专利名称：粗-精复合驱动精密位姿调整装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械工程技术领域的装置，具体是一种位移精密调整 驱动装置。
背景技术：
近些年来，电、磁致伸缩材料领域发展迅速，产生了如巨磁致伸縮材料、 压电陶瓷以及磁致伸缩形状记忆合金等新型的可用于精密驱动器、传感器和直 线电机研制的智能材料，这些材料具有能量密度大，输出功率高，伸缩形变精 确等优点，但是基于智能材料研制的驱动机构普遍存在驱动位移微小的缺点， 在较大行程驱动应用领域，往往会受到限制。
经对现有技术的文献检索发现，JaehwanKim等在《Mechatronics》(机 械电子学期刊，2002年第12期第几525 - 542页)上发表的论文A hybrid inchworm linear motor (混合式尺蠖运动直线电机)，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压电伸縮机构组成；磁致伸缩机 构用来产生尺蠖运动直线位移，两个压电伸缩机构作为尺蠖箝位机构产生箝位 动作。所述磁致伸縮机构，包括磁致伸缩棒、电磁线圈、金属壳体、金属端盖、 弹簧压力机构，位移输出机构，位移杆；其大位移驱动的实现是通过多次磁致 伸縮激励所产生的微米级磁致伸縮位移累积而成，并且最大单步位移为67微米， 最快速度只能达到925微米/秒；所述压电伸缩机构，包括压电材料片堆、复杂 柔性铰链放大机构、预紧力机构，激励电极。这种电机的优点是可以累积形成 大行程或无限长行程，但是这种直线电机必须要求具有两个箝位和一个伸长三 个机构通过交替时序控制复合作用后才能实现其功能，因而这种尺蠖运动电机 存在控制反复次数多、控制繁琐、多部件复合作用运动稳定性差的等缺点，特 别是对于只需形成毫米级位移的位置调整驱动应用领域，这种尺蠖运动方式的 大行程电机装置并不适合，存在功能浪费，并且定位稳定性欠佳。
发明内容
4本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种粗-精复合位移驱动精密位姿 调整装置，釆用一个位移放大机构以及在位移放大机构前端(位移输入端)和 后端(位移输出端)分别串接磁致伸縮位移驱动器，通过控制位移放大机构前、 后端驱动器伸縮位移以及放大机构对位移的放大实现较大行程的精确位移驱 动，以实现被驱动物体的位姿精确调整。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括电磁激励巨磁致伸縮驱 动器、电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器、位移放大机构、支撑框架、导向 机构。
所述电磁激励巨磁致伸缩驱动器、电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器结 构相同，包括中心巨磁致伸缩体、上输出杆部件、下输出杆部件、电磁激励 线圈、上弹簧、下弹簧、外壳体、上端盖、下端盖。中心巨磁致伸缩体置于电 磁激励线圈中，中心巨磁致伸縮体两端分别与上输出杆部件和下输出杆部件相 连；中心巨磁致伸縮体、电磁线圈置于外壳体内部，并且上弹簧套在上输出部 件上，下弹簧套在下输出部件上，外壳体两端设有上端盖和下端盖，上弹簧置 于上输出杆部件和上端盖之间，下弹簧置于下输出杆部件和下端盖之间。
电磁激励巨磁致伸缩驱动器的上输出杆部件外端面与支撑框架固定，电磁 激励巨磁致伸縮驱动器的下输出杆部件外端面与位移放大机构位移输入端固定 连接，位移放大机构的位移输出端与电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器的的 下输出杆部件外端面端固定连接，电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器的上输 出杆部件外端面通过导向机构与被驱动物体固定连接。
所述电磁激励巨磁致伸縮驱动器由一个或一个以上驱动器串接并固定连接 组成。
所述电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器外壳体由永磁体和铁磁体间隔复 合而成。
所述的上输出杆部件、下输出杆部件的外端面均设有移动导向和支撑部件， 以减少驱动器产生伸缩位移时可能产生的上位移输出杆和下位移输出杆振动或 位移偏摆。
所述放大机构为一种液压或气压位移传递放大机构，包括腔壁有弹性的 大口径腔室和小口径腔室，以及腔壁无弹性的连接腔室组成，连接腔室介于大 口径腔室、小口径腔室之间，并串接联通，腔室中充满液体或气体；在大、小腔室外部均有导向机构。
本发明的工作过程当电磁线圈通入电流产生电磁场激励中心巨磁致伸缩 体产生伸长位移并由电磁激励巨磁致伸縮驱动器上输出杆部件传递至位移放大 机构大口径腔室外端面，该外端面受压迫，由于液体或气体的不可压缩性，大 口径腔室外端面所受推动压力会经大口径腔室内部液体并经连接腔室液体传递 至小口径腔室液体，并最终传递至小口径腔室外端面，使该外端面受力产生位 移。经小口径腔室外端面产生的位移将传递至与小口径腔室外端面相固定连接 的电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器的下输出杆部件，该部件将带动电磁永 磁复合激励巨磁致伸縮驱动器整体产生一个位移(该位移是一个将电磁激励巨 磁致伸缩驱动器产生位移经位移放大机构放大的位移)，在此基础上，对电磁永 磁复合激励巨磁致伸縮驱动器电磁线圈通入激励电流产生磁场使中心巨磁致伸 缩体产生伸长，该伸长位移会被电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器上输出杆 部件传递至与其端面固定连接的被驱动物体上，从而使被驱动物体产生位移。 至此，电磁激励巨磁致伸缩驱动器产生的较小位移经放大并叠加电磁永磁复合 激励巨磁致伸缩驱动器的位移，使被驱动物体产生较大的"粗"位移；而且， 该位移可以进一步通过对电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器叠加小电流激励 而产生微小的精确调整"精"位移；通过控制，将上述"粗"和"精"位移复 合到一起，那么可以实现针对被驱动物体的大位移和精确位姿控制。另外，由 于放大机构的大、小口径腔室均为柔弹性壁，在整个驱动过程中这两个腔室外 侧均设有刚性支撑和导向机构，以增强整个系统输出位移的稳定性和精度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)本发明充分利用了巨磁 致伸缩材料驱动器电磁机械耦合直接驱动产生位移的特性，具有粗精位移耦合 驱动的特点；(2)电磁激励巨磁致伸缩驱动器可以是一个以上的驱动器串接而 成，方便实现更大的如若干毫米级别的"粗"位移；(3)电磁永磁复合激励巨 磁致伸缩驱动器是一个永磁偏置伸縮驱动器，容易实现线性磁致伸缩，从而能 够实现超高精度若干纳米量级的"精"位移；(4)本发明位移控制环节均为电 控制，控制灵敏，方便实现大位移和精确位移复合驱动控制。
图1是本发明的结构组成示意图2是本发明电磁激励巨磁致伸縮驱动器示意6图3是本发明电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器外壳体示意图； 图4是本发明放大机构示意图。
图中电磁激励巨磁致伸縮驱动器l，位移放大机构2，电磁永磁复合激励 巨磁致伸縮驱动器3，支撑框架4，支撑导向机构5，被驱动物体6，中心巨磁 致伸縮体7，上输出杆部件8，下输出杆部件9，电磁线圈IO，上弹簧ll，下弹 簧12，外壳体13，上端盖14，下端盖15，驱动器外壳体16，大口径腔室17， 小口径腔室19，波纹管材料体20，连接腔室21，液体或气体介质22，永磁体 环23,铁磁体环24。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 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，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。
如图l-2所示，本实施例包括电磁激励巨磁致伸縮驱动器l、位移放大机 构2、电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3、支撑框架4、支撑导向机构5。 电磁激励巨磁致伸縮驱动器1 、电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器3结构相同， 包括中心巨磁致伸縮体7、上输出杆部件8、下输出杆部件9、电磁线圈IO、 上弹簧ll、下弹簧12、外壳体13、上端盖14、下端盖15。其中，中心巨磁致 伸缩体7置于电磁激励线圈10中，中心巨磁致伸縮体7两端分别与上输出杆部 件8和下输出杆部件9相连；中心巨磁致伸縮体7、电磁线圈10置于外壳体内 部，并且上弹簧11套在上输出部件8上，下弹簧12套在下输出部件9上，外 壳体13两端设有上端盖14和下端盖15，上弹簧11置于上输出杆部件8和上端 盖14之间，下弹簧12置于下输出杆部件9和下端盖15之间。电磁激励巨磁致 伸縮驱动器1的上输出杆部件外端面与支撑框架4固定，电磁激励巨磁致伸縮 驱动器1的下输出杆部件外端面与位移放大机构2位移输入端固定连接，位移 放大机构2的位移输出端与电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器3的的下输出 杆部件外端面端固定连接，电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3的上输出杆 部件外端面通过导向机构5与被驱动物体6固定连接。
所述电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器3，其结构和组成部件均与电磁激 励巨磁致伸縮驱动器的结构和组成部件相同，不同之处在于，电磁永磁复合激 励巨磁致伸縮驱动器3外壳体是由永磁体环23和铁磁体环24间隔复合构成的外壳体16，如图3所示。
如图4所示，所述位移放大机构2，包括大口径腔室17 (由腔壁有弹性 的波纹管材料体18制成)，小口径腔室19 (由腔壁有弹性的波纹管材料体20制 成)，以及腔壁无弹性的连接腔室21组成；连接腔室21介于大口径腔室17和 小口径腔室19之间，并串接联通，腔室中充满液体或气体介质22，并且整个腔 室严格密封；在大、小腔室外部均有支撑导向机构5。
位移放大机构2的大口径腔室17的外端面固定连接电磁激励巨磁致伸缩驱 动器1的下输出杆部件9;位移放大机构2的小口径腔室19的外端面固定连接 电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3的下输出杆部件9，并且，在位移放大机 构2的小口径腔室19与电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器3固定连接处设有 滑动支撑导向机构5。
本实施例工作过程具体如下
如图1，当支撑框架4固定不动、整个装置完成对被驱动物体6向竖直上方 推动定位经过以下六个状态过程
(a) 对位移电磁激励巨磁致伸缩驱动器l中电磁线圈IO通入激励电流，产 生电磁场激励中心巨磁致伸縮体7伸长；由于位移电磁激励巨磁致伸縮驱动器1 的上输出杆部件8与支撑框架4固定连接而固定不动，中心巨磁致伸缩体7伸 长位移则经位移电磁激励巨磁致伸缩驱动器1的下输出杆部件9传递至与其相 连的位移放大机构2的大口径腔室17的外端面；
(b) 位移放大机构2的大口径腔室17的外端面受迫，推动腔室中液体或气 体介质22经刚性的连接腔室21传递至小口径腔室19中；由于密封腔中液体或 气体介质22具有不可压缩性，加之所使用的波纹管18和20具有只在其轴向容 易产生变形的特点，大口径腔室17受迫被压縮的体积将被传导到小口径腔室19 中，此时小口径腔室19由于受到液压膨胀而表现为伸长，其伸长量b为大口径 腔室17缩短量a与大口径腔室17外端面面积S与小口径腔室19外端面面积s 比值的乘积，即b = a X S/s; S/s为位移放大机构2的放大倍数；
(c)小口径腔室19外端推动与之固定连接的电磁永磁复合激励巨磁致伸 縮驱动器3整体向上移动，进而推动与电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3 另一端固定连接的被驱动物体6向上移动，至此可以实现由电磁永磁复合激励 巨磁致伸縮驱动器1经放大机构2产生的对被驱动物体6的大的"粗"位移定位驱动；
(d) 此时，对电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3中电磁线圈通入激励 电流，产生电磁场激励电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器3中的中心巨磁致 伸縮体伸长；由于电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3的下位移输出杆部件 与小口径腔室19外端固定连接而固定不动，电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动 器3中的中心巨磁致伸縮体伸长量将沿电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3 的上位移输出杆部件传递至与电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器3另一端固 定连接的被驱动物体6上，从而进一步驱动被驱动物体6;并且由于此时电磁永 磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3产生的位移是其内部中心巨磁致伸縮体材料直 接产生的未经放大的高精度伸长位移，所以被驱动物体6可被精确驱动产生高 精度位移；
(e) 由于位移电磁激励巨磁致伸縮驱动器1和电磁永磁复合激励巨磁致伸 縮驱动器3的伸长量均可以通过控制输入它们中的电磁线圈的电流大小而改变， 所以被驱动物体6的位置可以首先通过电流控制电磁激励巨磁致伸縮驱动器1 伸长量来进行较大的"粗"位移驱动，而后通过电流控制电磁永磁复合激励巨 磁致伸缩驱动器3伸长量来进行较小精确位移的"精"位移驱动；并且由于电 磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3的永磁偏置作用，电磁永磁复合激励巨磁 致伸缩驱动器3的驱动调整电流强度可以很小，但位移调整精度可以达到很髙。
根据以上，相对被驱动物体6的粗-精复合驱动精密位姿调整可以实现。 本实施例中，对于电磁激励巨磁致伸縮驱动器1中长度为100 mm中心巨磁 致伸縮体7,中等磁场强度激励可产生lOOpm位移，对于如图1所示有两个电磁 激励巨磁致伸缩驱动器l串接情形，可同时产生2X100 pm位移，经位移放大机 构2产生10倍(假定放大倍数S/s = 10)放大位移，那么被驱动物体6可以 产生2000 pm即2 mm位移，进而，对于电磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器3 在永磁偏置作用下可以产生精度在亚微米甚至纳米级别的微笑磁致伸缩位移， 用于最终实现精确控制被驱动物体6的位姿。
权利要求
1、一种粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征在于包括电磁激励巨磁致伸缩驱动器、电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器、位移放大机构、支撑框架、导向机构，其中所述电磁激励巨磁致伸缩驱动器、电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器结构相同，包括中心巨磁致伸缩体、上输出杆部件、下输出杆部件、电磁激励线圈、上弹簧、下弹簧、外壳体、上端盖和下端盖，中心巨磁致伸缩体置于电磁激励线圈中，中心巨磁致伸缩体两端分别与上输出杆部件和下输出杆部件相连，中心巨磁致伸缩体、电磁线圈置于外壳体内部，并且上弹簧套在上输出部件上，下弹簧套在下输出部件上，外壳体两端设有上端盖和下端盖，上弹簧置于上输出杆部件和上端盖之间，下弹簧置于下输出杆部件和下端盖之间；电磁激励巨磁致伸缩驱动器的上输出杆部件外端面与支撑框架固定，电磁激励巨磁致伸缩驱动器的下输出杆部件外端面与位移放大机构位移输入端固定连接，位移放大机构的位移输出端与电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器的的下输出杆部件外端面端固定连接，电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器的上输出杆部件外端面通过导向机构与被驱动物体固定连接。
2、 根据权利要求1所述的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征是， 所述电磁激励巨磁致伸縮驱动器由 一个或一个以上驱动器串接组成。
3、 根据权利要求1所述的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征是， 所述的上输出杆部件、下输出杆部件的外端面均设有移动导向和支撑部件。
4、 根据权利要求1所述的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征是， 所述放大机构为一种液压或气压位移传递放大机构。
5、 根据权利要求1或4所述的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征 是，所述位移放大机构包括腔壁有弹性的大口径腔室和小口径腔室，以及腔 壁无弹性的连接腔室组成，连接腔室介于大口径腔室、小口径腔室之间，并串 接联通，腔室中充满液体或气体，在大口径腔室和小口径腔室外部均有导向机 构。
6、 根据权利要求5所述的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征是， 所述位移放大机构的大口径腔室的外端面固定连接电磁激励巨磁致伸縮驱动器的下输出部件，位移放大机构的小口径腔室的外端面固定连接电磁永磁复合激 励巨磁致伸縮驱动器的下输出部件，并且，在位移放大机构的小口径腔室与电 磁永磁复合激励巨磁致伸縮驱动器固定连接处设有滑动支撑导向机构。
7、根据权利要求1或6所述的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，其特征 是，所述电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器外壳体由永磁体和铁磁体间隔复 合而成。
全文摘要
本发明涉及一种机械工程技术领域的粗-精复合驱动精密位姿调整装置，包括电磁激励巨磁致伸缩驱动器、电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器、位移放大机构、支撑框架、导向机构，其中电磁激励巨磁致伸缩驱动器的上输出杆部件外端面与支撑框架固定，下输出杆部件外端面与位移放大机构位移输入端固定连接，位移放大机构的位移输出端与电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器的下输出杆部件外端面端固定连接，电磁永磁复合激励巨磁致伸缩驱动器的上输出杆部件外端面通过导向机构与被驱动物体固定连接。本发明可产生粗-精复合驱动位移，运动负载能力大，驱动位移大小可控，驱动位移精度高，驱动过程过程容易控制，适用于超精密大位移驱动控制领域。
文档编号H02N2/00GK101494427SQ20091004669
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者光 孟, 李国平, 杨德华, 杨斌堂 申请人:上海交通大学