一种步进式高精密旋转驱动装置的制作方法

本实用涉及一种驱动装置，具体是一种步进式高精密旋转驱动装置。

背景技术：

伴随着科学技术的迅猛发展，对产品加工精度的要求越来越高，尤其是在精密超精密微细加工与测量技术、微机电系统(MEMS)、纳米科技、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天科技、军事技术等高尖端的科学技术领域中显得格外重要。要想实现产品零件的精密超精密加工，就必须提供一种合适的高精度的驱动装置。传统的驱动装置，如普通电机、丝杠螺母、涡轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置己不能满足其精度要求。因此，研究性能更优越的新型高精度驱动装置迫在眉睫。

技术实现要素：

本实用的目的在于提供一种步进式高精密旋转驱动装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用提供如下技术方案：

一种步进式高精密旋转驱动装置，包括转子、定子、钳紧机构、驱动机构和预紧机构；所述定子中部设有转子，钳紧机构位于转子与定子之间，定子内侧开设有安装槽，钳紧机构安装在安装槽内；所述定子分为上下两层，定子包括上定子层、下定子层和底座，上定子层和下定子层分别由三个均布的柔性铰链与底座相连，底座固定在安装台面上；上定子层和下定子层分别通过柔性铰链与底座连接，驱动柔性铰链位于定子的四周；所述驱动机构结构相同，上下布置，所述预紧机构由楔形块A型、楔形块B型和调整螺栓组成，其中楔形块B型与GMM棒固定连接，通过转动调整螺栓，楔形块A型推动楔形块B型移动，从而提供预紧力。

进一步的，所述钳紧机构包括钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅲ、钳紧机构Ⅳ、钳紧机构Ⅴ和钳紧机构Ⅵ，钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅲ和钳紧机构Ⅴ平均分布在转子的外围，钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅲ、钳紧机构Ⅴ均安装在上定子层的安装槽内部，钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅳ和钳紧机构Ⅵ平均分布在转子的外围，钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅳ和钳紧机构Ⅵ均安装在下定子层的安装槽内部，其中钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅲ和钳紧机构Ⅴ与钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅳ和钳紧机构Ⅵ分别上下一一对应设置。

进一步的，所述驱动机构包括驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅲ、驱动机构Ⅳ、驱动机构Ⅴ和驱动机构Ⅵ，驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅲ和驱动机构Ⅴ均匀分布在上定子层和底座之间，驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅳ和驱动机构Ⅵ均匀分布在下定子层和底座之间，驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅲ和驱动机构Ⅴ与驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅳ和驱动机构Ⅵ分别上下一一对应设置。

进一步的，所述预紧机构包括预紧机构Ⅰ、预紧机构Ⅱ、预紧机构Ⅲ、预紧机构Ⅳ、预紧机构Ⅴ、预紧机构Ⅵ、预紧机构Ⅶ、预紧机构Ⅷ、预紧机构Ⅸ、预紧机构Ⅹ、预紧机构Ⅺ和预紧机构Ⅻ，所述钳紧机构Ⅰ后端设有预紧机构Ⅰ，钳紧机构Ⅱ后端设有预紧机构Ⅱ，钳紧机构Ⅲ后端设有预紧机构Ⅴ，钳紧机构Ⅳ后端设有预紧机构Ⅵ，钳紧机构Ⅴ后端设有预紧机构Ⅸ，钳紧机构Ⅵ后端设有预紧机构Ⅹ；所述驱动机构Ⅰ后端设有预紧机构Ⅲ，驱动机构Ⅱ后端设有预紧机构Ⅳ，驱动机构Ⅲ后端设有预紧机构Ⅶ，驱动机构Ⅳ后端设有预紧机构Ⅷ，驱动机构Ⅴ后端设有预紧机构Ⅺ，驱动机构Ⅵ后端设有预紧机构Ⅻ。

进一步的，所述钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅲ、钳紧机构Ⅳ、钳紧机构Ⅴ和钳紧机构Ⅵ的结构一致，其中钳紧机构Ⅰ包括钳紧块Ⅰ、线圈A型Ⅰ和GMM棒A型Ⅰ，GMM棒A型Ⅰ前端与钳紧块Ⅰ连接，GMM棒A型Ⅰ上套设有线圈A型Ⅰ，钳紧机构Ⅱ包括钳紧块Ⅱ、线圈A型Ⅱ和GMM棒A型Ⅱ，钳紧机构Ⅲ包括钳紧块Ⅲ、线圈A型Ⅲ和GMM棒A型Ⅲ，钳紧机构Ⅳ包括钳紧块Ⅳ、线圈A型Ⅳ和GMM棒A型Ⅳ，钳紧机构Ⅴ包括钳紧块Ⅴ、线圈A型Ⅴ和GMM棒A型Ⅴ，钳紧机构Ⅵ包括钳紧块Ⅵ、线圈A型Ⅵ和GMM棒A型Ⅵ；

进一步的，所述驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅲ、驱动机构Ⅳ、驱动机构Ⅴ和驱动机构Ⅵ的结构一致，驱动机构Ⅰ包括线圈B型Ⅰ和GMM棒B型Ⅰ，GMM棒B型Ⅰ上套设有线圈B型Ⅰ，驱动机构Ⅱ包括线圈B型Ⅱ和GMM棒B型Ⅱ，驱动机构Ⅲ包括线圈B型Ⅲ和GMM棒B型Ⅲ，驱动机构Ⅳ包括线圈B型Ⅳ和GMM棒B型Ⅳ，驱动机构Ⅴ包括线圈B型Ⅴ和GMM棒B型Ⅴ，驱动机构Ⅵ包括线圈B型Ⅵ和GMM棒B型Ⅵ；

进一步的，所述预紧机构Ⅰ、预紧机构Ⅱ、预紧机构Ⅲ、预紧机构Ⅳ、预紧机构Ⅴ、预紧机构Ⅵ、预紧机构Ⅶ、预紧机构Ⅷ、预紧机构Ⅸ、预紧机构Ⅹ、预紧机构Ⅺ和预紧机构Ⅻ的结构一致，其中预紧机构Ⅰ包括楔形块A型Ⅰ、楔形块B型Ⅰ和调整螺栓Ⅰ，预紧机构Ⅱ包括楔形块A型Ⅱ、楔形块B型Ⅱ和调整螺栓Ⅱ，预紧机构Ⅲ包括楔形块A型Ⅲ、楔形块B型Ⅲ和调整螺栓Ⅲ，预紧机构Ⅳ包括楔形块A型Ⅳ、楔形块B型Ⅳ和调整螺栓Ⅳ，预紧机构Ⅴ包括楔形块A型Ⅴ、楔形块B型Ⅴ和调整螺栓Ⅴ，预紧机构Ⅵ包括楔形块A型Ⅵ、楔形块B型Ⅵ和调整螺栓Ⅵ，预紧机构Ⅶ包括楔形块A型Ⅶ、楔形块B型Ⅶ和调整螺栓Ⅶ，预紧机构Ⅷ包括楔形块A型Ⅷ、楔形块B型Ⅷ和调整螺栓Ⅷ，预紧机构Ⅸ包括楔形块A型Ⅸ、楔形块B型Ⅸ和调整螺栓Ⅸ，预紧机构Ⅹ包括楔形块A型Ⅹ、楔形块B型Ⅹ和调整螺栓Ⅹ，预紧机构Ⅺ包括楔形块A型Ⅺ、楔形块B型Ⅺ和调整螺栓Ⅺ，预紧机构Ⅻ包括楔形块A型Ⅻ、楔形块B型Ⅻ和调整螺栓Ⅻ。

与现有技术相比，本实用的有益效果是：

1.上驱动机构与下驱动机构交替工作，相同条件下输出速度提高一倍；

2.上定子层和下定子层分别通过驱动柔性铰链与底座连接，驱动柔性铰链位于定子的四周，上定子层和下定子层相对底座转动时，柔性铰链产生形变，且只产生一个方向变形，上定子层和下定子层转动平稳，系统输出转动平稳；

3.超磁致伸缩棒的作用点位于作用点的最大力臂处，能最大程度的发挥输出转矩，提高系统的负载能力；

4.驱动机构中的第二超磁致伸缩棒的预紧采用楔形预紧机构，通过调整螺栓调整预紧力大小，调整螺栓转动一周，旋紧或旋出0.5mm，楔形块B型移动0.025mm，能够提供较大的预紧力；

5.智能材料选择超磁致伸缩材料，所需电压低（4.5V），输出力大，居里温度高，更适应环境。

附图说明

图1是本实用的整体结构示意图。

图2是本实用的俯视示意图。

图3是本实用的仰视示意图。

图4是本实用的右视示意图。

图5是本实用中定子的结构示意图。

图6是本实用的工作原理图。

图7是本实用的驱动装置输入信号图。

其中：1.转子；2.定子；3.调整螺栓Ⅰ；4.调整螺栓Ⅱ；5.楔形块B型Ⅰ；6.楔形块A型Ⅰ；7.线圈A型Ⅰ；8.GMM棒A型Ⅰ；9.楔形块A型Ⅱ；10.GMM棒A型Ⅱ；11.GMM棒B型Ⅰ；12.线圈B型Ⅰ；13.线圈B型Ⅱ；14.调整螺栓Ⅲ；15.调整螺栓Ⅳ；16.楔形块A型Ⅲ；17.楔形块B型Ⅲ；18.楔形块B型Ⅳ；19.调整螺栓Ⅵ；20.调整螺栓Ⅴ；21.楔形块A型Ⅴ；22.GMM棒A型Ⅲ；23.楔形块B型Ⅵ；24.楔形块B型Ⅴ；25.线圈A型Ⅲ；26.线圈B型Ⅳ；27.线圈B型Ⅲ；28.GMM棒B型Ⅲ；29.调整螺栓Ⅷ；30.调整螺栓Ⅶ；31.楔形块B型Ⅷ；32.楔形块A型Ⅶ；33.楔形块B型Ⅶ；34.调整螺栓Ⅹ；35.调整螺栓Ⅸ；36.楔形块A型Ⅸ；37.GMM棒A型Ⅴ；38.线圈A型Ⅴ；39.楔形块B型Ⅸ；40.GMM棒B型Ⅵ；41.GMM棒B型Ⅴ；42.线圈B型Ⅴ；43.线圈B型Ⅵ；44.楔形块B型Ⅺ；45.楔形块A型Ⅺ；46.调整螺栓Ⅻ；47.调整螺栓Ⅺ；48.楔形块A型Ⅻ；49.楔形块B型Ⅱ；50.线圈A型Ⅱ；51.GMM棒B型Ⅱ；52.楔形块A型Ⅳ；53.楔形块A型Ⅵ；54.GMM棒A型Ⅳ；55.线圈A型Ⅳ；56.GMM棒B型Ⅳ；57.楔形块A型Ⅷ；58.楔形块A型Ⅹ；59.GMM棒A型Ⅵ；60.线圈A型Ⅵ；61.楔形块B型Ⅹ；62.楔形块B型Ⅻ。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-7，一种步进式高精密旋转驱动装置，包括转子1、定子2、钳紧机构、驱动机构和预紧机构；所述定子2中部设有转子1，钳紧机构位于转子1与定子2之间，定子2内侧开设有安装槽，钳紧机构安装在安装槽内；

所述定子2分为上下两层，定子包括上定子层、下定子层和底座，上定子层和下定子层分别由三个均布的柔性铰链与底座相连，底座固定在安装台面上；上定子层和下定子层分别通过柔性铰链与底座连接，驱动柔性铰链位于定子的四周，上定子层和下定子层相对底座转动时，柔性铰链产生形变，且只产生一个方向变形，上定子层和下定子层转动平稳，系统输出转动平稳；

所述钳紧机构包括钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅲ、钳紧机构Ⅳ、钳紧机构Ⅴ和钳紧机构Ⅵ，钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅲ和钳紧机构Ⅴ平均分布在转子1的外围，钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅲ、钳紧机构Ⅴ均安装在上定子层的安装槽内部，钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅳ和钳紧机构Ⅵ平均分布在转子1的外围，钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅳ和钳紧机构Ⅵ均安装在下定子层的安装槽内部，其中钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅲ和钳紧机构Ⅴ与钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅳ和钳紧机构Ⅵ分别上下一一对应设置；

所述驱动机构包括驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅲ、驱动机构Ⅳ、驱动机构Ⅴ和驱动机构Ⅵ，驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅲ和驱动机构Ⅴ均匀分布在上定子层和底座之间，驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅳ和驱动机构Ⅵ均匀分布在下定子层和底座之间，驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅲ和驱动机构Ⅴ与驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅳ和驱动机构Ⅵ分别上下一一对应设置；

所述驱动机构结构相同，上下布置，上定子层的驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅲ和驱动机构Ⅴ上电时，推动上定子层转动，通过上定子层的钳紧机构推动转子转动，同时下定子层的驱动机构掉电，下定子层在下驱动柔性铰链作用下回位；上定子层的驱动机构掉电时，上定子层在上驱动柔性铰链作用下回位；同时下定子层的驱动机构上电，推动下定子层转动，通过下定子层的钳紧机构推动转子转动，上下驱动机构交替驱动转子转动，速度较单级形式提高一倍；

所述预紧机构包括预紧机构Ⅰ、预紧机构Ⅱ、预紧机构Ⅲ、预紧机构Ⅳ、预紧机构Ⅴ、预紧机构Ⅵ、预紧机构Ⅶ、预紧机构Ⅷ、预紧机构Ⅸ、预紧机构Ⅹ、预紧机构Ⅺ和预紧机构Ⅻ，

所述钳紧机构Ⅰ后端设有预紧机构Ⅰ，钳紧机构Ⅱ后端设有预紧机构Ⅱ，钳紧机构Ⅲ后端设有预紧机构Ⅴ，钳紧机构Ⅳ后端设有预紧机构Ⅵ，钳紧机构Ⅴ后端设有预紧机构Ⅸ，钳紧机构Ⅵ后端设有预紧机构Ⅹ；

所述驱动机构Ⅰ后端设有预紧机构Ⅲ，驱动机构Ⅱ后端设有预紧机构Ⅳ，驱动机构Ⅲ后端设有预紧机构Ⅶ，驱动机构Ⅳ后端设有预紧机构Ⅷ，驱动机构Ⅴ后端设有预紧机构Ⅺ，驱动机构Ⅵ后端设有预紧机构Ⅻ；

所述钳紧机构Ⅰ、钳紧机构Ⅱ、钳紧机构Ⅲ、钳紧机构Ⅳ、钳紧机构Ⅴ和钳紧机构Ⅵ的结构一致，其中钳紧机构Ⅰ包括钳紧块Ⅰ、线圈A型Ⅰ7和GMM棒A型Ⅰ8，GMM棒A型Ⅰ8前端与钳紧块Ⅰ连接，GMM棒A型Ⅰ8上套设有线圈A型Ⅰ7，钳紧机构Ⅱ包括钳紧块Ⅰ、线圈A型Ⅱ50和GMM棒A型Ⅱ10，钳紧机构Ⅲ包括钳紧块Ⅲ、线圈A型Ⅲ25和GMM棒A型Ⅲ22，钳紧机构Ⅳ包括钳紧块Ⅳ、线圈A型Ⅳ55和GMM棒A型Ⅳ54，钳紧机构Ⅴ包括钳紧块Ⅴ、线圈A型Ⅴ38和GMM棒A型Ⅴ37，钳紧机构Ⅵ包括钳紧块Ⅵ、线圈A型Ⅵ60和GMM棒A型Ⅵ59；线圈上电时，三个GMM棒A型同时伸长，推动三个钳紧块钳紧转子1，同时钳紧柔性铰链产生微小形变，线圈掉电时，GMM棒A型收缩，钳紧块在钳紧柔性铰链的弹力作用下回位松开转子1；钳紧块与转子紧密配合，保证能够钳紧转子，三个钳紧块同时钳紧转子时，转子径向受力平衡，具有自定心能力；

所述驱动机构Ⅰ、驱动机构Ⅱ、驱动机构Ⅲ、驱动机构Ⅳ、驱动机构Ⅴ和驱动机构Ⅵ的结构一致，驱动机构Ⅰ包括线圈B型Ⅰ12和GMM棒B型Ⅰ11，GMM棒B型Ⅰ11上套设有线圈B型Ⅰ12，驱动机构Ⅱ包括线圈B型Ⅱ13和GMM棒B型Ⅱ51，驱动机构Ⅲ包括线圈B型Ⅲ27和GMM棒B型Ⅲ28，驱动机构Ⅳ包括线圈B型Ⅳ26和GMM棒B型Ⅳ56，驱动机构Ⅴ包括线圈B型Ⅴ42和GMM棒B型Ⅴ41，驱动机构Ⅵ包括线圈B型Ⅵ43和GMM棒B型Ⅵ40；

所述预紧机构用于为GMM棒提供预紧力，预紧机构由楔形块A型、楔形块B型和调整螺栓组成，其中楔形块B型与GMM棒固定连接，通过转动调整螺栓，楔形块A型推动楔形块B型移动，从而提供预紧力；所述预紧机构Ⅰ、预紧机构Ⅱ、预紧机构Ⅲ、预紧机构Ⅳ、预紧机构Ⅴ、预紧机构Ⅵ、预紧机构Ⅶ、预紧机构Ⅷ、预紧机构Ⅸ、预紧机构Ⅹ、预紧机构Ⅺ和预紧机构Ⅻ的结构一致，其中预紧机构Ⅰ包括楔形块A型Ⅰ6、楔形块B型Ⅰ5和调整螺栓Ⅰ3，预紧机构Ⅱ包括楔形块A型Ⅱ9、楔形块B型Ⅱ49和调整螺栓Ⅱ4，预紧机构Ⅲ包括楔形块A型Ⅲ16、楔形块B型Ⅲ17和调整螺栓Ⅲ14，预紧机构Ⅳ包括楔形块A型Ⅳ52、楔形块B型Ⅳ18和调整螺栓Ⅳ15，预紧机构Ⅴ包括楔形块A型Ⅴ21、楔形块B型Ⅴ24和调整螺栓Ⅴ20，预紧机构Ⅵ包括楔形块A型Ⅵ53、楔形块B型Ⅵ23和调整螺栓Ⅵ19，预紧机构Ⅶ包括楔形块A型Ⅶ32、楔形块B型Ⅶ33和调整螺栓Ⅶ30，预紧机构Ⅷ包括楔形块A型Ⅷ57、楔形块B型Ⅷ31和调整螺栓Ⅷ29，预紧机构Ⅸ包括楔形块A型Ⅸ36、楔形块B型Ⅸ39和调整螺栓Ⅸ35，预紧机构Ⅹ包括楔形块A型Ⅹ58、楔形块B型Ⅹ61和调整螺栓Ⅹ34，预紧机构Ⅺ包括楔形块A型Ⅺ45、楔形块B型Ⅺ44和调整螺栓Ⅺ47，预紧机构Ⅻ包括楔形块A型Ⅻ48、楔形块B型Ⅻ62和调整螺栓Ⅻ46；

请参阅图6-7，本实用的工作原理：

上钳紧机构、下钳紧机构、上驱动机构和下驱动机构四者相互配合，可以实现转子1的步进式转动，工作原理如图6所示，四者的信号输入时序如图7所示，V1表示施加在上钳紧机构的电压，V2表示施加在下钳紧机构的电压，V3表示施加在上驱动机构的电压，V4表示施加在下驱动机构的电压。

第一步：t1时刻，上钳紧机构上电，上钳紧机构的三个超磁致伸缩棒同时伸长，三个钳紧块钳紧转子。

第二步：t2时刻，下钳紧机构掉电，下钳紧机构的三个超磁致伸缩棒同时收缩，松开转子。

第三步：t3时刻，上驱动机构上电，上驱动机构的三个超磁致伸缩棒同时伸长，推动定子上层转动微小角度∆θ，通过上钳紧机构推动转子转动微小角度∆θ，上驱动机构的柔性铰链产生微小形变，同时下驱动机构掉电，下驱动机构的三个超磁致伸缩棒同时收缩，定子下层在柔性铰链的弹性作用下回位。

第四步：t4时刻，下钳紧机构上电，下钳紧机构的三个超磁致伸缩棒同时伸长，钳紧转子。

第五步：t5时刻，上钳紧机构掉电，上钳紧机构的三个超磁致伸缩棒收缩，松开转子。

第六步：t6时刻，下驱动机构上电，下驱动机构的三个超磁致伸缩棒同时伸长，推动定子上层转动微小角度2∆θ，通过下钳紧机构推动转子转动微小角度2∆θ，下驱动机构的柔性铰链产生微小形变，同时上驱动机构掉电，上驱动机构的三个超磁致伸缩棒同时收缩，定子上层在柔性铰链的弹性作用下回位。

通过以上六个步骤，系统完成一个周期内的旋转运动，转子相对定子转动一微小角度2∆θ，转子步进一次，不断重复步骤1-6，可实现转子的步进式旋转运动。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。