一种基于电致动聚合物驱动的步进电机的制作方法

本发明涉及机电控制领域，具体涉及一种基于电致动聚合物驱动的步进电机。

背景技术：

电机对于国民生活、工业生产、科学研究等领域的作用极为重大。发电机可以产生电能，变压器可以对电能进行变换、传输与分配，它们都是电站和变电所的主要设备，在电力工业中的作用不可替代；电动机可以把电能转换为机械能拖动各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求，在工业企业中的作用不言而喻。

步进电机是一种用于开环控制系统的电机，可以将电脉冲信号转化为精确的角位移或线位移。它的角位移量或线位移量可以通过脉冲个数来控制，转动速度和加速度可以通过脉冲频率控制。虽然，步进电机已经广泛应用于工业企业中，但是却存在一些无法避免的问题：1)电机的结构复杂，质量笨重；2)电机的外围模块复杂，功耗大；3)控制不当时容易产生共振，运行噪声较大；4)电机由刚性结构组成，生物兼容性差，难以很好的满足生物医疗领域的要求。柔性智能材料可将光、电、热、湿度等外部能量直接转化为材料自身的机械变形，而无需通过繁琐的能量转化装置，近年来引起国际学术界的关注。电致动聚合物俗称“人工肌肉”，是近年发展起来的一种新型柔性智能材料。这类材料可以对外加电激励产生机械响应，同时也能在机械变形或者压力作用下产生相应的电能输出。根据换能机制的不同，电致动聚合物材料可以被区分为离子型(低压驱动型)和电场型(高压驱动型)两种。其中离子型电致动聚合物在低电压驱动实现大位移的应用场合中具有显著优势。由于具有驱动电压低、弯曲变形大、反应迅速、柔韧性好、不易疲劳、可在液体环境运行等不可替代的独特优点，离子型电致动聚合物材料在太空探索/军事探测、生物医学、仿生机械、光学器件等多种领域展现了广泛的应用前景。

现有技术中公开了几种电致动聚合物材料的制备方法，如专利号为zl201110085960.9，名称为《钯电极型离子聚合物-金属复合材料的制备工艺》的专利中公开了的一种材料的制备方法，该工艺以离子交换膜作为基体材料,以[pd(nh3)4]cl2为主盐,采用浸泡还原镀和化学镀的方法制备出钯金属电极型ipmc材料。工艺流程分四个主要步骤:(1)基体膜预处理:对基体膜进行糙化、清洗表面、去除杂质离子以及充分溶胀；(2)浸泡还原镀:包括离子交换和离子还原两个过程,将预处理后的nafion膜进行多次钯离子浸泡交换后,采用超声波,用nabh4使之还原,在离子交换膜表面和内表面形成钯金属；(3)化学镀:通过改进的化学镀方法增厚芯层材料外表面的电极,密实内表面电极；(4)材料后处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种驱动结构简单、且重量较轻的基于电致动聚合物驱动的步进电机。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于电致动聚合物驱动的步进电机，包括：上壳体(1)，转子(2)、电致动聚合物驱动器(3)、下壳体(4)、控制模块，所述上壳体(1)和下壳体(4)盖合，将所述电致动聚合物驱动器(3)、所述转子(2)完全包裹在内部，电致动聚合物驱动器(3)固定安装在下壳体(4)上，转子(2)可转动的安装在下壳体(1)上，所述控制模块控制电致动聚合物驱动器(3)往复摆动，电致动聚合物驱动器(3)的往复摆动带动转子3的转动，转子3的输出轴(5)伸出上壳体(1)。

作为优化的技术方案，所述转子(2)包括安装面以及突出安装面上表面的输出轴(5)以及突出转子安装面下表面的若干个柱体(6)，若干个柱体(6)间隔设置，所述电致动聚合物驱动器(3)摆动时碰撞柱体(6)。

作为优化的技术方案，每个柱体(6)为三角形柱体，记电致动聚合物驱动器推动转子正向转动时接触的面为面a，电致动聚合物驱动器反向回复时滑过的面为面b，电致动聚合物驱动器(3)正向转动与面a恰好接触时所形成的夹角为角1，电致动聚合物驱动器(3)反向转动与面b恰好接触时所形成的夹角为角2，角1小于角2，当电致动聚合物驱动器(3)正向摆动时，电致动聚合物驱动器(3)的末端推动面a，当电致动聚合物驱动器(3)反向摆动时，电致动聚合物驱动器(3)的末端会越过三角形柱体面b，进入下一个柱体(6)之间的间隔，电致动聚合物驱动器(3)的往复摆动转换为转子的连续同向转动。作为优化的技术方案，所述下壳体(4)包括底座(9)、突出于底座(9)上表面的中心轴(7)，以及开设在中心轴(7)侧壁的凹槽(8)，所述电致动聚合物驱动器(3)有若干个，每个电致动聚合物驱动器(3)插在一个对应的凹槽(8)内。

作为优化的技术方案，所述电致动聚合物驱动器(3)包括片状的电致动聚合物材料(10)、a电极、b电极以及驱动器夹子(11)，所述a电极与所述电致动聚合物材料(10)一侧接触，所述电致动聚合物材料(10)的另一侧与b电极接触，所述驱动器夹子(11)夹持所述a电极、电致动聚合物材料(10)以及b电极。所述驱动器夹子(11)分别安装在中心轴(7)侧壁的凹槽(8)里，所述控制模块电连接电致动聚合物驱动器(3)的a电极和b电极。

作为优化的技术方案，所述电致动聚合物材料(10)为离子聚合物-金属复合材料、导电聚合物或巴基凝胶。

作为优化的技术方案，所述凹槽360度圆周均匀分布于下壳体中心轴上可处于距下壳体底座同一水平高度或者不同水平高度。

作为优化的技术方案，所述电致动聚合物驱动器(3)的制作过程包括：

i)、制作带导线的电极：导线一头剥出金属丝，将导线由外侧插入驱动器夹子(11)左侧开设的通孔，在内侧间隙中留有长度约1-2mm的金属丝，然后固定导线，按照上述方法在驱动器夹子(11)右侧通孔放置导线；

ii)、将导电金属片裁剪作为电极，在电致动聚合物材料(10)的末端两侧各粘贴一片导电金属片分别作为a电极和b电极；

iii)、将两侧带有导电金属片的电致动聚合物材料(10)插入两侧有引出线的驱动器夹子(11)内，且使驱动器夹子(11)内侧两边的金属丝接触对应侧的导电金属片。

作为优化的技术方案，所述上壳体(1)，转子(2)、驱动器夹子(11)、下壳体(4)都可以通过3d打印获得，或是先设计相应模具再通过模具成型获得，所用的材料可选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂等轻型塑料的任一种或几种或铝、钛、铁、铜等轻质金属的任一种或几种。

作为优化的技术方案，所述控制模块包括单片机或plc控制器，能够输出多组方波、正弦波、三角波中任一种电压驱动信号。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1)摈弃现有电机马达复杂的驱动机构，利用新型电致动聚合物制作驱动器实现步进电机的转动，很大程度上减轻电机的重量；2)外围控制模块简单，能通过低耗能的驱动方式，引领低耗发展、绿色发展的潮流；

3)通过电致动聚合物驱动器的往复摆动从而实现转子的连续转动，电致动聚合物驱动器的的往复摆动是一个柔性弯曲过程，不存在刚性冲击，运行过程中噪声小

4)电致动聚合物驱动器是一种电致动柔性智能材料，可在低电压下产生较大位移，是一整生物亲和性材料，可以很好的满足生物医疗领域的要求。

附图说明

图1为一种ipmc驱动的步进电机装配爆炸图。

图2为一种ipmc驱动的步进电机的转子模型。

图3为一种ipmc驱动的步进电机的下壳体模型。

图4为ipmc驱动器的爆炸图。

图5为8片ipmc驱动器驱动的步进电机下壳体与驱动器的装配示意图。

图6为8片ipmc驱动器驱动的步进电机转动示意图。

图7为4片ipmc驱动器驱动的步进电机转动示意图。

图8为凹槽位于不同水平面的步进电机下壳体模型。

具体实施方式

下面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。

请参阅图1所示，一种基于电致动聚合物驱动的步进电机，包括：上壳体1，转子2、电致动聚合物驱动器3、下壳体4、控制模块(图未示)。

所述上壳体1和下壳体4盖合，将所述电致动聚合物驱动器3、所述转子2完全包裹在内部，电致动聚合物驱动器3固定安装在下壳体4上，转子2和下壳体4通过孔轴配合，转子2可转动的安装在下壳体1上，转子2突出安装面上表面的输出轴5与上壳体1的孔配合，在上壳体1固定不动的情况下，转子2可独立转动。所述控制模块控制电致动聚合物驱动器3往复摆动，电致动聚合物驱动器3的往复摆动带动转子3的连续旋转运动。

同时参阅图2所示，所述转子2包括安装面(图未标示)以及突出安装面上表面的转子输出轴5以及突出转子安装面下表面的若干个柱体6，转子输出轴5伸出上壳体1。所述电致动聚合物驱动器3转动时，碰撞柱体6，从而使转子2转动。

同时参阅图3所示，所述下壳体4包括底座9、突出于底座9上表面的中心轴7，以及开设在中心轴7侧壁的凹槽8。所述电致动聚合物驱动器3有若干个，每个电致动聚合物驱动器3插在一个对应的凹槽8内。

同时参阅图4所示，所述电致动聚合物驱动器3包括片状的电致动聚合物材料10、a电极、b电极以及驱动器夹子11，所述a电极与所述电致动聚合物材料10一侧接触，所述电致动聚合物材料10的另一侧与b电极接触，所述驱动器夹子11夹持所述a电极、电致动聚合物材料10以及b电极。所述驱动器夹子11分别安装在中心轴7侧壁的凹槽8里。所述电致动聚合物驱动器3的往复摆动运动转化为所述转子2的连续同一方向旋转运动。

所述控制模块包括单片机或plc控制器可以输出多组方波、正弦波、三角波等多种电压驱动信号，且波形的频率与幅值均可调节。所述控制模块控制所述电致动聚合物驱动器3，具体的，所述控制模块通过杜邦线连接电致动聚合物驱动器3的a电极和b电极。

所述电致动聚合物材料10为离子聚合物-金属复合材料、导电聚合物或巴基凝胶。

所述凹槽360度圆周均匀分布于下壳体中心轴上可处于距下壳体底座同一水平高度或者不同水平高度。

所述下壳体、转子、驱动器夹子、上壳体由聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂中的一种或多种制成。

所述转子在一个周期内的旋转角度δ与安装电致动聚合物驱动器的数量n有关，关系式为δ＝22.5°×n(n为4或8)：；所述一种基于电致动聚合物驱动的步进电机的输出转速(v单位转/秒)和转矩与所述电致动聚合物驱动器的往复摆动频率(f单位hz)有关，关系式为：

v＝δf/360°。

所述上壳体1，转子2、驱动器夹子11、下壳体4都可以通过3d打印获得，或是先设计相应模具再通过模具成型获得，所用的材料可选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂等轻型塑料的任一种或几种。上壳体1和下壳体4的制作材质同时应满足密度尽量小、不渗水、不与水反应、强度相对较大等原则。电致动聚合物材料10可以选自但不限于离子聚合物-金属复合材料(ipmc)、导电聚合物(cp)、巴基凝胶。

以下进一步结合若干实施例对本发明的技术方案作更为具体的说明。

实施例1

本实施例提供一种ipmc驱动的步进电机，是以ipmc材料制作驱动模块的，可在电压驱动信号作用下连续转动。具体实施方式如下：

(1)下壳体：如图3所示，下壳体4的轮廓尺寸为：70mm×70mm×14mm，底座9厚度为2mm，中心轴7高度为12mm，直径为15mm。底座与中心轴上留有直径为3mm通孔，便于在使用杜邦线连接电致动聚合物驱动器和控制模块时走线。中心轴顶部中心留有直径8mm深5mm的孔，目的在于步进电机整体安装时与转子配合。中心轴7上设有凹槽8，共有8个圆周均匀分布于中心轴上，且所有凹槽距底座9的距离均相等。使用solidworks设计三维图，3d打印得到下壳体，打印材料是光敏树脂，其密度约为1.3g/cm³。

(2)驱动器夹子：如图4所示，驱动器夹子11的轮廓尺寸为：5mm×4mm×6mm，中间留有2mm间隙用于夹持ipmc材料末端。侧面中心留有直径2mm通孔，用以从夹持的ipmc两侧引出两条杜邦线，从而使得控制模块输出电压驱动信号给ipmc材料。使用solidworks设计三维图，3d打印得到驱动器夹子，打印材料是光敏树脂，其密度约为1.3g/cm³。

制作带杜邦线的电极：用剥线钳将杜邦线一头剥出金属丝，用电焊台将杜邦线露出金属丝的一头焊在铜箔胶带上，带杜邦线的电极初步制作完毕，注意焊接质量，共制作16份。再将裁剪成片状，8份作为a电极，8份作为b电极。

(3)电致动聚合物驱动器：电致动聚合物材料皆由1片片状的镀pd型ipmc材料构成，其尺寸为5mm×30mm，制作方法参照专利zl201110085960.9，名称为《钯电极型离子聚合物-金属复合材料的制备工艺》。

i)、制作带杜邦线的电极：用剥线钳将杜邦线一头剥出金属丝，将杜邦线由外侧插入驱动器夹子左侧通孔，在内侧间隙中留有长度约1-2mm的金属丝，然后滴少量502胶水到外侧孔口处，用以固定杜邦线，防止杜邦线在通孔内移动。按照上述方法在驱动器夹子右侧通孔放置杜邦线。制作8个两侧引出杜邦线的驱动器夹子。

ii)、将铜箔胶带裁剪为5mm×6mm的正方形，制作16片，然后在ipmc材料的末端两侧各粘贴一片正方形铜箔，粘贴过程中注意铜箔的平整性和两侧铜箔的对称性，在粘贴过程中防止将两侧铜箔接触，共制作8份。

iii)、将两侧带有正方形铜箔的ipmc材料插入两侧有引出线的驱动器夹子内，在操作过程中注意防止驱动器夹子内侧两边的金属丝相接触，防止在插入过程中ipmc材料两侧的正方形铜箔脱落。

(4)转子：如图2所示5为转子输出轴，6为45度直角三角形柱体，转子2的轮廓尺寸为：65mm×65mm×24mm，转子上有16个45度直角三角形柱体，当ipmc驱动器正向摆动时，驱动器末端推动三角形柱体直角面，ipmc驱动器反向摆动时，驱动器末端会越过三角形末端，进入下一个间隔，在此过程中会与三角形柱体斜边面接触，从而有推着转子向反向运动的趋势，但是由于加载到驱动器上的电压驱动信号之间存在相位差，故在一个驱动器的末端与三角形柱体斜边面接触的时刻，存在另一个驱动器做正向摆动，与三角形柱体直角面接触，有推着转子正向运动的趋势，但是直角面接触位置的摩擦力大于斜边面接触位置的摩擦力，且转子有正向运动的惯性，故转子继续正向运动，从而将ipmc驱动器的往复摆动转换为转子的连续转动。使用solidworks设计三维图，3d打印得到驱动器夹子，打印材料是光敏树脂，其密度约为1.3g/cm³。

(5)上壳体：上壳体1的主要作用是与下壳体相配合，保护步进电机内部零件，其轮廓尺寸为：70mm×70mm×14mm，使用solidworks设计三维图，3d打印得到驱动器夹子，打印材料是光敏树脂，其密度约为1.3g/cm³。

(6)控制模块：控制模块为stc单片机电路板，单片机的型号为stc15f2k60s2，电路板上设置有外部电源供电口、电源开关、zip芯片座、spi通讯接口、8对信号输出接口等。电路板上主要有电阻、电容、stc单片机、d/a转换芯片max5258、运算放大器opa551、基准电压芯片max6065、稳压芯片ams1117等电子器件，通过编程并导入单片机，再由单片机控制整个系统的运行。本控制模块可以输出方波、三角波、正弦波三种不同波形的电压信号，且电压信号的幅值可在正负5v之间调节，频率可在0.1hz至10hz之间调节。本案例中控制模块输出的驱动电压信号如图5中(a)(b)(c)(d)所示。

将所有部件组装完毕，给控制模块供电，打开开关，步进电机便可正常工作。其具体转动过程如图5所示，对ipmc驱动器顺时针一次编号为1-8，将8片驱动器分为四组，为别：1和5、2和6、3和7、4和8，每组分别由不同的相位的方波电压信号驱动。图5中(1)为步进电机处于初始状态，8片驱动器均处于中间平衡位置，打开开关，控制模块输出(a)(b)(c)(d)四种波形电压信号分别给四组驱动器，四种波形电压信号依次落后四分之一个周期。经过四分之一周期后转子运动到图5中(2)处，此时1、5号ipmc驱动器运动到最左侧，其余ipmc驱动器为尚未运动，转子转动22.5度。经过四分之二个周期后转子运动到图5中(3)处，此时1、5号驱动器已运动四分之二个周期回到平衡位置；2、6号驱动器已运动四分之一个周期到达左侧最大位移处，转子转动45度。经过四分之三个周期后转子运动到图5中(4)处，此时1、5驱动器已运动四分之三个周期到达右侧最大位移处，2、6号驱动器已运动四分之二个周期回到平衡位置，3、7号驱动器已运动四分之一个周期到达左侧最大位移处，转子转动67.5度。经过一个周期后转子运动到图5中(5)处，此时1、5驱动器已运动一个周期回到平衡位置，2、6号驱动器已运动四分之三个周期到达右侧最大位移处，3、7号驱动器已运动四分之二个周期回到平衡位置处，4、8号驱动器已运动四分之一个周期到达左侧最大位移处，转子转动90度。故一个周期步进电机输出轴转动90度。后续的运动便是对这一周期的动作不断重复的过程。

实施例2

一种ipmc驱动的步进电机除下壳体中心轴上凹槽数目、ipmc驱动器数量，其余均与实施例1一致。

本实施例中下壳体中心轴上凹槽共有4个，4个凹槽360度均布于中心轴上，在凹槽上安装四片ipmc驱动器，控制电路及其输出的驱动电压信号与实施例1中的一致。步进电机一个周期内的运动过程如图6所示，一个周期步进电机输出轴转动180度。

实施例3

一种ipmc驱动的步进电机除下壳体、转子、上壳体外，其余均与实施例1一致。

步进电机下壳体：如图8所示，下壳体中心轴上凹槽共8个，分别处于两个水平高度，下壳体轮廓尺寸为70mm×70mm×20mm，转子上三角形柱体的长度较实施例1长6mm，上壳体高度较实施例1高6mm。该实施例中步进电机一个周期内的运动过程与实施例1类似，一个周期步进电机输出轴转动90度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。