一種能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置的制造方法
【專利說明】
[0001]【技術領域】
[0002]本實用新型涉及一種驅(qū)動裝置，具體涉及一種能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，屬于高精度定位設備技術領域。
[0003]【【背景技術】】
[0004]微結(jié)構(gòu)表面是指面形精度可達亞微米級、表面粗糙度可達納米級、具有特定功能(如光學性能、粘附性、摩擦性、潤滑性、耐磨損性等)微小拓撲形狀的表面，廣泛應用于菲涅耳透鏡、硬盤表面、MEMS、細胞培養(yǎng)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡和熱交換片等領域。3D微結(jié)構(gòu)表面加工要求驅(qū)動器能同時滿足旋轉(zhuǎn)-直線二自由度、大行程和高定位精度的要求。因此，高性能驅(qū)動器的研究成為了 3D微結(jié)構(gòu)表面加工技術的一個非常重要的研究方向。
[0005]目前，已有的驅(qū)動技術包括傳統(tǒng)電機驅(qū)動技術、壓電陶瓷驅(qū)動技術和超磁致伸縮驅(qū)動技術。傳統(tǒng)電機驅(qū)動技術采用直線電機和旋轉(zhuǎn)主軸單元疊堆的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)-直線二自由度運動。這種方法輸出位移較大，但由于動子質(zhì)量大，在加工復雜3D微結(jié)構(gòu)表面時存在定位精度低、運動速度慢、微型化困難、噪音大和驅(qū)動效率較低的問題。
[0006]隨著智能材料驅(qū)動技術的發(fā)展，采用基于壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動的快速刀具伺服進給機構(gòu)(Fast Tool Servo，簡稱FTS)來對微結(jié)構(gòu)表面進行切削加工。這種方法具有響應速度快、定位精度高和結(jié)構(gòu)緊湊等特點。不足的地方是輸出行程小，不能承受較大的切向負載力和拉力，且驅(qū)動電壓較高，不適合應用在防爆要求較高的環(huán)境。
[0007]超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)通過施加磁場，利用磁致效應實現(xiàn)微位移驅(qū)動。最新的超磁致伸縮材料鐵鎵合金(Galfenol)，具有強度高、可焊接和可加工的優(yōu)點，能承受較大的負載切向力甚至是拉力。此外，超磁致伸縮驅(qū)動器具有較高的磁致伸縮應變、較低的驅(qū)動電壓、寬工作溫度范圍和無需電極非接觸驅(qū)動等優(yōu)點。超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)已經(jīng)應用于銑削工藝的旋轉(zhuǎn)-直線驅(qū)動平臺中。該驅(qū)動平臺采用Terfenol-D超磁致伸縮材料，將GMA直接安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，通過線圈電流來控制軸向伸縮位移，調(diào)節(jié)線圈電流來改變磁致伸縮材料中的磁密，可以實現(xiàn)加工軸的旋轉(zhuǎn)-直線二自由度運動及軸向微位移調(diào)整。這種驅(qū)動方式應用于微結(jié)構(gòu)表面加工時，仍存在以下不足:①無法實現(xiàn)大行程效率較低。驅(qū)動器采用線圈勵磁，由于Terfenol-D磁導率通常較低，這就需要較多的安匝數(shù)驅(qū)動，線圈中電流會產(chǎn)生熱損耗，引起溫升，影響驅(qū)動器性能，此外，在保持微位移輸出狀態(tài)下，不存在機械功率輸出，驅(qū)動器吸收的電能大多數(shù)消耗在線圈的電阻上，驅(qū)動器效率很低；③Terfenol-D需要預壓緊裝置，不易微型化。
[0008]因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，以克服現(xiàn)有技術中的所述缺陷。
[0009]【【實用新型內(nèi)容】】
[0010]為解決上述技術問題，本實用新型的目的在于一種結(jié)構(gòu)緊湊，具有宏微兩級驅(qū)動形式，采用永磁體為智能材料勵磁，能耗小的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術方案為:一種能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，其包括旋轉(zhuǎn)電機、旋轉(zhuǎn)主軸、支架、直線軸、定子鐵芯、永磁體、直線電機線圈、磁致伸縮材料、磁致伸縮線圈以及勵磁永磁體；其中，所述旋轉(zhuǎn)電機通過旋轉(zhuǎn)主軸和直線軸連接；所述直線軸通過直線旋轉(zhuǎn)軸承支承于支架上；所述定子鐵芯固持于支架上，其套設在直線軸上；所述直線電機線圈安裝于定子鐵芯內(nèi)；所述永磁體固持于直線軸上，其和定子鐵芯相對設置；所述磁致伸縮材料抵接在直線軸上；所述磁致伸縮線圈嵌設在定子鐵芯內(nèi)；所述勵磁永磁體設置在磁致伸縮材料和磁致伸縮線圈之間。
[0012]本實用新型的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置進一步設置為:所述磁致伸縮材料為鐵鎵合金。
[0013]本實用新型的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置還設置為:所述永磁體的軸向充磁。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下有益效果:
[0015]( I)本實用新型采用旋轉(zhuǎn)-直線二自由度運動一體化設計，結(jié)構(gòu)緊湊，能實現(xiàn)單獨的旋轉(zhuǎn)運動、直線運動或螺旋運動，克服了傳統(tǒng)疊堆結(jié)構(gòu)動子質(zhì)量大，運動速度慢且定位精度低的問題，有利于提高復雜三維微結(jié)構(gòu)表面的加工精度；
[0016](2)本實用新型采用宏微兩級驅(qū)動形式，兼具宏驅(qū)動行程范圍大和微驅(qū)動定位精度高的優(yōu)點。宏驅(qū)動直接采用永磁直線電機驅(qū)動，省去了中間機械傳動，減小了傳動誤差，可獲得較高的速度與加速度，軌跡誤差小，在高速下可獲得良好的定位精度，有利于解決大幅值微結(jié)構(gòu)表面的加工問題；
[0017](3)本實用新型的微位移驅(qū)動具有很高的線性度，通過巧妙的勵磁機構(gòu)設計，使得鐵鎵合金Galfenol工作在線性區(qū)域，比無勵磁機構(gòu)驅(qū)動方式輸出的位移線性度更高，且該勵磁機械機構(gòu)保證在主軸做軸向宏觀大位移運動時，勵磁磁場保持不變；
[0018](4)本實用新型采用壓力退火的鐵鎵合金Galfenol，無需預壓力夾緊裝置，更加易于微型化，且Galfenol工作溫度范圍較寬，參數(shù)受溫度影響較小，有利于驅(qū)動器的穩(wěn)定運行及精密控制。
[0019]【【附圖說明】】
[0020]圖1是本實用新型的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置的剖面圖。
[0021]圖2是本實用新型的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置進行直線移動后的剖面圖。
[0022]【【具體實施方式】】
[0023]請參閱說明書附圖1和附圖2所示，本實用新型為一種能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，其由旋轉(zhuǎn)電機1、旋轉(zhuǎn)主軸2、支架3、直線軸4、定子鐵芯5、永磁體6、直線電機線圈7、磁致伸縮材料8、磁致伸縮線圈9以及勵磁永磁體10等幾部分組成。
[0024]其中，所述旋轉(zhuǎn)電機I通過旋轉(zhuǎn)主軸2和直線軸4連接，使旋轉(zhuǎn)電機I能夠驅(qū)動直線軸4旋轉(zhuǎn)。
[0025]所述直線軸4通過直線旋轉(zhuǎn)軸承11支承于支架3上，其能沿直線旋轉(zhuǎn)軸承10左右移動。
[0026]所述定子鐵芯5固持于支架3上，其套設在直線軸4上。所述直線電機線圈7安裝于定子鐵芯5內(nèi)。
[0027]所述永磁體6固持于直線軸4上，其和定子鐵芯5相對設置。所述永磁體6的軸向充磁。
[0028]所述磁致伸縮材料8抵接在直線軸4上，其能驅(qū)動直線軸4進行微位移。在本實施方式中，所述磁致伸縮材料8為鐵鎵合金。所述磁致伸縮線圈9嵌設在定子鐵芯5內(nèi)。所述勵磁永磁體10設置在磁致伸縮材料8和磁致伸縮線圈9之間。
[0029]本實用新型的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置的工作原理如下:旋轉(zhuǎn)電機I通電后，旋轉(zhuǎn)主軸2產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動；直線電機線圈7通電后產(chǎn)生的磁場，磁場透過定子鐵芯5與永磁體3的軸磁場相互作用，從而驅(qū)動直線軸4產(chǎn)生大行程直線運動；當磁致伸縮線圈9通電后，改變勵磁永磁體10的勵磁磁場，進一步改變磁致伸縮材料8伸縮位移，進而使直線軸4產(chǎn)生微位移直線運動。而整個旋轉(zhuǎn)直線運動由直線旋轉(zhuǎn)軸承11支承，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)-直線二自由度的運動，同時直線位移可以做到大行程微位移。
[0030]以上的【具體實施方式】僅為本創(chuàng)作的較佳實施例，并不用以限制本創(chuàng)作，凡在本創(chuàng)作的精神及原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創(chuàng)作的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，其特征在于:包括旋轉(zhuǎn)電機、旋轉(zhuǎn)主軸、支架、直線軸、定子鐵芯、永磁體、直線電機線圈、磁致伸縮材料、磁致伸縮線圈以及勵磁永磁體；其中，所述旋轉(zhuǎn)電機通過旋轉(zhuǎn)主軸和直線軸連接；所述直線軸通過直線旋轉(zhuǎn)軸承支承于支架上；所述定子鐵芯固持于支架上，其套設在直線軸上；所述直線電機線圈安裝于定子鐵芯內(nèi)；所述永磁體固持于直線軸上，其和定子鐵芯相對設置；所述磁致伸縮材料抵接在直線軸上；所述磁致伸縮線圈嵌設在定子鐵芯內(nèi)；所述勵磁永磁體設置在磁致伸縮材料和磁致伸縮線圈之間。2.如權利要求1所述的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，其特征在于:所述磁致伸縮材料為鐵鎵合金。3.如權利要求1所述的能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，其特征在于:所述永磁體的軸向充磁。
【專利摘要】本實用新型涉及一種能進行旋轉(zhuǎn)和直線二自由度運行的驅(qū)動裝置，包括旋轉(zhuǎn)電機、旋轉(zhuǎn)主軸、支架、直線軸、定子鐵芯、永磁體、直線電機線圈、磁致伸縮材料、磁致伸縮線圈以及勵磁永磁體；所述旋轉(zhuǎn)電機通過旋轉(zhuǎn)主軸和直線軸連接；所述直線軸通過直線旋轉(zhuǎn)軸承支承于支架上；所述定子鐵芯固持于支架上，其套設在直線軸上；所述直線電機線圈安裝于定子鐵芯內(nèi)；所述永磁體固持于直線軸上，其和定子鐵芯相對設置；所述磁致伸縮材料抵接在直線軸上；所述磁致伸縮線圈嵌設在定子鐵芯內(nèi)；所述勵磁永磁體設置在磁致伸縮材料和磁致伸縮線圈之間。本實用新型能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)-直線二自由度運行，采用一體化設計，具有宏微兩級驅(qū)動形式，結(jié)構(gòu)緊湊，能耗小。
【IPC分類】B81C1/00, H02K41/02, H02K41/06, H02K7/00, H02N2/02
【公開號】CN204886524
【申請?zhí)枴緾N201520647250
【發(fā)明人】雷美珍, 王立強, 夏永明, 丁海波
【申請人】浙江理工大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月26日