一种能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置的制造方法
【专利说明】
[0001]【技术领域】
[0002]本实用新型涉及一种驱动装置，具体涉及一种能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，属于高精度定位设备技术领域。
[0003]【【背景技术】】
[0004]微结构表面是指面形精度可达亚微米级、表面粗糙度可达纳米级、具有特定功能(如光学性能、粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性等)微小拓扑形状的表面，广泛应用于菲涅耳透镜、硬盘表面、MEMS、细胞培养系统、内窥镜和热交换片等领域。3D微结构表面加工要求驱动器能同时满足旋转-直线二自由度、大行程和高定位精度的要求。因此，高性能驱动器的研究成为了 3D微结构表面加工技术的一个非常重要的研究方向。
[0005]目前，已有的驱动技术包括传统电机驱动技术、压电陶瓷驱动技术和超磁致伸缩驱动技术。传统电机驱动技术采用直线电机和旋转主轴单元叠堆的结构实现旋转-直线二自由度运动。这种方法输出位移较大，但由于动子质量大，在加工复杂3D微结构表面时存在定位精度低、运动速度慢、微型化困难、噪音大和驱动效率较低的问题。
[0006]随着智能材料驱动技术的发展，采用基于压电陶瓷(PZT)驱动的快速刀具伺服进给机构(Fast Tool Servo，简称FTS)来对微结构表面进行切削加工。这种方法具有响应速度快、定位精度高和结构紧凑等特点。不足的地方是输出行程小，不能承受较大的切向负载力和拉力，且驱动电压较高，不适合应用在防爆要求较高的环境。
[0007]超磁致伸缩执行器(GMA)通过施加磁场，利用磁致效应实现微位移驱动。最新的超磁致伸缩材料铁镓合金(Galfenol)，具有强度高、可焊接和可加工的优点，能承受较大的负载切向力甚至是拉力。此外，超磁致伸缩驱动器具有较高的磁致伸缩应变、较低的驱动电压、宽工作温度范围和无需电极非接触驱动等优点。超磁致伸缩执行器(GMA)已经应用于铣削工艺的旋转-直线驱动平台中。该驱动平台采用Terfenol-D超磁致伸缩材料，将GMA直接安装在旋转主轴上，通过线圈电流来控制轴向伸缩位移，调节线圈电流来改变磁致伸缩材料中的磁密，可以实现加工轴的旋转-直线二自由度运动及轴向微位移调整。这种驱动方式应用于微结构表面加工时，仍存在以下不足:①无法实现大行程效率较低。驱动器采用线圈励磁，由于Terfenol-D磁导率通常较低，这就需要较多的安匝数驱动，线圈中电流会产生热损耗，引起温升，影响驱动器性能，此外，在保持微位移输出状态下，不存在机械功率输出，驱动器吸收的电能大多数消耗在线圈的电阻上，驱动器效率很低；③Terfenol-D需要预压紧装置，不易微型化。
[0008]因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，以克服现有技术中的所述缺陷。
[0009]【【实用新型内容】】
[0010]为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于一种结构紧凑，具有宏微两级驱动形式，采用永磁体为智能材料励磁，能耗小的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置。
[0011]为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为:一种能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，其包括旋转电机、旋转主轴、支架、直线轴、定子铁芯、永磁体、直线电机线圈、磁致伸缩材料、磁致伸缩线圈以及励磁永磁体；其中，所述旋转电机通过旋转主轴和直线轴连接；所述直线轴通过直线旋转轴承支承于支架上；所述定子铁芯固持于支架上，其套设在直线轴上；所述直线电机线圈安装于定子铁芯内；所述永磁体固持于直线轴上，其和定子铁芯相对设置；所述磁致伸缩材料抵接在直线轴上；所述磁致伸缩线圈嵌设在定子铁芯内；所述励磁永磁体设置在磁致伸缩材料和磁致伸缩线圈之间。
[0012]本实用新型的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置进一步设置为:所述磁致伸缩材料为铁镓合金。
[0013]本实用新型的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置还设置为:所述永磁体的轴向充磁。
[0014]与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果:
[0015]( I)本实用新型采用旋转-直线二自由度运动一体化设计，结构紧凑，能实现单独的旋转运动、直线运动或螺旋运动，克服了传统叠堆结构动子质量大，运动速度慢且定位精度低的问题，有利于提高复杂三维微结构表面的加工精度；
[0016](2)本实用新型采用宏微两级驱动形式，兼具宏驱动行程范围大和微驱动定位精度高的优点。宏驱动直接采用永磁直线电机驱动，省去了中间机械传动，减小了传动误差，可获得较高的速度与加速度，轨迹误差小，在高速下可获得良好的定位精度，有利于解决大幅值微结构表面的加工问题；
[0017](3)本实用新型的微位移驱动具有很高的线性度，通过巧妙的励磁机构设计，使得铁镓合金Galfenol工作在线性区域，比无励磁机构驱动方式输出的位移线性度更高，且该励磁机械机构保证在主轴做轴向宏观大位移运动时，励磁磁场保持不变；
[0018](4)本实用新型采用压力退火的铁镓合金Galfenol，无需预压力夹紧装置，更加易于微型化，且Galfenol工作温度范围较宽，参数受温度影响较小，有利于驱动器的稳定运行及精密控制。
[0019]【【附图说明】】
[0020]图1是本实用新型的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置的剖面图。
[0021]图2是本实用新型的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置进行直线移动后的剖面图。
[0022]【【具体实施方式】】
[0023]请参阅说明书附图1和附图2所示，本实用新型为一种能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，其由旋转电机1、旋转主轴2、支架3、直线轴4、定子铁芯5、永磁体6、直线电机线圈7、磁致伸缩材料8、磁致伸缩线圈9以及励磁永磁体10等几部分组成。
[0024]其中，所述旋转电机I通过旋转主轴2和直线轴4连接，使旋转电机I能够驱动直线轴4旋转。
[0025]所述直线轴4通过直线旋转轴承11支承于支架3上，其能沿直线旋转轴承10左右移动。
[0026]所述定子铁芯5固持于支架3上，其套设在直线轴4上。所述直线电机线圈7安装于定子铁芯5内。
[0027]所述永磁体6固持于直线轴4上，其和定子铁芯5相对设置。所述永磁体6的轴向充磁。
[0028]所述磁致伸缩材料8抵接在直线轴4上，其能驱动直线轴4进行微位移。在本实施方式中，所述磁致伸缩材料8为铁镓合金。所述磁致伸缩线圈9嵌设在定子铁芯5内。所述励磁永磁体10设置在磁致伸缩材料8和磁致伸缩线圈9之间。
[0029]本实用新型的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置的工作原理如下:旋转电机I通电后，旋转主轴2产生旋转运动；直线电机线圈7通电后产生的磁场，磁场透过定子铁芯5与永磁体3的轴磁场相互作用，从而驱动直线轴4产生大行程直线运动；当磁致伸缩线圈9通电后，改变励磁永磁体10的励磁磁场，进一步改变磁致伸缩材料8伸缩位移，进而使直线轴4产生微位移直线运动。而整个旋转直线运动由直线旋转轴承11支承，可以实现旋转-直线二自由度的运动，同时直线位移可以做到大行程微位移。
[0030]以上的【具体实施方式】仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
【主权项】
1.一种能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，其特征在于:包括旋转电机、旋转主轴、支架、直线轴、定子铁芯、永磁体、直线电机线圈、磁致伸缩材料、磁致伸缩线圈以及励磁永磁体；其中，所述旋转电机通过旋转主轴和直线轴连接；所述直线轴通过直线旋转轴承支承于支架上；所述定子铁芯固持于支架上，其套设在直线轴上；所述直线电机线圈安装于定子铁芯内；所述永磁体固持于直线轴上，其和定子铁芯相对设置；所述磁致伸缩材料抵接在直线轴上；所述磁致伸缩线圈嵌设在定子铁芯内；所述励磁永磁体设置在磁致伸缩材料和磁致伸缩线圈之间。2.如权利要求1所述的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，其特征在于:所述磁致伸缩材料为铁镓合金。3.如权利要求1所述的能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，其特征在于:所述永磁体的轴向充磁。
【专利摘要】本实用新型涉及一种能进行旋转和直线二自由度运行的驱动装置，包括旋转电机、旋转主轴、支架、直线轴、定子铁芯、永磁体、直线电机线圈、磁致伸缩材料、磁致伸缩线圈以及励磁永磁体；所述旋转电机通过旋转主轴和直线轴连接；所述直线轴通过直线旋转轴承支承于支架上；所述定子铁芯固持于支架上，其套设在直线轴上；所述直线电机线圈安装于定子铁芯内；所述永磁体固持于直线轴上，其和定子铁芯相对设置；所述磁致伸缩材料抵接在直线轴上；所述磁致伸缩线圈嵌设在定子铁芯内；所述励磁永磁体设置在磁致伸缩材料和磁致伸缩线圈之间。本实用新型能实现旋转-直线二自由度运行，采用一体化设计，具有宏微两级驱动形式，结构紧凑，能耗小。
【IPC分类】B81C1/00, H02K41/02, H02K41/06, H02K7/00, H02N2/02
【公开号】CN204886524
【申请号】CN201520647250
【发明人】雷美珍, 王立强, 夏永明, 丁海波
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月26日