一種能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置的制造方法
【專利說明】
[0001]【技術領域】
本發明涉及一種驅動裝置，具體涉及一種能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，屬于高精度定位設備技術領域。
[0002]【【背景技術】】
微結構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、細胞培養系統、內窺鏡和熱交換片等領域。3D微結構表面加工要求驅動器能同時滿足旋轉-直線二自由度、大行程和高定位精度的要求。因此，高性能驅動器的研究成為了 3D微結構表面加工技術的一個非常重要的研究方向。
[0003]目前，已有的驅動技術包括傳統電機驅動技術、壓電陶瓷驅動技術和超磁致伸縮驅動技術。傳統電機驅動技術采用直線電機和旋轉主軸單元疊堆的結構實現旋轉-直線二自由度運動。這種方法輸出位移較大，但由于動子質量大，在加工復雜3D微結構表面時存在定位精度低、運動速度慢、微型化困難、噪音大和驅動效率較低的問題。
[0004]隨著智能材料驅動技術的發展，采用基于壓電陶瓷(PZT)驅動的快速刀具伺服進給機構(Fast Tool Servo，簡稱FTS)來對微結構表面進行切削加工。這種方法具有響應速度快、定位精度高和結構緊湊等特點。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，且驅動電壓較高，不適合應用在防爆要求較高的環境。
[0005]超磁致伸縮執行器(GMA)通過施加磁場，利用磁致效應實現微位移驅動。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，超磁致伸縮驅動器具有較高的磁致伸縮應變、較低的驅動電壓、寬工作溫度范圍和無需電極非接觸驅動等優點。超磁致伸縮執行器(GMA)已經應用于銑削工藝的旋轉-直線驅動平臺中。該驅動平臺采用Terfenol-D超磁致伸縮材料，將GMA直接安裝在旋轉主軸上，通過線圈電流來控制軸向伸縮位移，調節線圈電流來改變磁致伸縮材料中的磁密，可以實現加工軸的旋轉-直線二自由度運動及軸向微位移調整。這種驅動方式應用于微結構表面加工時，仍存在以下不足:①無法實現大行程效率較低。驅動器采用線圈勵磁，由于Terfenol-D磁導率通常較低，這就需要較多的安匝數驅動，線圈中電流會產生熱損耗，引起溫升，影響驅動器性能，此外，在保持微位移輸出狀態下，不存在機械功率輸出，驅動器吸收的電能大多數消耗在線圈的電阻上，驅動器效率很低；③Terfenol-D需要預壓緊裝置，不易微型化。
[0006]因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創新的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，以克服現有技術中的所述缺陷。
[0007]【
【發明內容】
】
為解決上述技術問題，本發明的目的在于一種結構緊湊，具有宏微兩級驅動形式，采用永磁體為智能材料勵磁，能耗小的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置。
[0008]為實現上述目的，本發明采取的技術方案為:一種能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，其包括旋轉電機、旋轉主軸、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，所述旋轉電機通過旋轉主軸和直線軸連接；所述直線軸通過直線旋轉軸承支承于支架上；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；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；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。
[0009]本發明的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置進一步設置為:所述磁致伸縮材料為鐵鎵合金。
[0010]本發明的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置還設置為:所述永磁體的軸向充磁。
[0011]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
(1)本發明采用旋轉-直線二自由度運動一體化設計，結構緊湊，能實現單獨的旋轉運動、直線運動或螺旋運動，克服了傳統疊堆結構動子質量大，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構表面的加工精度；
(2)本發明采用宏微兩級驅動形式，兼具宏驅動行程范圍大和微驅動定位精度高的優點。宏驅動直接采用永磁直線電機驅動，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構表面的加工問題；
(3)本發明的微位移驅動具有很高的線性度，通過巧妙的勵磁機構設計，使得鐵鎵合金Galfenol工作在線性區域，比無勵磁機構驅動方式輸出的位移線性度更高，且該勵磁機械機構保證在主軸做軸向宏觀大位移運動時，勵磁磁場保持不變；
(4)本發明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，參數受溫度影響較小，有利于驅動器的穩定運行及精密控制。
[0012]【【附圖說明】】
圖1是本發明的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置的剖面圖。
[0013]圖2是本發明的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置進行直線移動后的剖面圖。
[0014]【【具體實施方式】】
請參閱說明書附圖1和附圖2所示，本發明為一種能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，其由旋轉電機1、旋轉主軸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。
[0015]其中，所述旋轉電機I通過旋轉主軸2和直線軸4連接，使旋轉電機I能夠驅動直線軸4旋轉。
[0016]所述直線軸4通過直線旋轉軸承11支承于支架3上，其能沿直線旋轉軸承10左右移動。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]所述磁致伸縮材料8抵接在直線軸4上，其能驅動直線軸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。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。
[0020]本發明的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置的工作原理如下:旋轉電機I通電后，旋轉主軸2產生旋轉運動；直線電機線圈7通電后產生的磁場，磁場透過定子鐵芯5與永磁體3的軸磁場相互作用，從而驅動直線軸4產生大行程直線運動；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產生微位移直線運動。而整個旋轉直線運動由直線旋轉軸承11支承，可以實現旋轉-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。
[0021]以上的【具體實施方式】僅為本創作的較佳實施例，并不用以限制本創作，凡在本創作的精神及原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創作的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，其特征在于:包括旋轉電機、旋轉主軸、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，所述旋轉電機通過旋轉主軸和直線軸連接；所述直線軸通過直線旋轉軸承支承于支架上；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；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；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所述的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，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所述的能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，其特征在于:所述永磁體的軸向充磁。
【專利摘要】本發明涉及一種能進行旋轉和直線二自由度運行的驅動裝置，包括旋轉電機、旋轉主軸、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；所述旋轉電機通過旋轉主軸和直線軸連接；所述直線軸通過直線旋轉軸承支承于支架上；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；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；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。本發明能實現旋轉-直線二自由度運行，采用一體化設計，具有宏微兩級驅動形式，結構緊湊，能耗小。
【IPC分類】H02K7/00, H02K41/06, H02K41/02, B81C1/00, H02N2/02
【公開號】CN105099063
【申請號】CN201510527758
【發明人】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11月25日
【申請日】2015年8月26日