CN116092769A - 一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构 - Google Patents

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凌文斌
张湧颀
金成刚
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Abstract

一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，属于机械传动技术领域。所述调节机构包括球铰、摇摆动作组件、平移驱动组件、滑轨及底座；所述球铰与磁体相连接，负责支撑磁体以及提供转动的支点；所述摇摆动作组件固定于滑轨平台上，起到支撑、约束磁体以及提供定轴转动驱动力的作用；所述平移驱动组件位于两道滑轨中间；所述滑轨和底座位于整个机构的最底端，提供整个机构的支撑和平移方向的约束。本发明可以根据等离子体模拟实验的需要，通过球铰结构和滑轨机构的组合使偶极线圈实现三个15°的转动自由度和一个移动自由度。该机械调节结构可以在高真空和强电磁冲击环境中稳定运行，结构紧凑，集成度高，调节机构互相独立，运行可靠稳定。

Description

一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构
技术领域
本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构。
背景技术
在空间等离子体环境的模拟装置中，磁体是提供约束和驱动等离子体的背景磁场的重要组件。为了模拟出最符合实际的磁场位形，需要对磁体的姿态与磁体间的相对位置做出调整。特别地，对于模拟地球磁场的偶极场线圈，最少需要三个15°的转动自由度才能满足其姿态调节的需求，又考虑到磁体之间相对位置的调整，则空间等离子体环境模拟装置中的磁体至多需要四个自由度。而偶极场线圈重达2吨，所以其姿态调整机构还应具备良好的支撑效果。另外，在高真空环境中，磁体的姿态和位置调节机构还会承受强电磁干扰和电磁冲击，所以对其结构设计和组成部件均具有一定的要求。如运动驱动组件需要采用无油、抗电磁干扰能力强的器件、所有材料的表面放气率不应过大、机构的强度要足以承受磁体之间的相互作用力等。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前没有合适的机构用于空间等离子体环境模拟的问题，提供一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，该机构通过三个电动长支撑机构实现磁体以中心球铰在任意角度的姿态调整；通过一个电动传动机构实现磁体机构在轴向的平移，实现了磁体三个转动自由度的姿态调整和一个平动自由度的位置调整，满足空间等离子体环境模拟对偶极场线圈的姿态和轴向相对位置的调节要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，所述调节机构包括球铰、摇摆动作组件、平移驱动组件、滑轨及底座；
所述球铰与磁体相连接，负责支撑磁体以及提供转动的支点；
所述摇摆动作组件固定于滑轨平台上，起到支撑、约束磁体以及提供定轴转动驱动力的作用；
所述平移驱动组件位于两道滑轨中间；
所述滑轨和底座位于整个机构的最底端，提供整个机构的支撑和平移方向的约束。
进一步地，所述球铰包括球头、轴瓦和十字架，拥有三个转动自由度；
所述球头的一端通过轴瓦与十字架连接，另一端通过变径法兰接头与立柱连接固定；所述十字架通过端部法兰与线圈固定，在法兰处焊接有固定座，用于与摇摆动作组件连接。
球头的直径为φ100mm，安装在轴瓦中，限制十字架的三个平动自由度，而不限制三个转动自由度。十字架通过顶端法兰安装在偶极线圈内圈，可以通过改变十字架的尺寸适应不同内径和形状的线圈。
进一步地，所述球头和十字架的材质为低磁导率不锈钢，所述轴瓦的材质为黄铜或青铜。
进一步地，所述摇摆动作组件包括电动缸和立柱；
所述立柱负责提供支撑，其一端通过变径法兰与球铰连接，另一端为方形的立柱底座，螺栓固定在滑轨平台上；
所述立柱外壁上固定有电动缸，其两端采用关节轴承连接在立柱和球铰的十字架端部上。
摇摆动作组件主要负责提供线圈支撑球铰十字架两个方向转动的驱动和绕竖直转动方向的约束。立柱内部中空(外径φ377mm，壁厚10mm，高1930mm)，可在其壁面上打孔用于磁体和电动缸的供电线缆铺设。
进一步地，所述电动缸采用丝杠传动的方式，具体地，所述电动缸驱动电机与电动缸减速器组装后通过连轴器与电动缸丝杠相连，在电动缸驱动电机启动时，电动缸丝杠的旋转运动会驱动电动螺纹套直线运动，从而带动十字架绕球头的转动。
电动缸两端为关节轴承，一端通过螺栓固定在十字架的端部固定座，可实现对线圈的姿态调整，另一端固定在立柱的外壁上。根据需求，机构共需要提供三个转动自由度，所以需要采用三个电动缸对十字架进行约束，按照如图1所示的方式安装，可以实现对线圈姿态的调节。
进一步地，所述平移驱动组件包括电机、减速机、T型螺纹丝杠和钛合金柔性轴套；
所述T型螺纹丝杠两端的轴承为推力圆柱滚子轴承，一端的轴承固定在底座上，另一端的轴承与减速器和电机相连接；
所述T型螺纹丝杠的螺母与柔性轴套相连；所述柔性轴套通过连接件与滑轨平台相连。通过控制电机驱动T型螺纹丝杠的转动，转动力随即通过钛合金柔性轴套传递到滑轨平台上，从而实现偶极线圈相对位置的调节。钛合金柔性轴套主要用来减小丝杠螺母与丝杠之间的摩擦力，并缓冲丝杠所受到的瞬时冲击载荷。
进一步地，所述调节机构还包括与滑轨配合的滑块和滑轨平台；
固定立柱的所述滑轨平台与滑块固定连接，所述滑轨与底座通过六角螺栓固定连接。
所述的滑轨及底座主要负责提供一个运动方向的自由和整个机构的支撑，机构对该部分的强度要求较大，所以滑轨和滑块均采用全金属的GCr15材质轴承钢，并在底座两侧设置加强筋来增加其屈服强度。两条滑轨固定在底座上，两侧滑轨各滑动连接两个滑块，通过螺栓将滑轨平台固定在滑块上。
进一步地，所述底座为工字型，两侧设置有加强筋，底座下部两侧设计有孔位，用于与地脚和穿仓件连接固定。
进一步地，所以滑轨和滑块均采用全金属的GCr15材质轴承钢。
本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明可以根据等离子体模拟实验的需要，对偶极场线圈的姿态和相对位置进行调整，通过球铰结构和滑轨机构的组合使偶极线圈实现三个15°的转动自由度和一个移动自由度。该机械调节结构可以在高真空和强电磁冲击环境中稳定运行，结构紧凑，集成度高，调节机构互相独立，运行可靠稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为球铰示意图；
图3为摇摆动作组件示意图；
图4为平移驱动组件示意图；
图5为滑轨与底座示意图；
图6为底座示意图(俯视图、仰视图和左视图)；
图7为轴瓦示意图；
其中，1-球铰，2-变径法兰接头，3-立柱，4-电动缸，5-滑轨平台，6-滑轨，7-滑块，8-T型螺纹丝杠，9-推力圆柱滚子轴承，10-减速器，11-电机，12-底座，13-十字架，14-轴瓦，15-球头，16-关节轴承，17-电动缸螺纹套，18-电动缸丝杠，19-电动缸驱动电机，20-电动缸减速器，21-立柱底座，22-连轴器，23-滚珠丝杠轴承，24-柔性轴套，25-T型螺纹丝杠螺母。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中涉及的技术方案进行详细的描述，特别的，本实施例并非本发明全部实施例，与本领域相关的、基于本发明中的实施例的、非创造性的其他实施例，均属于本发明的保护范围。
磁体是等离子体实验模拟中提供背景磁场的必要组件。对于地球磁场的模拟，也称作偶极场，最少需要三个转动自由度，以符合实际地磁场的位形。而复杂空间等离子环境的模拟，还需对磁体之间的相对位置进行调整，所以需要增加一个平动自由度，共有四个自由度。
实施例1：
一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，如图1～7所示，所述调节机构包括球铰1、摇摆动作组件、平移驱动组件、滑轨6及底座12；所述球铰1与磁体相连接，负责支撑磁体以及提供转动的支点；所述摇摆动作组件固定于滑轨平台上，起到支撑、约束磁体以及提供定轴转动驱动力的作用；所述平移驱动组件位于两道滑轨6中间；所述滑轨6和底座12位于整个机构的最底端，提供整个机构的支撑和平移方向的约束。
所述球铰1包括球头15、轴瓦14和十字架13，拥有三个转动自由度；所述球头15的一端通过轴瓦14与十字架13连接，另一端通过变径法兰接头2与立柱3连接固定；所述十字架13通过端部法兰与线圈固定，在法兰处焊接有固定座，用于与摇摆动作组件连接。球头15的直径为φ100mm，安装在轴瓦14中，限制十字架12的三个平动自由度，而不限制三个转动自由度。十字架12通过顶端法兰安装在偶极线圈内圈，可以通过改变十字架12的尺寸适应不同内径和形状的线圈。所述球头15和十字架13的材质为低磁导率不锈钢，所述轴瓦14的材质为黄铜或青铜。
所述摇摆动作组件包括电动缸4和立柱5；所述立柱5负责提供支撑，其一端通过变径法兰与球铰1连接，另一端为方形的立柱底座21，螺栓固定在滑轨平台5上；所述立柱5外壁上固定有电动缸4，其两端采用关节轴承16连接在立柱5和球铰1的十字架13端部上。摇摆动作组件主要负责提供线圈支撑球铰十字架两个方向转动的驱动和绕竖直转动方向的约束。立柱3内部中空(外径φ377mm，壁厚10mm，高1930mm)，可在其壁面上打孔用于磁体和电动缸的供电线缆铺设。所述电动缸4采用丝杠传动的方式，具体地，所述电动缸驱动电机19与电动缸减速器20组装后通过连轴器与电动缸丝杠18相连，在电动缸驱动电机19启动时，电动缸丝杠18的旋转运动会驱动电动螺纹套17直线运动，从而带动十字架13绕球头15的转动。电动缸4两端为关节轴承16，一端通过螺栓固定在十字架13的端部固定座，可实现对线圈的姿态调整，另一端固定在立柱3的外壁上。根据需求，机构共需要提供三个转动自由度，所以需要采用三个电动缸对十字架进行约束，按照如图1所示的方式安装，可以实现对线圈姿态的调节。
所述平移驱动组件包括电机11、减速机10、T型螺纹丝杠8和钛合金柔性轴套24；所述T型螺纹丝杠8两端的轴承为推力圆柱滚子轴承9，一端的轴承固定在底座12上，另一端的轴承与减速器10和电机11相连接；所述T型螺纹丝杠8的螺母25与柔性轴套24相连；所述柔性轴套24通过连接件与滑轨平台5相连。通过控制电机11驱动T型螺纹丝杠8的转动，转动力随即通过钛合金柔性轴套24传递到滑轨平台5上，从而实现偶极线圈相对位置的调节。钛合金柔性轴套24主要用来减小丝杠螺母25与丝杠之间的摩擦力，并缓冲丝杠所受到的瞬时冲击载荷。
所述调节机构还包括与滑轨6配合的滑块7和滑轨平台5；固定立柱的滑轨平台5与滑块7固定连接，所述滑轨6与底座12通过六角螺栓固定连接。所述的滑轨6及底座12主要负责提供一个运动方向的自由和整个机构的支撑，机构对该部分的强度要求较大，所以滑轨6和滑块7均采用全金属的GCr15材质轴承钢，并在底座12两侧设置加强筋来增加其屈服强度。两条滑轨6固定在底座上，两侧滑轨各滑动连接两个滑块7，通过螺栓将滑轨平台5固定在滑块上。所述底座12为工字型，两侧设置有加强筋，底座下部两侧设计有孔位，用于与地脚和穿仓件连接固定。所以滑轨6和滑块7均采用全金属的GCr15材质轴承钢。

Claims (9)

1.一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述调节机构包括球铰(1)、摇摆动作组件、平移驱动组件、滑轨(6)及底座(12)；
所述球铰(1)与磁体相连接，负责支撑磁体以及提供转动的支点；
所述摇摆动作组件固定于滑轨平台上，起到支撑、约束磁体以及提供定轴转动驱动力的作用；
所述平移驱动组件位于两道滑轨(6)中间；
所述滑轨(6)和底座(12)位于整个机构的最底端，提供整个机构的支撑和平移方向的约束。
2.根据权利要求1所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述球铰(1)包括球头(15)、轴瓦(14)和十字架(13)，拥有三个转动自由度；
所述球头(15)的一端通过轴瓦(14)与十字架(13)连接，另一端通过变径法兰接头(2)与立柱(3)连接固定；所述十字架(13)通过端部法兰与线圈固定，在法兰处焊接有固定座，用于与摇摆动作组件连接。
3.根据权利要求2所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述球头(15)和十字架(13)的材质为低磁导率不锈钢，所述轴瓦(14)的材质为黄铜或青铜。
4.根据权利要求2所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述摇摆动作组件包括电动缸(4)和立柱(5)；
所述立柱(5)一端通过变径法兰与球铰(1)连接，另一端为立柱底座(21)，固定在滑轨平台(5)上；
所述立柱(5)外壁上固定有电动缸(4)，其两端采用关节轴承(16)连接在立柱(5)和球铰(1)的十字架(13)端部上。
5.根据权利要求4所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述电动缸(4)采用丝杠传动的方式，具体地，所述电动缸驱动电机(19)与电动缸减速器(20)组装后通过连轴器(22)与电动缸丝杠(18)相连，在电动缸驱动电机(19)启动时，电动缸丝杠(18)的旋转运动会驱动电动螺纹套(17)直线运动，从而带动十字架(13)绕球头(15)的转动。
6.根据权利要求1所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述平移驱动组件包括电机(11)、减速机(10)、T型螺纹丝杠(8)和柔性轴套(24)；
所述T型螺纹丝杠(8)两端的轴承均为推力圆柱滚子轴承(9)，均固定在底座(12)上，其中一个轴承与减速器(10)和电机(11)相连接；
所述T型螺纹丝杠(8)的螺母(25)与柔性轴套(24)相连；所述柔性轴套(24)通过连接件与滑轨平台(5)相连。
7.根据权利要求1所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述调节机构还包括与滑轨(6)配合的滑块(7)和滑轨平台(5)；
所述滑轨平台(5)与滑块(7)固定连接，所述滑轨(6)与底座(12)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所述底座(12)为工字型，两侧设置有加强筋，底座下部两侧设计有孔位，用于与地脚和穿仓件连接固定。
9.根据权利要求7所述的一种高真空下抗电磁冲击的大型磁体多自由度调节机构，其特征在于：所以滑轨(6)和滑块(7)均采用全金属的GCr15材质轴承钢。
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