停止输出力，完成Mini/Micro LED芯片15与目标基板 17X轴、Y轴夹角的控制。当Mini/Micro LED芯片15与目标基板17存在Z轴方向的夹角偏差 时，如图8（g），通过Lorentz磁轴承8来控制目标基板17绕Z轴的转动，通过X轴位移传感器组 件6和Y轴位移传感器组件10测量动子支撑组件11和目标基板17的旋转角度，当Mini/Micro LED芯片15与目标基板17的Z轴夹角为零时，Lorentz磁轴承8停止输出力，完成Mini/Micro LED芯片15与目标基板17在Z轴方向的夹角的控制。由于固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移 设备采用固定气隙被动磁轴承悬浮，因此能够保证被动磁轴承气隙固定不变，保证被动磁 轴承的承载能力。固定气隙六自由度磁悬浮巨量转移设备采用Lorentz磁轴承8驱动XY平面 的直线运动，可以提高动子支撑组件11的线性定位精度。 [0055] 本发明与现有磁悬浮巨量转移设备相比，被动磁轴承705与新型Halbach永磁整列磁场供应系统4的位置不会随着动子系统在定子系统的垂直位置改变而发生任何变化，从 而保证气隙稳定不变、承载力稳定，与机械式巨量转移设备相比，采用传感器采集数据进行 位置调整，同时克服了机械平台因摩擦力导致的磨损，具有高定位精度、长寿命、振动可控 等优点。 |
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