专利名称：重载精密位移直线电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种电机技术领域的装置，具体地说，涉及的是一种 重载精密位移直线电机。
背景技术：
近些年来，电、磁致伸縮材料领域发展迅速，产生了如巨磁致伸縮材料、 压电陶瓷以及磁致伸縮形状记忆合金等新型的可用于精密驱动器、传感器和直 线电机研制的机敏材料，这些材料具有能量密度大，输出功率高，伸縮形变精 确等优点，但是基于这些类智能材料在研制精密直线电机中，由于靠材料伸縮 而产生的运动步距微小，这些伸縮量往往会被电机上所匹配的结构传递或连接 环节的间隙所抵消；使期望的智能材料伸縮步距不能被理想地传递出来，而最 终影响智能材料电机的精密位移效果；另一方面，对于智能材料，特别是如巨 磁致伸缩材料，其能量密度高，电-磁-机械转换效率高，输出应力大，应用在 如尺蠖运动直线电机的箝位机构上，具有能产生很大箝位力的潜力。但是，目 前即利用智能材料精密伸縮位移又能利用其大箝位力特征的直线电机却未见有 报道。
经对现有技术的检索发现，杨斌堂等在期刊《Journal of Micromechanics andMicroengineering》(英国皇家物理学会(IOP)微型力学与微型工程期刊， Vol.16 (2006) 1227 - 1232页)上发表的论文A magnetostrictive mini actuator for long-stroke positioning with nanometer resolution (微小 大行程纳米精度定位磁致伸縮直线驱动器/电机)，该直线电机的设计基于尺蠖 运动机理，由一个磁致伸縮机构和两个电磁铁机构，以及一个铁磁体平台组成； 利用磁致伸縮驱动产生直线位移，利用电磁铁吸力交替吸附于铁磁体台面产生 吸附的运动箝位力，而使整个机体产生直线运动。但是，该电机的箝位部分虽 然采用了 U型电磁铁可以产生双倍的箝位力，但箝位力较小，并且，由于箝位 机构箝位力的不足，箝位部件与台面在运动过程中有相对微小相对滑、窜动，以及磁致伸縮驱动部分和箝位部分连接的螺纹间隙都致使磁致伸縮部件产生的 精确位移被一定程度抵消或干扰，从而使驱动位移减小，驱动精确度受到影响， 驱动力不足。
实用新型内容
本实用新型针对上述现有技术的不足，提出了一种重载精密位移直线电机， 即可以带动大负载进行精确位移的直线电机，该电机采用三个伸縮机构，分别 作为尺蠖运动的运动伸缩机构及前、后箝位伸缩机构，并能够协调动作，实现 尺蠖运动。
本实用新型是通过如下技术方案实现的，本实用新型包括中间伸縮机构、 前卡紧机构、后卡紧机构、无间隙连接框架、刚性导轨。其中，中间伸縮机构、 前卡紧机构、后卡紧机构均为可伸縮的机构或材料体，无间隙连接框架为一个 刚性框架，将中间伸縮机构沿运动方向布置并紧固，前卡紧机构和后卡紧机构 布置在中间伸縮机构的两端并通过无间隙连接框架紧固，这样中间伸縮机构、 前卡紧机构、后卡紧机构通过无间隙连接框架连接固定成一个整体，同时，将 该整体置于刚性导轨之间，并且，无间隙连接框架上设有轴承，在对应中间伸 縮机构、前卡紧机构、后卡紧机构输出伸縮位移的框架位置处设有柔性结构铰 链。
所述前卡紧机构和后卡紧机构平行布置在中间伸縮机构的两端，前、后卡 紧机构平行方向与导轨长度方向垂直。
所述中间伸缩机构、前卡紧机构、后卡紧机构为一种受外部激励可产生伸 縮的机构或材料体，如磁致伸縮机构，压电伸縮机构、磁致形状记忆合金伸縮 机构，电、磁流变液体伸縮机构以及电磁铁、永磁铁伸缩机构等。中间伸缩机 构、后卡紧机构、前卡紧机构可为同种类伸縮机构或材料体，也可以为不同种 类的伸縮机构和材料体。
所述刚性导轨为槽型导轨或管型导轨。
所述无间隙连接框架可为单一材料体，通过线切割等特种加工方式加工制 成；或者，整个框架由于装配的需要，可为多个部件组装后紧固连接的整体。
本实用新型电机工作时，当导轨固定不动、整个尺蠖电机机体运动时，机 体向前运动一步的过程为1)尺蠖机体在自由释放状态下，外部激励后卡紧机
4构伸长，卡紧在刚性导轨中，2)中间伸縮机构伸长，并推动未被激励的前卡紧 机构向前移动，3)激励前卡紧机构伸长卡紧在刚性导轨中，此时后卡紧机构、 前卡紧机构及中间伸縮机构均为激励伸长状态；4)断开后卡紧机构的磁激励， 后卡紧机构收縮复原，与导轨脱离；5)断开中间伸縮机构激励，中间伸縮机构 收縮至复原，由于此时前卡紧机构卡紧于刚性导轨中，中间伸縮机构收縮时带 动后卡紧机构向前移动，移动量为中间伸縮机构收縮量；6)断开前卡紧机构激 励，前卡紧机构伸长收缩复原，并与刚性导轨脱离；至此整个机体向前移动一 步。重复以上动作，则可以将每一步位移累积，最终使机体形成大位移。
在整个运动过程中，无论是前后卡紧机构的伸縮还是中间伸縮机构的位移 都是通过对无间隙连接框架上的柔性铰链产生弹性变形，也就是说，这些所有 的位移都是在弹性力约束作用下的弹性变形伸縮，伸縮传递途径中没有任何间 隙环节，所以，无论是中间伸縮机构的伸缩量，还是前、后卡紧机构伸縮量都 被完全的传递，即前、后卡紧机构，特别是需要精确输出位移的中间伸縮机构 所产生的位移均能被精确呈现在运动方向上；同时，前或后卡紧机构伸长卡紧 在刚性导轨之间的卡紧摩擦力，由于无间隙连接框架上卡紧机构处铰链具有的 无任何间隙的传递效用，而使这种力完全传递到中间伸缩机构，并结合中间伸 縮机构的伸縮作动，带动负载。如果上述中间伸縮机构能够产生精密伸縮位移， 并且如果上述前、后卡经机构能够产生大的卡紧力，那么本实用新型电机具有 带动大负载产生精密长行程位移的能力。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果本实用新型充分利用了 伸縮变形机构或物体可以产生精确伸縮变形和大输出力的特性，结合尺蠖运动 机理将伸縮形变转化为大负载精密长行程移动性能；由于无间隙框架结构具有 在位移传递方向上无任何间隙，因此可以最大程度呈现精密变形机构或物体的 精确伸縮变形量，以及变形机构或物体的伸縮输出力；基于这些优点可以研制 出，新型的重载精密位移长行程直线电机。
图1是本实用新型的结构俯视图； 图2是本实用新型的结构前视图3是本实用新型中间伸縮机构或前、后卡紧机构伸縮示意图；图4是本实用新型无间隙连接框架结构及柔性铰链伸縮弹性变形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例作详细说明本实施例在以本实用新 型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但 本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-2所示，本实施例涉及的重载精密位移直线电机包括中间伸縮机 构l、前卡紧机构2、后卡紧机构3、无间隙连接框架4、刚性导轨5，其中中
间伸縮机构l、前卡紧机构2、后卡紧机构3的结构形式相同，均为一种可伸縮 的结构或材料体；无间隙连接框架4为一个一体化的刚性框架，能够将中间伸 缩机构1沿运动方向布置并紧固，以及将前卡紧机构2和后卡紧机构3在中间 伸縮机构1的两端平行布置并紧固，即无间隙连接框架4能够将中间伸缩机构1、 前卡紧机构2、后卡紧机构3连接固定成一个整体；同时，该整体置于刚性导轨 5之间，前、后卡紧机构2、 3的平行方向与导轨5的长度方向垂直。并且，无 间隙连接框架4上在对应中间伸縮机构1、前卡紧机构2、后卡紧机构3需要输 出位移的相应无间隙连接框架4的结构位置处制有柔性铰链9、 7、 8。
本实施例中，在无间隙连接框架4的两端与前、后卡紧机构2、 3连接部分 分别有一体化连接螺母12、 11;在无间隙连接框架4中部与中间伸縮机构1连 接的部分有一体化横梁13，并且横梁13中部开有与中间伸縮机构1的两端紧固 连接的螺纹孔。
本实施例中，整个无间隙连接框架4包括其上的柔性铰链7、 8、 9，以及一 体化连接螺母ll、 12可为单一材料体，通过合理的加工工序和如铣削、线切割 等加工方式加工制成。
本实施例中，为便于安装，横梁13也可以是无间隙连接框架4的分离部件， 将中间伸縮机构l、前卡紧机构2、后卡紧机构3在无间隙连接框架4上装配好 后，再将横梁13和框架4主体通过螺钉、销钉或焊接的方式完全紧固，组后所 有螺纹连接处均用胶再次粘接，以求完全紧固，无任何连接间隙。然后在制成 的轴承预留孔中安装支撑机体移动的滚动支撑轴承10，完成整个机体的装配， 最后将机体放入刚性导轨5中间，导轨5中间的间距与前卡紧机构2、后卡紧机 构3处的宽度要求吻合，尺寸配合精确，配合间隙要小于卡紧机构的可伸縮量。本实施例中，中间伸縮机构l、前卡紧机构2、后卡紧机构3均采用巨磁致 伸縮驱动器。这种驱动器在磁场激励下可产生伸长，在撤销激励后会收缩复原。 中间伸縮机构l、前卡紧机构2、后卡紧机构3的伸縮控制通过电磁信号可方便 实现。
如图3、 4所示，电机工作时，当整个尺蠖电机机体放入刚性导轨5，且刚 性导轨5固定不动，整个尺蠖电机机体运动向前运动一步的过程为
1) 尺蠖机体在自由释放状态下，后卡紧机构3受外部磁场激励伸长，后卡 紧机构3将推动柔性铰链8向外弯曲(如图3虚线所示)， 一体化连接螺母11 外扩(如图4虚线所示)，并卡紧在刚性导轨5中；
2) 对中间伸縮机构l激励伸长，至使横梁13受力而传递至柔性铰链9，并 迫使其变形(如图4虚线所示)，此时由于后卡紧机构3处于卡紧状态，中间伸 縮机构1的伸长量将最终传递至尚未受激励的前卡紧机构2，被推动向前移动；
3) 激励前卡紧机构2伸长而致使一体化螺母12卡紧在刚性导轨5中，此 时后卡紧机构3、前卡紧机构2及中间伸縮机构1均为激励伸长状态；
4) 断开后卡紧机构3的磁激励，后卡紧机构3伸长收縮复原，连带一体化 螺母ll与刚性导轨5脱离；
5) 断开中间伸縮机构l激励，中间伸縮机构收縮至复原，由于此时前卡紧 机构2卡紧于刚性导轨5中，中间伸缩机构1收縮时，柔性铰链9弹性变形回 复带动(后)横梁13进而带动后卡紧机构3向前移动，移动量为中间伸縮机构 1的收縮量；
6) 断开前卡紧机构2激励，前卡紧机构2伸长收縮复原，并使前一体化螺 母12与导轨脱离；至此整个机体向前移动一步。
重复以上过程，则可以将每一步位移累积，最终使机体形成大位移。由于， 在整个运动过程中，无论是前、后卡紧机构2、 3的伸縮还是中间伸縮机构1的 位移都是通过对无间隙连接框架4上的柔性铰链7、 8、 9产生弹性变形，也就 是说，这些所有的位移都是在弹性力约束作用下的弹性变形伸縮，伸縮位移传 递途径中没有任何间隙环节，所以，无论是中间伸縮机构1的伸縮量，还是前、 后卡紧机构2、 3的伸縮量都被完全的传递，即前、后卡紧机构2、 3，特别是需 要精确输出位移的中间伸縮机构l所产生的位移均能被精确传导；同时，前或后卡紧机构2或3伸长卡紧在刚性导轨5之间的卡紧摩擦力，由于一体化无间 隙连接框架4无任何间隙的传递效用，而使这种力完全传递到中间伸缩机构1， 并由中间伸缩机构1的伸缩作动，最终带动负载。如果上述中间伸縮机构1能 够产生精密伸缩位移，并且如果上述前、后卡紧机构2、 3能够产生大的卡紧力， 那么本实施例所述的这种机构的尺蠖运动直线电机具有带动大负载产生精密长 行程位移的能力。
对于如巨磁致伸縮材料驱动的伸长机构1可产生微米甚至纳米精度的精密 变形位移，而巨磁致伸缩材料驱动的卡紧机构2或3可以产生大约25 MPa的输 出应力。对于采用一根由25X100 mm巨磁致伸縮棒体制成的中间伸长机构1或 卡紧机构2、 3，在40000 A/m磁场强度激励下可产生每步约100m的伸长量，约 2000 N的驱动力。也即所陈述实用新型重载精密位移直线电机，具有单步产生 100m,可带动2000X2X0.2 = 800 N (其中0.2为通常导轨接触面间的摩擦 系数，2考虑同时为两个接触摩擦面产生摩擦力)。如果施加每秒10步的激励信 号为，那么理想情况下，该电机将会推动约80公斤的负载产生lmm/s的速度的 运动。并且，根据运动精度的需要，可以通过电磁场强度控制单步伸縮在亚微 米/纳米级，从而实现重负载精密移动。
权利要求1、一种重载精密位移直线电机，包括中间伸缩机构、前卡紧机构、后卡紧机构、无间隙连接框架、刚性导轨，其特征在于所述中间伸缩机构、前卡紧机构、后卡紧机构均为可伸缩的机构或材料体，无间隙连接框架为一个刚性框架，将中间伸缩机构沿运动方向布置并紧固，前卡紧机构和后卡紧机构布置在中间伸缩机构的两端并通过无间隙连接框架紧固，这样中间伸缩机构、前卡紧机构、后卡紧机构通过无间隙连接框架连接固定成一个整体，该整体置于刚性导轨之间，并且无间隙连接框架上设有轴承，在对应中间伸缩机构、前卡紧机构、后卡紧机构输出伸缩位移的框架位置处设有柔性结构铰链。
2、 根据权利要求l所述的重载精密位移直线电机，其特征是，所述前卡紧 机构和后卡紧机构平行布置在中间伸缩机构的两端，前、后卡紧机构平行方向 与导轨长度方向垂直。
3、 根据权利要求1或者2所述的重载精密位移直线电机，其特征是，所述 在无间隙连接框架的两端与前、后卡紧机构连接部分分别设有一体化连接螺母， 无间隙连接框架中部与中间伸縮机构连接的部分有一体化横梁，并且该横梁中 部设有与中间伸缩机构的两端紧固连接的螺纹孔。
4、 根据权利要求1或者2所述的重载精密位移直线电机，其特征是，所述中间伸縮机构、后卡紧机构、前卡紧机构为受外部激励可产生伸縮的机构或材 料体，为磁致伸縮机构、压电伸縮机构、磁致形状记忆合金伸縮机构，电、磁 流变液体伸縮机构以及电磁铁、永磁铁伸縮机构中任意一种。
5、 根据权利要求l所述的重载精密位移直线电机，其特征是，所述刚性导轨为槽型导轨或管型导轨。
专利摘要本实用新型涉及一种机电技术领域的重载精密位移直线电机，包括中间伸缩机构、前后卡紧机构、无间隙连接框架、刚性导轨，中间伸缩机构、前后卡紧机构均为可伸缩的机构或材料体，无间隙连接框架将中间伸缩机构沿运动方向布置并紧固，前后卡紧机构布置在中间伸缩机构的两端并通过无间隙连接框架紧固，中间伸缩机构、前后卡紧机构通过无间隙连接框架连接固定成一个整体，该整体置于刚性导轨之间，无间隙连接框架上设有轴承，在对应中间伸缩机构、前后卡紧机构输出伸缩位移的框架位置处设有柔性结构铰链。本实用新型可最大程度呈现精密变形机构或物体的精确伸缩变形量，以及变形机构或物体的伸缩输出力。
文档编号H02N2/06GK201378807SQ20092006979
公开日2010年1月6日 申请日期2009年4月2日 优先权日2009年4月2日
发明者光 孟, 杨斌堂 申请人:上海交通大学