真空机器人的磁感应式磁力传动器研究设计（可编辑）.doc

真空机器人的磁感应式磁力传动器研究设计 大连理工大学硕士学位论文真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计姓名:刘侃申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:丛明200912161大连理工大学硕士学位论文摘 要.磁力传动技术是通过磁性材料所产生同性相斥、异性相吸的磁力作用,来实现力或转矩无接触传递的一种新技术。由于磁力传动可以在传动的同时通过隔离套起到隔离密封的作用,可以考虑将它应用在制造业的真空机器人上,以保证制造业高洁净度和高真空度的要求。本文介绍了课题的选题背景及来源,在分析了国内、外真空机器人和磁力传动技术的研究和发展现状的基础上,阐明了课题的选题意义。主要研究内容围绕以下几个方面展开:首先,对研究的磁力传动器进行总体方案的设计。根据应用于真空机器人的性能要求,进行磁力传动器的结构选型;根据高真空环境的技术要求,采用磁感应式磁力生成方式,设计一种传递旋转运动的圆筒型磁感应式磁力传动器。然后根据确定的总体方案,对磁感应式磁力传动器进行参数化设计。在确定内、外磁极所选用磁性材料的基础上,对该磁力传动器进行磁路物理建模与数学建模,根据结构尺寸要求和已有各参数间的影响关系,确定磁路的关键参数。根据确定的关键参数,利用集总参数法、工程估算法以及有限元分析三种不同方法对设计的转矩进行估算。在完成磁路设计后,利用/软件对本磁力传动器进行三维实体建模与虚拟装配;验证无误后进行机械本体设计、零件选材;对关键部件的参数进行计算、校核,设计、加工出本磁力传动器机械本体;并根据加工出的本体结构特点搭建实验测试平台。实验测试平台的控制方案采用步进电机运动卡制卡机结合的方式,实现在不同转速下的运动控制,对磁感应式磁力传动器进行静、动态转矩测试。根据测试数据验证了理论计算方法的合理性后,得到了本磁力传动器在不同转速下的动态转矩传递特性及功率特性,确定其最佳工作状态。最后,对本磁感应式磁力传动器设计、加工制造以及实验测试过程中产生的问题和不足之处进行了讨论和分析;结合后续的研究方向,为下一步研究工作的进行提出了展挈。关键词:真空机器人;磁力传动;磁感应;转矩实验2真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计. .【. :.、加 . . . . / . . 、撕也 . . .一?3大连理工大学硕士学位论文 , .; ; ;4大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目:塑拯墨乏兹皇型燃堡丛麴叁茎丝笾:作者签名:?二乏弩星,二?一日期:坌丑年三月乏日5大连理工大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学,允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目:复垄童竺銎么翌釜笼慧丝蝴型鎏亟星墨鲎幽作者签名:查当蔓垒 日期:墨竺翌年?丝胡厶日导 师 签名 日期:盟也月生日:?二三卜一6大连理工大学硕士学位论文绪论.论文的选题背景及来源,年和仙童公司同时成功开发了世界第一块集成电路标志着时代正式开始。如今,世界半导体工业经过多年的发展壮大,已经到达亿美元以上的规模【】。半导体工业是电子工业的基础,传统工业材料的纯度大部分在%到.%。可是对于半导体工业,要提高到一个的纯度。因此半导体工业的产业链提高了系列工业的基础水平。在半导体工业中,要求低缺陷、高纯度、耐腐蚀,洁净等,代表了一个国家的工业技术的基础水平。世纪年代,特别是年代以后,产业快速发展【】,机械自动化技术被引入制造过程。产品的制造既离不开划片机、研磨机、抛光机、光刻机等单一工艺的制造设备,又离不开实现硅片在各个工艺之间传输和定位的硅片传输系统【】。硅片机器人是上述自动化传输系统的重要组成部分,可以实现硅片在不同工位之间的快速、高效和可靠的转移。真空机器人是硅片机器人的一种,与传统的工业机器人相比,它具有高速度、高精度、高稳定性的特点,并且需要在高洁净度与高真空度的环境下工作,传统的传动和密封方式很难达到真空机器人的高洁净度与高真空度的要求。伴随着对现代磁学的进一步研究,出现了磁力传动技术。磁力传动技术是利用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用,来实现力或转矩无接触传递的一种传动技术。将这种技术应用于真空机器人上,研究出适合在高洁净度与高真空环境下工作的磁力传动器,不仅可以替代传统的机械接触式联轴器,使轴在转动过程中不产生尘埃,而且可以完成转动轴的静密封,实现大气环境的气体、尘埃粒子向高洁净度和高真空环境的零泄漏【】,是实现真空机器人的动力从大气环境到高真空环境传递的关键技术。本课题“真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计来源于国家自然科学基金项目“面向制造的硅片机器人关键技术研究”和广东省教育部产学研结合项目“净化、真空机器人系列产品及关键技术的研发”。.真空机器人概述真空机器人是指工作在真空度低于巧的真空环境中的一种工业机器人,它是一种特殊的硅片机器人,主要应用于集束型 硅片机器人传输系统中。集束型硅片机器人传输系统是由真空机器人和光学预对准装置等组成。在这种传输系统中,几种工艺设备和硅片盒被放置于真空机器人周围的真空工作腔内,真空机器人通过编程示教和轨迹规划的控制方式完成对硅片的定位和在各个工艺之间的传输【。这种结7真空机器人的磁感窿式磁力传动器研究与设计构形式的优点是;结构紧凑、效率高田和污染小。图.所示为一种典型的集束型硅片机器人传输系统。真空机器人高真空环境霹低真空环境图.集柬型硅片机器人传输系统. 真空机器人在集柬型硅片机器人传输系统中工作时,由于其硅片传输手臂和末端执行器处于密闭的真空工作腔内,而包含动力输入的本体部分处于大气环境中,两部分之间需要有承压密封装置隔离,以保证工作腔内的高洁净度和高真空度要求。因此真空机器人在设计时即要满足净化环境的要求,同时也要考虑高真空条件的要求。如脱气、高温烘烤、散热等。与普通的硅片机器人相比,在动力传递,高速、高精度的传输定位控8大连理工丈学硕士学位论文制方法等方面,真空机器人都具有更高的要求,这使它的结构复杂程度大大增加。图.所示为一个典型的真空机器人结构图。鹦,/机械手臂真空环境彳身本图真空机器人结构. 、 真空机器人诞生于世纪、年代,至今已有余年的历史。国外的产业起步较早,制造技术发达,生产规模不断扩大,形成了成熟的市场,巨大的市场需求结合先进的工业机器人技术使得其真空机器人技术水平不断进步,产品的更新换代速度很快,日趋成熟。但是国内由于产业起步较晚,装备制造业水平较低,与国外相比,真空机器人的研究和发展水平也有很大的差距。国外真空机器人研究及发展现状在世纪年代.产业发展速度迅猛,越来越多的自动化装备被应用到制造过程中。国外的一些公司和研究机构开始积极地对真空机器人及其关键技术进行研究和开发,并取得了丰硕的成果。日本公司研发出真空步进电机、真空伺服电机、磁力编码器等,日本嗍啪公司开发出可应用于真空机器人的多系列运动控制卡咀及美国公司研发出可应用于真空机器人的直驱电机等。在年代后期,9真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计日本研制出可进行单级硅片检测、预对准、反向旋转、倾斜、并与各种各样双面硅片自动预对准台相匹配使用的超高精度硅片传输真空机器人。年代后期,随着硅片尺寸的不断扩大,加工生产工艺的不断提升,硅片生产线各道工序更集中,加工速度更快,工作环境更洁净,对真空机器人的速度、定位重复定位精度、可靠度及洁净度等提出了更高要求。而且由于硅片直径的增大,使得硅片的重量增加,因此真空机器人的承载能力及其传输硅片加速度控制的合理性等均需满足更高的要求。目前,日本、美国、德国、韩国及中国台湾等发达国家及地区的半导体制造装备公司及科研机构已经开展对英寸硅片传输真空机器人的研究,并申请了大批专利,很多成熟的真空机器人已批量生产,为真空机器人行业做出了巨大贡献。真空机器人自年问世以来,受到了国外很多公司的重视与研究。经过多年孤系列、的发展,至今已形成一系列技术成熟的产品,如公司的扣公司的系列、公司的系列等。图.为呦公司真空机器人】。该机器人是典型的.型单臂真空机器人,采用磁流体密封技术,重复定位精度可达±.咖,可传输英寸的硅片,可在真空度为.饥的环境下工作。电珂图. 公司卟一真空机器人盹 四图.为公司玎真空机器人【。该机器人是一种应用在集束型装备中的双臂真空机器人,可传输英寸硅片,而且采用了先进的磁流体密封技术,可工作在真空度为.×嘞的环境下。10大连理工大学硕士学位论文掌幽公刊真空机器人】 图.为公司的真空机器人“】。该机器人是典型的蛙腿式双臂真空机器人,采用电磁传动技术,实现静态密封,可传输英寸的硅片,向最大行程可达,采用基于技术的运动控制卡控制,减少手臂的振动,提高手臂的稳定性。嘎固 公司真空机器人.图.所示为公司最新研制的真空机器人叫。该机器人采用了直驱技术而且申请了三角形轴向驱动的专利。它可传输英寸的硅片,向最大行程选以上。与系列机器人不同,该真空机器人是方形蝴蝶式双臂真空机器人。真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计图.公司真空机器人.】 棚 除上述公司以外,还有美国的公司以及日本的公司等,都是具有代表性的真空机器人生产厂商。公司的真空机器人利用目前世界上最先进的技术,可以启动设备并能有效地平衡由有效载荷引起的偏差;而公司的真空机器人产品的特点是拥有曲线加速技术,使得传输更加平稳。图.和图.分别是这两家公司的最新产品。气釉豳 公司真空机器人四大连理工大学硕士学位论文麓二图.公司真空机器人. .国内真空机器人研究及发展现状国内制造产业起步较晚,加之装备制造业水平落后于发达国家,因此,用于制造产业的自动化装备的研究和开发水平与国外差距很大。而在面向制造业的硅片机器人的技术开发领域,国内开展的研究也很少。目前,应用在国内制造业硅片生产线上的自动化传输系统几乎全部从国外进口,而且国内的硅片加工设备在技术水平、稳定性、可靠性和自动化程度等方面都与国际先进水平有一定差距。国内年代研制的双面曝光机,其机械手用于直径英寸的硅片传输,先由人工上片至供片台,再由机械手完成从供片台到对准台的往返传送,该传输机构自动化性能较低,功能单一,虽然形成了产品化,但没有形成标准化、通用化和模块化。而在真空机器人的研发方面,目前只有大连理工大学现代制造技术研究所、沈阳新松机器人公司、哈尔滨工业大学等少数单位开展了关于真空机器人及其关键技术的研究我们课题组在国内较早地开展了硅片机器人技术的研究和开发工作,在真空机器人方面做了大量的基础理论及关键技术的研究,分别研制了一种净化机器人样机和型硅片传输机器人样机,并申请了专利。而针对于真空机器人的关键技术,分别从动、静密封两种方式出发进行研究,通过磁流体密封技术与磁力传动技术两种手段进行研发,实现真空机器人的密封技术。.磁力传动技术概述磁力传动技术是以现代磁学的基本理论,应用永磁材料或电磁铁产生的磁力作用,来实现力或转矩功率无接触传递的一种新技术。实现这一技术的装置称为磁力传动器,或称为磁力驱动器、磁力耦台器、磁力联轴器等。真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计磁力传动和机械传动的根本不同点,在于它向传动部件传递转矩时与液体或气体介质相接触的动力传送轴不与外界空间相连通,而是利用磁场透过磁路工作间隙或隔离套的薄壁传递转矩。与传统机械传动技术相比,磁力传动技术具有如下特点:可将轴传递动力的动密封转化为静密封,实现动力的零泄漏传递磁力驱动传递力或转矩,是利用磁场力作用特性而实现的。由于磁力驱动并不需要两个永磁体之间相对接触或连接,因此当主动件旋转或往复运动时,在磁场力的作用下即可带动从动件同时进行旋转或往复运动,而并不需要主动轴穿透容器壁来达到传递扭矩的目的,从而可实现动力传递过程的静密封,彻底做到零泄漏。可避免振动传递,实现工作机械的平稳运行由于主动件与从动件相互间无接触,不存在刚性连接问题,因此在主动件发生突变或振动时都不会直接传到从动件上。同时从动件发生突变或振动时同样也不会影响主动件的工作状态,从而可避免振动或突变的传递,实现工作机械的平稳运行。可实现工作机械运行中的过载保护由于主动件与从动件无刚性连接,当从动件负载突然增加超载过大时,两件之间可直接产生滑脱从而结束转矩的传递,不仅避免了从动件在不能进行正常工作时如主动轴抱死、扫膛等易被损坏的危险,同时也对主动部分机器起到了保护作用。与刚性联轴器相比较,安装、拆卸、调试、维修均较方便磁力传动式装置在结构上较为简便,主动件与从动件之间不直接接触,因此易于安装拆卸和维修,可以减小设备维护的难度和劳动强度,也可提高设备的工作效率。磁力驱动传递动力的运动方式多种多样磁力驱动传递动力时可作直线运动、旋转运动以及直线运动与旋转运动相结合的螺旋型复合运动。同时可以与不同机械结构相结合,从而实现三维空间的有序运动、其他一些运动方式或一定距离的位移及任意角度的定向运动。可净化环境,消除污染,实现文明生产环境保护是我国经济可持续发展的一项基本国策,在石油、化工、制药、海上油井作业、有色金属冶炼、湿法选矿、食品等危险行业的生产作业过程中,物料输送时应用磁力传动技术可完全避免有毒、有害、易燃、易爆、强酸、强碱等腐蚀性介质的泄漏,既保护了操作者的安全,又防止了对环境的污染。同时,应用磁力传动技术也不能忽略其存在的一些条件制约,以及需要进一步解决的技术难点:大连理工大学硕士学位论文首先,磁场的存在会干扰周围的环境,使某些应避免磁场干扰的仪器与设备的使用受到了限制。.其次,磁力传动器在启动过程中容易产生滞后。在启动运转过程中主动磁转子的磁转角与从动磁转子的磁转角存在转角差并随时间变化而变化,从而导致主、从动件之间产生错动,因此在应用于要求精确的设备时,需要用更加复杂精确的控制方法。同时也要看到,磁力传动器与接触式密封装置相比较,效率相对降低。这主要是因为在采用金属材料作为隔离套时,由于金属隔离套处于正弦交变磁场中,该磁场不但大小变化而且方向也发生变化,这种变化导致技术材料隔离套中在垂直于磁力线方向的截面上感应出涡流电流。这种涡流的产生,既能减弱工作磁场,降低传递转矩,又会产生涡流损失,并以热的形式释放能量,从而消耗主轴的一部分传递功率,降低传动效率。早在世纪年代,磁力传动技术就被人们所提出,但是当时对这一技术尚缺乏足够的认识,而且受到永磁材料发展局限性的制约,磁力传动技术发展很缓慢。直到世纪年代后期稀土永磁材料如稀土钴、钐钴和钕铁硼类的突破,促使磁力传动。技术得到了迅速发展与应用.国外磁力传动技术研究及发展现状国外磁力传动技术发展最快的是德、英、日、美等国家,起初主要应用于磁力驱动泵上【,。年英国人首次利用磁力驱动泵解决了具有危险性介质的泄漏问题,但在以后多年里磁力传动技术由于磁性材料的原因发展十分缓慢。年高性能钕铁硼永磁材料的问世,为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。年美国公司利用永磁传动技术实现了对风机水泵旋转负载进行调速,并将传递功率大大提高,进而大幅度提高了磁力传动的传动效率,全面提高了电机系统的可靠性,显著降低了系统的运行费用。国外学者】等人对应用于抽取生物流体的螺杆泵上的磁力传动器的传动力矩展开了研究,对三种不同极数耦合的磁力传动器模型进行了仿真,得出的四极耦合结构磁力传动器性能优良,满足应用要求。跟据资料检索,近年来国外有很多磁力传动技术应用的专利,涉及领域十分广泛。美国学者.”】将磁力传动技术应用于一台转速调节器上,实现了该设备的无级变设计了一速;.【】等人申请了一台应用磁力传动技术的液体搅拌釜;.种医疗探针,利用磁力传动器作为离合器实现了该探针的动力输出控制;.和.【】分别设计了两种不同的磁力泵,分别用来传输腐蚀液体与高压油;而.【】等人申请了一项运用磁力传动器来实现控制回路开关的电子计数器。一一真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计通过上述可见,与磁力传动技术起初仅应用于磁力泵和搅拌釜中相比,经过近年的发展,国外的磁力传动技术已经愈发成熟,应用范围已经扩展到各个领域。.国内磁力传动技术研究及发展现状国内对磁力传动技术的研究晚于国外的发达国家,起始于世纪年代,较早开展磁力传动研究的甘肃省科学院磁性器件研究所,已成功地研制了稀土钴磁力驱动器和磁力驱动泵的系列产品,某些方面己经达到国际先进水平。学者杨超君【等人研制了电磁感应式磁力驱动器,并总结了外转子的磁极对数、内转子的齿槽数、铜条截面积等因素对磁力驱动器传动性能的影响,同时有效地解决了内磁钢高温不可逆退磁问题,实现了无泄漏输送高温介质。目前国内很多化工泵和搅拌釜生产厂具备了全密封磁力传动的设计制造能力。浙江长城减速机有限公司在为浙江台州仙居清泉医药化工有限公司设计搅拌传动装置过程中,由于搅拌釜的工作压力达,传统的机械密封已经不能满足使用要求,经采用磁力传动密封设计,通过投产验证,具有很好的使用效果。至今为止,尽管国内对磁力传动技术开展了很多研究,但绝大多数只局限于磁力泵与搅拌釜等动力传递设备,应用范围较为狭窄。在自有知识产权的专利领域,几乎都是应用于磁力传动泵或搅拌釜等领域。经检索查新统计,国内目前并没有将磁力传动技术应用于真空机器人领域的文献或相关专利。因此,利用磁力传动技术起到隔离密封的作用,开发先进的基于磁力传动技术的真空机器人,不仅可以满足制造业、医药、食品工业等行业对高洁净和高真空度等特殊环境的要求,为磁力传动技术提供更广阔的应用前景,同时也可以提高我国工业机器人的自主知识产权水平。.选题意义及主要研究内容.。选题意义与传统工业机器人相比,真空机器人需要在高洁净、高真空环境下工作,真空度要满足一定等级的要求。为了满足这种高洁净度、高真空度的要求,传统的机械传动及密封方式已有局限性。磁力传动技术能够彻底解决动密封中的泄漏问题,开拓性的以静密封代替动密封成为其技术上的一项重大突破。它主要应用于真空,航天,医药,食品,科学实验和石油化工等特殊或高危领域。一方面是因为工作介质的纯度要求高,另一方面是出于所输送的剧毒,强腐蚀,易燃易爆等工作介质,对现场操作人员人身安全的危害,和对周围环大连理工大学硕士学位论文境的污染等因素的考虑。特别是第三代稀土永磁材料的出现,使磁性材料的性能得到大幅度地提高,这使得磁力传动有了突飞猛进的发展,逐渐应用到各个领域,并产生了许多新的技术,为特殊行业的实际工程提供了强有力的支持,具有极大的应用价值。虽然国内部分科研单位和高校已经开展对磁力传动技术的研究,但目前为止并没有关于将磁力传动技术应用于真空机器人方面的研究,也没有成熟的适应市场需求的成品出现。本课题将充分利用此机会,结合高校的科研优势,将磁力传动技术扩展到真空机器人领域,开发出一种低成本的动力传递性能良好的应用于真空机器人上的同轴型旋转运动磁力传动器,并以该磁力传动器为主体搭建测试平台从而对所设计的磁力传动器的性能进行验证,从而发现问题并解决问题,经过改进后达到产品化的目的,填补国内关于真空机器人密封方法领域的空白。.主要研究内容本课题主要是研究将磁力传动技术应用于真空机器人上,实现真空机器人静密封条件下的动力传输,同时满足真空机器人的传输定位精度要求和扭矩负载要求。具体研究内容如下:调研国内外真空机器人以及磁力传动技术,确定将磁力传动技术应用于真空机器人上的技术方案,进行原理分析以及总体的方案设计。在确定方案的基础上,对应用于真空机器人的磁力传动器进行数学建模,通过理论计算以及参数的优化分析,完成对磁力传动器的结构参数的确定。在参数确定的基础上,通过三种方法完成对动态工作特性及理论传递转矩的验证。利用对已经参数化的磁力传动器模型进行实体绘制,并将三维总装图拆分为可加工零件图,针对设计完成的图纸确定各部分零件加工工艺要求,完成机械本体加工。在本体加工完成后,搭建磁力传动器性能实验测试平台,完成对磁力传动器各性能参数的测定,对比之前的理论动态工作特性,检验设计的合理性与正确性。在总结实验结果的基础上提出改进意见以及未来的研究方向。.本章小结本章介绍了本论文的选题背景及来源,在综述了国内外真空机器人以及磁力传动技术研究进展和发展现状的基础上,总结了本课题的选题意义,并提出了论文的主要研究内容。真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计磁感应式磁力传动器的总体方案设计。磁力传动器设计要求由第章阐述的选题背景及来源可知,本课题是国家自然科学基金项目“面向制造的硅片机器人关键技术研究”的关键技术之一“磁力传动技术的研究”。项目中提出用一种磁力传动器来实现真空机器人的静密封,同时达到传递转矩的目的,设计要求具体如下:真空度:而磁场气隙:传递转矩:?.磁力传动器结构选型磁力传动器传递运动的方式可分为如下四种:可分为直线运动、旋转运动、复合运动以及其他一些特殊运动等【。直线运动式磁力传动器其结构示意如图.所示。当主动件作直线运动时,从动件也作直线运动,主动件为环状,设置在隔离套外侧,通常由外磁体、磁屏蔽、外罩、传动件等零件所组成。从动件也是环形,由内磁体、磁回路、紧固件、传动件等零件所组成。.?,?一?一一一?,。?,.,.?一.?,一.?外磁体内磁体隔离套传动轴图.直线运动式磁力传动器结构图 . 大连理工大学硕士学位论文旋转运动式磁力传动器结构如图.所示。当外磁转子通过电机作旋转运动时,内磁转子也随之作旋转运动,这种磁力传动器是主动件与从动件均由转轴、永磁体、隔离套、磁回路、轴承、轴承座等部件所组成。从动轴隔离套外磁转子外磁转子用永磁体内磁转子用永磁体作气隙内磁转子主动轴圈.旋转运动式磁力传动器结构图遮. 口咖咖叫复合运动式磁力传动器其结构较复杂,但外形基本上与直线运动式磁力传动器相接近。复合运动式磁力传动器主动件作直线加旋转的复合运动时。从动件同时也随之作复合运动。传递特殊运动的磁力驱动器也可采用电磁场与永磁磁场相结台的方法来实现。这种结构可将传递往复运动转变为传递间歇的旋转运动,可通过棘轮机构和电磁线圈相结合的方式实现。由于本设计真空机器人的动力传输方式是要在大气环境中将旋转运动传递到真空环境中,使真空机器人的手臂完成在真空环境中的旋转运动。由上述运动要求可知,本磁力传动器传递运动方案应采用旋转运动的方式。真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计而传递旋转运动的磁力传动器的结构形式又可分为以下两种:圆筒式和圆盘式”。结构如图 所示。曲圜盘式圆筒式趴动轴对隔离套外磁转子外碰转子用永磁体内碰转子用永磁件工作气隙内碰转子主动轴圈 旋转运动磁力传动器结构图咖鲫 其中图 为圆筒式磁力传动器,属于隔离套状磁圆环形结构;其径向磁路耦合面积大,传递旋转运动效率较高。图 为圆盘式磁力传动器,为两平面形结构,磁路耦台方式为轴向型耦舍,结构简单。本设计中,由于真空机器人的手臂负载要求较高,同时还需要达到较高的传动精度要求。圆盘式磁力传动器虽然结构简单,但是由于其传递径向旋转运动时容易产生滑脱,不利于旋转运动的精确控制,同时会产生轴向推、拉力,干扰径向的旋转运动;而圆筒式磁力传动器虽然结构复杂,但是由于其径向磁耦合面积大,增大了旋转运动的传递转矩,而且没有轴向推、拉力干扰。综上所述,本磁力传动器的结构采用圆筒式结构。大连理工大学硕士学位论文.磁力传动器磁力生成方式选择磁力传动器的磁力生成方式是指在传递动力或转矩的过程中,内、外磁转子的磁极之间形成相互作用的磁场力的途径。它主要有以下三种方式:永磁式、电磁式和磁感应式。永磁式是指内、外磁转子上的磁极都是永磁材料,利用内、外磁极的永磁体材料之间产生磁力作用,实现磁路的耦合达到传递力或转矩的目的。此种方式在传动时能传递的转矩较大,而且启动性能较佳,但受永磁材料物理性质的影响,使其在某些场合应用时受到限制。电磁式是指内、外磁转子上的磁极一个是永磁材料,而另一个为电磁铁或电磁线圈,利用电磁感应形成的磁场与永磁体磁场之间实现磁路耦合,形成相互作用的磁场力进而达到传递力或转矩的目的。采用此种方式的磁力传动器控制性能优良,具有很好的可控性,但由于结构复杂,对于制造与装配的要求都较高。磁感应式是指内、外磁转子上的磁极一个是永磁材料,而另一个为软磁材料,利用软磁材料在接近强磁场后被磁化从而形成感应磁场,与永磁材料的磁场之间耦合,形成相互作用的磁场力,从而达到传递力或转矩的目的。此种方式的磁力传动器的结构较为简单,启动性能较好,但由于受磁感应磁场强度较小的影响,传递力或转矩较小,不适合应用于大功率、高转矩的场合。由本磁力传动器的设计要求可知,本磁力传动器需要应用于真空机器人上,此真空机器人工作环境的真空度要达到而,即在高真空环境中工作。这就对本磁力传动器的磁力生成方式提出了特殊的要求。首先,用于高真空的磁力传动元件,与普通磁力传动的最大差别,就是位于真空环境的内磁转子不能使用永磁料而要以软磁材料取代。这是因为高真空设备在抽气过程中,都要采用烘烤除气工艺,如果内磁转子上带有永磁材料,会因烘烤温度超过其居里点而退磁失效,不得己只能使用不怕烘烤的软磁材料;而外磁转子在烘烤期间是可以从设备上拆下来的,因此不受影响。因此在真空机器人上使用的本磁力传动器不可以采用永磁式的磁力生成方式。其次,由于采用电磁式时,虽然可以将外磁转子上的磁力设计为电磁铁或电磁线圈,再将内磁转子上的磁极以软磁材料替换,可是由于使用电磁铁或电磁线圈会导致外磁转子的结构复杂,在达到相同气隙要求的情况下,隔离套的加工精度要求很高,包括其与真空密封处的机械连接也非常复杂。面作为磁感应式的磁力生成方式,虽然其传递转矩较低,但由于本磁力传动器的设计负载并不是很大,同时,利用磁感应式的方式可以大大简化其磁路的结构,使得加工真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计工艺性和经济性都大大提高,而且关键在于其内磁转子上应用软磁材料可以有效地避免高温烘烤后的退磁现象,解决本磁力传动器在高真空环境中应用的技术瓶颈。综上所述,本课题中应用于真空机器人的磁力传动器技术方案如下:采用旋转运动圆筒式结构,利用磁感应式磁力生成方式。其基本工作原理是基于当软磁材料靠近永磁材料的磁场时,会被感应磁化并受到吸引力作用这一现象【引。其具体结构是:在要求旋转运动传递的部位设置一个圆筒形静密封隔离套,将真空室内、外隔离,按照适宜磁路结构合理排列永久磁铁在隔离套外作旋转运动,套内对应位置的软磁材料受其吸引力作用也随之运动,并带动与之相联的部件,从而实现向真空室内的旋转运动传递。为充分利用磁能,提高传递转矩,降低元件体积和价格,永久磁铁的形状和排列方式都需精心设计,并用导磁材料组成闭合回路。结构原理示意图见图.。图中虚线所示的为磁通环路。传递旋转运动时,将磁力转轴的结构简单地串联在一起。图.旋转运动磁感应式磁力传动器结构.本章小结本章根据本课题的设计要求,进行了磁力传动器结构的选型和磁力生成方式的选择,最终确定了本磁力传动器的总体设计方案。大连理工大学硕士学位论文磁感应式磁路的参数设计与优化.磁性材料的选择.磁性材料的分类磁性材料主要由铁、镍、钴等元素及其合金组成,具有高导磁性、磁饱和性和磁滞性等特点。磁性材料按照成分可以分为金属型和非金属型两种;按照性能可分为软磁材料和硬磁材料两种【】。详细分类情况如表.所示:表.磁性材料的种类.信勉材料 磁记录材料、磁头材料、矩磁材料、磁泡材料、旋磁微波材料和磁光材料等特磁材料压磁材料、磁电阻材料、磁制冷材料、纳米强磁材料和复合强磁功能材料.磁性材料选取的注意事项磁路部分是本磁感应式磁力传动器设计的核心部分,合理的选取该磁力传动器所用的磁性材料,应该从以下三个方面出发考虑【】:根据设备的使用温度、腐蚀、振动、结构等技术及具体环境条件,选用不同的磁性材料,以满足技术与设计要求。研究磁力传动器在设备上启动、运转等状态特性,考虑优化设计选材、磁路以及使用过程的可靠性和安全系数。进行使用情况的技术分析,在满足设计要求的情况下合理地选用成本较低的磁性材料,做到既经济又实用。真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计.外磁转子磁极永磁材料的选取结合本设计磁力传动器的实际应用情况进行分析可知,外磁转子磁极安装在本真空机器人工作空间的外部,也就是大气环境中。在工作空间高真空环境抽真空后的高温烘烤过程中它可以连同外磁转子一起从设备上取下来,从而避免了因高温烘烤导致永磁材料退磁的问题。但同时也要考虑在工作时环境的温度变化,本真空机器人工作时的极限设计温度为,而在工作空间外部大气环境中的温度变化不大,且低于。由此可知,作为动力输入端的外磁转子的磁极可以选用高性能的永磁材料,高真空环境的温度影响对外磁转子的要求是所选永磁材料的工作温度应该高于。同时,在动力性能要求方面,本磁力传动器需要在相对较小的空间内传递相对较大的转矩。因此,用于传递输入转矩的外磁转子永磁材料应具备三个条件:一是要有高的最大磁能积。和剩余磁感应强度,这样才能得到工作时较大的磁场强度和磁转矩;二是要有高的矫顽力以,这样才不容易发生退磁现象;三是要有良好的温度稳定性【。在永磁材料的选择过程中一般应使永磁材料的居里温度高于工作时的极限温度。因为在低于居里温度时,永磁材料的剩磁随温度上升呈线性下降,其表达式如下:,占,出.其中,。是工作温度下永磁材料的表面剩磁,单位为;,是常温下磁性材料的表面剩磁,单位为;。,是剩磁可逆温度系数,单位为%/;是温升,单位为。而在达到居里温度后,永磁材料会产生退磁现象以至于失去磁性功能【。表.各种永磁材料的性能. 材料 最大磁能积心. 剩磁厂内禀矫顽力/.。 剩磁温度系数/%.。由上示永磁材料材料性能表中各种材料的综合比较,本磁力传动器中的外磁转子永磁材料应选取高性能的稀土永磁材料.或.。而由于传递大转矩的要求以及居里温度的限制,同时由于钐钴材料成本较高,价格约为同体积钕铁硼的三倍左右,所以,本设计选用稀土永磁材料的钕铁硼作为外磁转子上的外磁极的材料,初步选定具体型号为国内生产的烧结.?最大磁能积,工作温度:低于。大连理工大学硕士学位论文.内磁转子磁极材料的选取根据内磁转子的工作条件分析可知,本设计的内磁转子位于该真空机器人的工作空间内部,即位于高真空环境工作,因此,其内磁极的选材与外磁转子不同。首先,由于高真空环境为密闭洁净环境,在获得高真空环境时除了抽真空的工艺流程外还需要高温烘烤过程,烘烤温度会达到以上。因此,在此种工作温度下,永磁材料的退磁现象就会影响磁极的正常工作,必须选用既能够传导磁性,同时不怕高温的软磁材料。利用软磁材料与永磁材料感应形成磁场力时,对于所选用的软磁材料有如下要求:高的磁导率。这是要求该软磁材料对外乔磁场要有很高的灵敏度。低的矫顽力日.。要求该软磁材料既容易受外磁场磁化,又容易受外磁场或其他因素退磁,而且其磁滞回线窄,磁化功率和磁滞功率损耗小。高的饱和磁感应强度。要求在受外磁场磁化后具有较高的磁场强度,形成较大的磁场力以提高传递转矩。目前常见的几种软磁材料的磁性能如下表所示:表.各种软磁材料的性能.而这几种软磁材料根据使用功率的不同以及频率要求的不同等,其特性以及优、缺点比较则如下表所示:真空机器人的磁感应式磁力传动器研究与设计高饱和磁感应强度。.,较 导磁性能较低,中、高频损耗较大,在硅钢低的工频损耗和低廉的成本 要求较高的互感器及中、高频变压器领域的应用受到限制非晶合金 基、基、基非晶合金综合起来具有较优异的综合磁性能,但其中的每一种材料均不具备优异的综合磁性能纳米晶软磁合金具备优异的综合磁性能根据各种软磁材料的特点,从内磁转子应用条件出发考虑,由于传递相对较大转矩的要求,需要选用饱和磁感应强度大的材料,同时由于真空机器人的机械手臂的工作转速较低,因此要求内磁转子在低频条件下工作,而纳米晶软磁合金的价格十分昂贵,经济性较差,所以综合上述要求应选用硅钢系软磁材料作为该内磁转子的磁极材料。工业纯铁和含量分别不超过.%和.%作为一种典型的硅钢系软磁材料,其具有很高的饱和磁感应强度,可达.,同时具有较低的矫顽力,居里温度也很高,同时价格低廉,是一种常见的软磁材料,被广泛应用,其综合磁性能较好,因此本内磁转子的磁极材料就选用工业纯铁。.磁路的建模与参数确定.磁感应式磁路的配置方式磁力传动器磁路的配置方式及最佳磁路形式的研究设计是与永磁材料的发展密切相关的。在第二、第三代永磁材料没有问世之前,设计所采用的磁路配置方式如图.所示,这种单行间隙分散式的磁路形式的主要缺点是体积大、产生的磁力或磁转矩小、而且易于退磁,不适合工业应用【】。大连理工大学硕士学位论文门阿阿阿鹰图.单行间隙排列磁路的展开图 圈.单行紧密排列磁路的展开图. 心呲 . 随着第二代、第三代永磁材料研制成功,磁极材料间磁化强度的相互干扰已经大大减小,于是就出现了如图.所示的单行紧密排列的磁路配置方式。这种排列方式增强了磁场强度,提高了传递转矩的能力删。但是图.所示的磁体捧列方式由于、级的交替排列,在内、外磁转子都是永磁体传动时,容易在同一转子上形成回路从而造成部分磁通的浪费。为了克服这种缺点,避免单块永磁材料在宽度上的增大,又出现了如图.所示的单行聚磁排列的磁路配置