本發(fā)明屬于一種焊接變位領(lǐng)域，尤其是磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置。

背景技術(shù)：

從目前的加工制造角度來看，焊接加工工藝在眼下相當(dāng)一段長的時期，仍然是加工制造業(yè)舉足輕重的加工方法。而焊接變位機作為焊接設(shè)備中的輔助設(shè)備，對提高焊接質(zhì)量和焊接效率有不可或缺的作用。但目前的焊接變位機都是機電一體變位機，即驅(qū)動電機帶動齒輪副再帶動工作臺運動或者電機驅(qū)動軸運動帶動工作平臺運動。這些方式都是機械接觸的，接觸面的摩擦以及齒輪的磨損都會帶來精度降低、能量損耗以及產(chǎn)生大量熱等問題，并且目前的焊接變位機對于高精度、高定位的焊接工藝，這些方式已經(jīng)不能滿足需求。

隨著磁懸浮技術(shù)的不斷發(fā)展，磁懸浮技術(shù)在很多方面都有應(yīng)用，特別是磁懸浮列車，但磁懸浮列車的時速達(dá)400～500公里不適合應(yīng)用在焊接技術(shù)中，焊接速度一般在100mm/min～1000mm/min，而且磁懸浮列車適合長路程運行，不適合短程，因為不能靠磁力自起動，在起動前需要電機驅(qū)動給予一定的速度才能使列車在磁力的作用下前進(jìn)，而焊接變位機的空間有限，所需的軌道不易過長，如果把磁懸浮列車系統(tǒng)應(yīng)用于焊接變位機，則電機驅(qū)動過程已經(jīng)運動了過長的距離，不能達(dá)到響應(yīng)時間短，精度高。

目前磁懸浮地球儀也得到發(fā)展和應(yīng)用，在很多展品中都能看到，但是磁懸浮地球儀的懸浮力小，其懸浮物是空心的，質(zhì)量小，控制簡單，只需懸浮和自轉(zhuǎn)，但其自轉(zhuǎn)的速度范圍、轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性和精度等要求不高；同時，磁懸浮地球儀不能直線運動，這些都不能滿足焊接響應(yīng)快，定位精準(zhǔn)的要求。

中國專利(102055382a)公開了一種排斥式磁懸浮系統(tǒng)。該系統(tǒng)的平臺實現(xiàn)了懸浮和自由水平運動，但是其水平運動的速度，精度以及方向均是無規(guī)則不可控的。在焊接過程中，需要焊接曲線焊縫時，則需要協(xié)同旋轉(zhuǎn)和平移速度來實現(xiàn)，而此方法則明顯不能達(dá)到要求。

中國專利(102951607a)公開了一種磁懸浮式定位平臺。采用的是上吸下斥的方式懸浮，但是其在水平方向上的運動所用的推力也是利用懸浮場，線圈之間產(chǎn)生的磁場和永磁體的磁場會容易混亂，而且會出現(xiàn)耦合，解耦復(fù)雜且此方法產(chǎn)生的推力小，此結(jié)構(gòu) x、y方向的軌道是在同一水平上，限制了x、y方向的長程移動，只適用于毫米級的移動范圍，工程上的焊件尺寸遠(yuǎn)大于毫米級，此方法不能適合焊接變位機。

中國專利(103909427a)和(103277409a)公開了一種混合勵磁磁懸浮進(jìn)給平臺和一種新型電磁鐵分布的五自由度磁浮導(dǎo)軌。這兩種平臺均將軌道包裹著，由于軌道的限制不可能實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。

中國專利(203721699u)和(203576109u)公開了一種盤狀物的夾持裝置及盤狀物的旋轉(zhuǎn)平臺和一種磁懸浮觀展平臺，只能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)不能實現(xiàn)平移，不能滿足曲線焊接的要求。

中國專利(102005892a)公開了一種應(yīng)用軸向充磁永磁體的電磁直線執(zhí)行器。該方法用的是軸向充磁的永磁體與磁軛做成的圓柱作為環(huán)形線圈運動的軸，是線圈以及與線圈相連接的外部構(gòu)件一起沿軸往復(fù)運動，此方法在氣隙間形成的磁場在磁軛與永磁體連接處有一定的減弱，不能在整個氣隙里很好地形成分布均勻的磁場，如果將此方法應(yīng)用到焊接變位機，當(dāng)線圈運動到此處時，平臺會發(fā)生一定的抖動，焊槍與工件之間的距離就會發(fā)生變化，會出現(xiàn)焊瘤或未焊滿的情況，影響焊接質(zhì)量。

中國專利(204546084u)公開了一種龍門鏜銑床用磁懸浮平臺。該平臺實現(xiàn)了懸浮和平移，但是此裝置是通過四角上設(shè)置的電磁永磁混合磁極實現(xiàn)懸浮的，如果應(yīng)用到焊接變位機來實現(xiàn)長直線平移，則平臺要做很大，而且一旦平臺移出四角的電磁永磁混合磁極，則不能再懸浮，其平移是通過導(dǎo)向電磁鐵和直線推進(jìn)系統(tǒng)來實現(xiàn)的，移動響應(yīng)時間長，精度和平穩(wěn)均不能滿足焊接變位機的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置。

為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置，設(shè)該裝置的水平移動方向為x軸方向，該裝置的軸向方向為z軸方向，建立坐標(biāo)系，該裝置包括：

一懸浮裝置，包括：：線圈繞組與永磁鐵組成的定子，在底部設(shè)有永磁體的移動平臺，移動平臺在永磁定子與永磁體的斥力作用下實現(xiàn)z軸方向的懸?。?/p>

一旋轉(zhuǎn)裝置，包括：軸承，固定在軸承上鐵環(huán)，及套在軸承上的旋轉(zhuǎn)線圈，

通過旋轉(zhuǎn)線圈通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使與軸承相連接的鐵環(huán)在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，帶動軸承實現(xiàn)工作平臺旋轉(zhuǎn)；

所述的移動平臺頂部開有凹槽，軸承與該凹槽柔性連接；

一平移裝置，包括：分別固連在移動平臺的兩端的線圈骨架，兩組印刷式線圈，及設(shè)置在線圈骨架沿z軸反方向上的永磁體陣列；

兩組印刷式線圈分別固定在線圈骨架的頂部和底部；

永磁體陣列設(shè)置在靠近定子的兩側(cè)；

所述的線圈骨架及印刷式線圈、永磁體陣列均設(shè)置在u形磁軛之間；在u形磁軛、永磁體陣列，及u形磁軛與永磁體陣列之間的氣隙形成磁線回路，并在氣隙中形成與z軸同向、與z軸反向交替分布的均勻磁場，且該磁場沿x軸的方向上相互交替的。

進(jìn)一步的，軸承與移動平臺頂部的凹槽連接處還設(shè)有橡膠墊片，并由端蓋固定。

在該裝置在軸承的頂部還設(shè)有工作平臺。

該裝置設(shè)置在一基座內(nèi)，在基座的頂部開有提供軸承平移及旋轉(zhuǎn)的通道。

優(yōu)選的，印刷式線圈的內(nèi)徑是印刷式線圈外徑的1/3，每組印刷式線圈的外徑是線圈骨架長度的3/4，在同一端線圈骨架上兩匝印刷式線圈的中心軸之間相距一個印刷式線圈的內(nèi)徑長度。

所述的軸承包括45鋼實心圓柱、彈簧和不銹鋼圓環(huán)，所述的彈簧套在45鋼實心圓柱上后，設(shè)置在不銹鋼圓環(huán)內(nèi)。

永磁體陣列是由多個徑向充磁的永磁體依次旋轉(zhuǎn)180°沿x軸方向排列的halbach陣列，其中，每個徑向充磁的永磁體長度是線圈骨架長度的1/2。

工作平臺在旋轉(zhuǎn)裝置作用下360°旋轉(zhuǎn)，且其在旋轉(zhuǎn)時，同時在平移裝置作用下隨移動平臺一起平移，平移速度為0～2m/s。

旋轉(zhuǎn)線圈、鐵環(huán)、線圈繞組與永磁鐵組成的定子和線圈均包裹在涂有屏蔽導(dǎo)電漆的塑料盒內(nèi)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：1)磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置能實現(xiàn)無機械接觸，避免因接觸摩擦帶來的誤差、能量損耗、熱?？蓪崿F(xiàn)磁力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)、長直線軌道平移運動，可實現(xiàn)直線焊接和曲線焊接。2)該裝置能夠同時實現(xiàn)懸浮，磁力驅(qū)動長直線軌道平移和旋轉(zhuǎn)功能。3)采用永磁體外加線圈陣列的懸浮結(jié)構(gòu)，達(dá)到穩(wěn)定懸浮的同時降低了勵磁損耗。4)該裝置還具有磁力驅(qū)動響應(yīng)快，定位精準(zhǔn)，行走平穩(wěn)、可控性強的特點。5)該裝置將實現(xiàn)各種功能的磁體、電磁體均分布在相對獨立的空間，可以避免造成磁力混亂。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的整體結(jié)構(gòu)的正視圖。

圖3為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的整體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

圖4、5為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的整體結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖6為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的移動平臺的正視圖，仰視圖，俯視圖和側(cè)視圖。

圖7、8為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的移動平臺，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和工作平臺的整體裝配圖。

圖9為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的旋轉(zhuǎn)線圈的鐵芯示意圖。

圖10為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的鐵環(huán)示意圖。

圖11為本發(fā)明的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置的軸承示意圖。

其中，1為工作平臺；2為軸承；3為鐵環(huán)；4為旋轉(zhuǎn)線圈；5為端蓋；6為橡膠墊片；7為移動平臺；8為印刷式線圈；9為永磁體；10為u形磁軛；11為永磁體陣列；12為基座；13為定子；14為線圈繞組；15為線圈骨架；16為永磁鐵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖1-11所示，本發(fā)明提供的磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位機裝置，設(shè)該裝置的水平移動方向為x軸方向，該裝置的軸向方向為z軸方向，建立坐標(biāo)系，該裝置包括：

一懸浮裝置，包括：線圈繞組14與永磁鐵16組成的定子13，在底部設(shè)有永磁體9的移動平臺7；

一旋轉(zhuǎn)裝置，包括：軸承2，固定在軸承2上鐵環(huán)3，及套在軸承2上的旋轉(zhuǎn)線圈4；

所述的移動平臺7頂部開有凹槽，軸承2與該凹槽柔性連接；

一平移裝置，包括：分別固連在移動平臺7的兩端的線圈骨架15，兩組印刷式線圈8，及設(shè)置在線圈骨架15沿z軸反向方向上的永磁體陣列11；

兩組印刷式線圈8分別固定在線圈骨架15的頂部和底部；

永磁體陣列11設(shè)置在靠近定子13的兩側(cè)；

所述的線圈骨架15及印刷式線圈8、永磁體陣列11均設(shè)置在u形磁軛10之間；在u形磁軛10、永磁體陣列11，及u形磁軛10與永磁體陣列11的氣隙之間形成磁線 回路，并在氣隙中形成磁場方向與z軸同向、與z軸反向的交替均勻磁場，且該磁場沿x軸的方向上相互交替的。

軸承2與移動平臺7頂部的凹槽連接處還設(shè)有橡膠墊片6，并由端蓋5固定。

該裝置在軸承2的頂部還設(shè)有工作平臺1。

該裝置設(shè)置在基座12內(nèi)，在基座12的頂部開有提供軸承2平移及旋轉(zhuǎn)的通道。

線圈8的內(nèi)徑是線圈8外徑的1/3，每組線圈8的外徑是線圈骨架15長度的3/4，在同一端線圈骨架15上兩匝線圈8的中心軸之間相距一個線圈8的內(nèi)徑長度。

軸承2由45鋼實心圓柱、彈簧和奧氏體不銹鋼圓環(huán)組成，彈簧套在45鋼實心圓柱上，再一起套在不銹鋼圓環(huán)里。

永磁體陣列11是由多個徑向充磁的永磁體依次旋轉(zhuǎn)180°沿x軸方向排列的halbach陣列，其中，每個徑向充磁的永磁體長度是線圈骨架15長度的1/2，在u形磁軛作用下，使每個徑向充磁的永磁體、磁軛10、氣隙間形成電磁回路，在氣隙里產(chǎn)生垂直的均勻磁場，使通電線圈8能在氣隙中勻速行走。

工作平臺1在旋轉(zhuǎn)裝置作用下360°旋轉(zhuǎn)，且其在旋轉(zhuǎn)時，同時在平移裝置作用下隨移動平臺7一起平移，其平移速度為0～2m/s。

所述的旋轉(zhuǎn)線圈4、鐵環(huán)3、線圈繞組與永磁鐵組成的定子13和線圈8均包裹在涂有屏蔽導(dǎo)電漆的塑料盒內(nèi)。

通過給旋轉(zhuǎn)線圈4通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，鐵環(huán)3在磁力的作用帶動軸承2和工作平臺1實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，通過改變線圈4內(nèi)電流的大小就能改變旋轉(zhuǎn)的速度。

本發(fā)明的懸浮裝置利用同極相斥的原理實現(xiàn)懸浮功能，通過線圈繞組與永磁鐵組成的定子13與永磁體9、移動平臺7構(gòu)成的動子磁體作用實現(xiàn)移動平臺7和工作平臺1等懸浮，懸浮的高度可通過改變線圈內(nèi)電流的大小和方向調(diào)整使其實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

旋轉(zhuǎn)線圈4內(nèi)線圈是沿徑向均勻排列，旋轉(zhuǎn)線圈4的鐵芯如圖9，鐵環(huán)3，如圖10，旋轉(zhuǎn)線圈通電后，可在鐵環(huán)3與旋轉(zhuǎn)線圈之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，可使鐵環(huán)3上的鐵片磁化并發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動軸承2使工作平臺1一起轉(zhuǎn)動，通過改變旋轉(zhuǎn)線圈4電流大小和方向來改變磁場的大小和方向，從而改變工作平臺1旋轉(zhuǎn)的方向以及旋轉(zhuǎn)速度的大小，移動平臺7和軸承2之間采用的是非固定連接，當(dāng)工作平臺1發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，移動平臺7不動。

永磁體陣列11是多個由徑向充磁的依次旋轉(zhuǎn)180°的halbach陣列，在磁軛10的作用下，磁力線由永磁體11產(chǎn)生并經(jīng)過磁軛10和氣隙回到永磁體11形成回路，在氣 隙中能產(chǎn)生均勻的磁場，磁場的方向是由徑向充磁的永磁體的方向決定的，移動平臺7上兩端的的線圈8是印刷式排列的位于氣隙內(nèi)，在磁場的作用下沿著永磁體11排列的方向平移，通過改變線圈內(nèi)電流的大小和方向可以改變移動平臺運動速度的大小和運動的方向。

懸浮與旋轉(zhuǎn)和平移是相互獨立控制的，而旋轉(zhuǎn)與平移可相對獨立控制并可協(xié)同工作以實現(xiàn)曲線焊接，

通過協(xié)調(diào)工作平臺1的旋轉(zhuǎn)速度和移動速度，可實現(xiàn)焊接曲線焊縫。

實施例一：檢驗工件

結(jié)合圖1，圖2和圖7，一種磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置，將工件放置在工作平臺1上，并用固定件固定，然后給線圈繞組14通電，通過調(diào)整線圈內(nèi)電流的大小和方向，使平臺懸浮到期望高度，然后給印刷式線圈8通電，使移動平臺7和工作平臺1移動到所期望的位置，然后給印刷式線圈8斷電，然后給旋轉(zhuǎn)線圈4通電，工作平臺1旋轉(zhuǎn)，使工件檢驗區(qū)內(nèi)，然后給旋轉(zhuǎn)線圈4斷電，再進(jìn)行檢驗工作，檢驗工作完成之后，給線圈繞組14斷電，取下工件，檢驗做工完成。

實施例二：焊接直線焊縫

結(jié)合圖1，圖2和圖7，一種磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置，將焊件安裝在工作平臺1上，并固定，然后給線圈繞組14通電，通過調(diào)整線圈內(nèi)電流的大小和方向，使平臺懸浮到期望高度，給旋轉(zhuǎn)線圈4通電，工作平臺1旋轉(zhuǎn)，調(diào)整電流的大小和方向，將焊縫與軌道平行，然后旋轉(zhuǎn)線圈4斷電，焊槍開始工作，同時給線圈骨架15上的線圈a、b通電，使移動平臺向前運動，焊縫焊好之后，線圈a、b斷電，線圈繞組14斷電，取下焊件，焊接完成。

實施例三：焊接曲線焊縫

結(jié)合圖1，圖2和圖7，一種磁懸浮和磁驅(qū)動多軸柔性變位裝置，將焊件安裝在工作平臺1上，并固定，然后給線圈繞組14通電，通過調(diào)整線圈內(nèi)電流的大小和方向，使平臺懸浮到期望高度，給旋轉(zhuǎn)線圈4通電，依次給線圈a、b通電，啟動焊槍，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)線圈4和線圈a、b的電流大小、方向，使工作平臺1的運動軌跡與焊件焊縫一致，直至焊縫完成焊接，線圈a、b斷電，線圈繞組14斷電，取下焊件，焊接完成。