圖20A-20B顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)中軌道右岔道段的頂視圖。
[0047]圖21顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)中軌道右岔道段的剖開透視圖。
[0048]圖22k顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)中軌道岔道段的透視圖。
[0049]圖22B顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用在系統(tǒng)的軌道岔道段的鰭狀板的透視圖。
[0050]圖23A顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)中直道上的運載工具的運動。
[0051]圖23B顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)中彎道上的運載工具的運動。
[0052]圖24A-24B顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)中岔道處的運載工具的運動。
[0053]圖25A-25B和26A-26B顯示根據(jù)本發(fā)明的運載工具的其它配置。
【具體實施方式】
[0054]引言
[0055]本文描述的是以LSM為基礎(chǔ)的運輸系統(tǒng)，它可讓運載工具在軌道上運動，該軌道可能很復(fù)雜而且可能包含水平和垂向轉(zhuǎn)彎，交匯和岔道換向，以及翻轉(zhuǎn)的操作。應(yīng)用實例包括:使正在裝配線上灌裝和加蓋中的瓶子運動，使用于分析的實驗室玻瓶運動，使電子設(shè)備沿著生產(chǎn)線運動以讓機器人可插入元件，分揀來自多個來源且必須分送到適當(dāng)?shù)奈恢玫奈矬w。在某些情況下可以使用輪子、軸承或其它滾動元件來幫助懸浮和引導(dǎo)，但本發(fā)明也可用于沒有輪子(或其它滾動元件)且在軌道行駛表面上滑行的運載工具。當(dāng)將要移動的物體不是太大時，沒有輪子的運載工具可能很小且便宜。對于較重型的運載工具，同樣的短塊結(jié)構(gòu)適合于輪子一或者軸承一為基礎(chǔ)的懸掛和引導(dǎo)。
[0056]這樣建成的運輸系統(tǒng)將提供經(jīng)濟上有競爭力的、利用LSM推進來推動和控制在軌道上靠得很近的小型和中型運載工具。
[0057]本文所述的系統(tǒng)的其它方案有用作運輸系統(tǒng)路軌(或“軌道”)件的LSM電機模塊。選擇標(biāo)準(zhǔn)路軌構(gòu)建模塊按即插即用方式裝配在一起，幾乎可以形成變化無窮的設(shè)計方案。眾電機模塊(或簡單些，“電機群”)不僅可以包含推進和智能路徑元件，而且還含有可用來快速裝配以及路軌配置的引導(dǎo)和結(jié)構(gòu)支持件。該系統(tǒng)非常適合于要求清潔地工作和/或能沖洗的環(huán)境(非限制性例子)。它還可支持“軌跡跟蹤”要求，因為每一個運載工具可以在整個系統(tǒng)中被獨特地識別和不斷地跟蹤。
[0058]具有滑行運動能達到的摩擦系數(shù)的懸浮系統(tǒng)很適合用于吸引力可以忽略的LSM。在所舉的實施例中，這是通過使用無芯電機來實現(xiàn)的，其中推進線圈例如被安裝在貼近運載工具的磁體處。
[0059]下面各段落將說明本發(fā)明各實施例的部件和工作。應(yīng)該理解，本設(shè)計可以有很多變化方案，而且這些變化方案是在本發(fā)明預(yù)料之內(nèi)的，不過本說明書展示的是，如何利用可以合理成本制造的簡單系統(tǒng)實現(xiàn)上述和其它的目標(biāo)。
[0060]軌道
[0061]圖1顯示軌道的直線段，上面各運載工具13靠得很近地移動。軌道的結(jié)構(gòu)可由其側(cè)面上的導(dǎo)軌12提供一個或多個維度上的引導(dǎo)。對于不帶輪子的運載工具的應(yīng)用，它們在軌道行駛表面上滑行，同時采用專門的材料(下面討論)來最小化摩擦。軌道外殼11裝納全部電子器件，包括位置傳感裝置、推進線圈、功率電子元件以及微處理器。
[0062]這些圖中所示的結(jié)構(gòu)所依據(jù)的運載工具大約是50mm寬和50至60mm長。對于較大的物體，軌道和運載工具的尺寸可以按比例放大，盡管路軌模型是根據(jù)多個不同的比例因子建造。
[0063]運裁工具
[0064]圖2和3顯示可用作所建議的運輸系統(tǒng)一部分的運載工具21。它比較小，大約50mm見方和20mm高，同時具有帶行駛(或“滑行”)表面的元件32 (此處它們位于運載工具21的下表面上)，這些元件在軌道的行駛(或“滑行”)表面上滑行。運載工具頂部的孔22用來安裝用于要被移動物體的支持機構(gòu)。
[0065]該運載工具具有與彎曲軌道側(cè)面匹配的曲形側(cè)面23，以便能作短半徑的水平轉(zhuǎn)彎。運載工具由軌道引導(dǎo)，而且可在運輸物體時在正常的直立位置運動以及在不攜帶物品的情況下向翻轉(zhuǎn)位置運動。它還可以越過垂向轉(zhuǎn)彎。在運載工具各個角部上的銷24，31與岔道和模塊內(nèi)的機構(gòu)相互配合，以控制運動的方向。
[0066]圖3是運載工具下表面的視圖，同時顯示了永磁體33，34，它們被安裝在運載工具底部附近，并提供用于LSM推進的裝置。
[0067]圖4顯示圖3的變型，其中磁體結(jié)構(gòu)用的是Halbach陣列44，以在給定重量下產(chǎn)生更大的力。圖5為單個磁體的結(jié)構(gòu)51，它適合于要求較小的力的應(yīng)用。
[0068]較大的物體可以在此同樣的軌道上運動，這通過使用象常規(guī)LSM設(shè)計的雙負重輪結(jié)構(gòu)設(shè)計那樣就行(例如，可參見2008年12月2日授權(quán)的題為“使用基于單通道的致動器的三維運動”的美國專利7，458，454，和2007年3月I日公開的題為“軌道致動式運載工具磁換向”的美國專利申請書2007/0044676，兩者的教導(dǎo)都通過援引被納入本文)，或者通過增加軌道和運載工具的尺寸來實現(xiàn)。
[0069]低摩擦滑動表面
[0070]為了降低所需推進力和摩擦發(fā)熱，所示實施例的運載工具和軌道被設(shè)計成使摩擦系數(shù)CfS可能小，摩擦系數(shù)是使運載工具運動所需的推進力與在軌道上的運載工具的重力之比。有時利用輪子作為減少這個力的方法，不過本發(fā)明可以使用無輪的運載工具。圖6顯示具有低摩擦行駛(或“滑行”)表面63的軌道，它貼近推進線圈64地支持運載工具。
[0071]用于無輪應(yīng)用的低摩擦例子包括在特氟龍上滑行的特氟龍和在不銹鋼上滑行的特氟龍。如果表面用薄膜潤滑，則可以得到較低的摩擦，但在許多應(yīng)用中這是不允許的，因此設(shè)計上都假定不帶潤滑。我們還希望表面具有好的耐磨性，所以例如可以在軌道上使用不銹鋼而在運載工具上使用特氟龍，以期望在鋼上的磨損可以忽略，而運載工具最終可能需要更換其滑行表面，這比更換軌道要便宜。圖3中的滑塊32顯示怎樣安裝低摩擦元件的例子。如果預(yù)期它們將會在運載工具到達其壽命終點之前就被磨損掉的話，它們可以被設(shè)計成可更改換的。
[0072]對于某些結(jié)構(gòu)cf可低至0.1，但較現(xiàn)實的值是0.15至0.2之間。因為這是一個比較高的值，最好不要讓推進力在運載工具上產(chǎn)生很大的向下力。使用鐵磁材料的典型LSM將施加4至6倍于推進力的吸力，而且運載工具在這么大吸力下可能無法運動，或者如果其確實在運動的話，將有很大的熱量和功率消耗一在這種情況下，可結(jié)合有輪子、軸承或其它滾動元件以使運載工具懸掛。
[0073]磁體陣列
[0074]有很多可以使用的磁體陣列，其中之一示于圖3。在這種結(jié)構(gòu)中有一塊中間磁體33 (在其下表面有南極)，同時其兩端有兩個半磁體34 (在其下表面有北極)。磁體一般使用NdFeB以獲得高磁場，但也可以使用其它的材料，例如陶瓷(當(dāng)要求成本或外部場必須很低時)或者釤鈷磁鐵(當(dāng)工作溫度很高時)。
[0075]一個設(shè)計考慮是相鄰運載工具磁體之間的相互作用。鐵磁件35可基本上防止相鄰運載工具磁場的相互干擾。
[0076]圖4顯示出Halbach陣列，它可用于需要較大的力而且所增加的成本可以接受的場合。使用這種結(jié)構(gòu)時磁場從一塊磁體到下一塊磁體是旋轉(zhuǎn)的，結(jié)果可產(chǎn)生比圖3中磁體結(jié)構(gòu)更高的推進力。鐵磁屏蔽43使得各相鄰運載工具磁場之間的相互作用最小化。
[0077]圖5顯示單個磁體，在它的端部用鐵磁材料提供回路從而提供全部磁通。這樣產(chǎn)生的力可能不那么大，但比多磁體結(jié)構(gòu)更便宜。
[0078]線件電機椎講
[0079]圖6顯示貼近軌道行駛表面63安裝的線圈64。在這些線圈內(nèi)的電流通過功率電子元件和微處理器獨立地控制，所以每個運載工具即使它與相鄰運載工具相互接觸也可以被單獨控制。
[0080]所舉實施例的特征是沒有鐵磁材料，這在LSM內(nèi)是普遍使用的以期獲得更高的效率。雖然沒有鐵磁材料我們達不到那么高的力，但可以將吸力限到推進力的很小一部分，因此即使摩擦系數(shù)在0.2量級或更高時，仍可有很強的加速和制動力使運載工具運動。
[0081]在使用以輪子為基礎(chǔ)的運載工具中摩擦力可以足夠小，以致可在定子內(nèi)使用某些鐵磁材料而獲得更高的推進力。
[0082]控制微處理器的軟件可能與用于具有幾個線圈長的塊體的LSM設(shè)計結(jié)構(gòu)的控制軟件相似。但是，這兒位置傳感元件定位得足夠近，即使運載工具間相互接觸，位置傳感元件仍可以識別單個運載工具。這樣的傳感系統(tǒng)有利于在軌道上相互獨立地控制運載工具的運動。此前的局部轉(zhuǎn)向的LSM示例已經(jīng)顯示，這個軟件不要求什么特別的特性。
[0083]安裝在印刷電路板h的線圈和棹制電路
[0084]所示實施例可以獨立地控制每個線圈而沒有與傳統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的花費。參照圖6，在所示的實施例中線圈62被直接安裝在印刷電路板(PCB)64上。該板支撐線圈并提供線圈和控制電流的功率電子模塊之間的連接。一般每個線圈與用來控制每個線圈中電流的大小和方向的MOSFET或IGBT器件的“H橋”的輸出相連接。這些部件都被安裝在同一塊PCB上。該PCB還包含一些霍爾效應(yīng)器件，利用它們來感應(yīng)運載工具產(chǎn)生的磁場并讓微處理器產(chǎn)生所需的力。圖7顯示隨著運載工具被線圈移動，用于推動運載工具的推進線圈中電流的典型波形圖。通過適當(dāng)?shù)剡x擇波形，幾個推進線圈可以協(xié)同工作以在運載工具上產(chǎn)生不變的力，而線圈中的功率消耗最小。用于制動時該電流的方向相反。
[0085]通過把線圈直接安裝在印刷電路板上并使用集成功率控制器，可以降低線圈和電子器件的成本。一個微處理器可以控制多個H橋，若線圈的間距為16mm左右，每米電機可以有一打以上的微處理器，同時這些電機控制器的工作必須用較高水平的“節(jié)點”控制器來協(xié)調(diào)。利用現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，對于低至中功率水平，這些元件可以全部被安裝在處于電機外殼內(nèi)的僅僅一或兩塊PCB上。
[0086]軌道樽塊
[0087]軌道是用模塊建成的，一如模型火車是用很多模塊搭成的。圖6，8-11和13分別顯示直段、90度水平轉(zhuǎn)彎、180度垂向曲線、右岔道換向、轉(zhuǎn)盤和垂向過渡段的例子。這些元件可以按各種不同的方式相互連接，以滿足多種不同應(yīng)用的需求。