CN101521453A - 重载精密位移直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明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。

Description

重载精密位移直线电机

技术领域

本发明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、磁致伸缩材料领域发展迅速，产生了如巨磁致伸缩材料、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机敏材料，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，但是基于这些类智能材料在研制精密直线电机中，由于靠材料伸缩而产生的运动步距微小，这些伸缩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缩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缩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 Micromechanicsand Microengineering》(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 miniactuator for long-stroke positioning with nanometer resolution(微小大行程纳米精度定位磁致伸缩直线驱动器/电机)，该直线电机的设计基于尺蠖运动机理，由一个磁致伸缩机构和两个电磁铁机构，以及一个铁磁体平台组成；利用磁致伸缩驱动产生直线位移，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，以及磁致伸缩驱动部分和箝位部分连接的螺纹间隙都致使磁致伸缩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。

发明内容

本发明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，该电机采用三个伸缩机构，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。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：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。其中，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，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。

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。

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缩的机构或材料体，如磁致伸缩机构，压电伸缩机构、磁致形状记忆合金伸缩机构，电、磁流变液体伸缩机构以及电磁铁、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缩机构或材料体，也可以为不同种类的伸缩机构和材料体。

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。

本发明电机工作时，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，外部激励后卡紧机构伸长，卡紧在刚性导轨中，2)中间伸缩机构伸长，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缩机构均为激励伸长状态；4)断开后卡紧机构的磁激励，后卡紧机构收缩复原，与导轨脱离；5)断开中间伸缩机构激励，中间伸缩机构收缩至复原，由于此时前卡紧机构卡紧于刚性导轨中，中间伸缩机构收缩时带动后卡紧机构向前移动，移动量为中间伸缩机构收缩量；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缩还是中间伸缩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缩，伸缩传递途径中没有任何间隙环节，所以，无论是中间伸缩机构的伸缩量，还是前、后卡紧机构伸缩量都被完全的传递，即前、后卡紧机构，特别是需要精确输出位移的中间伸缩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，并结合中间伸缩机构的伸缩作动，带动负载。如果上述中间伸缩机构能够产生精密伸缩位移，并且如果上述前、后卡经机构能够产生大的卡紧力，那么本发明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，本发明具有如下有益效果：本发明充分利用了伸缩变形机构或物体可以产生精确伸缩变形和大输出力的特性，结合尺蠖运动机理将伸缩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缩变形量，以及变形机构或物体的伸缩输出力；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。

附图说明

图1是本发明的结构俯视图；

图2是本发明的结构前视图；

图3是本发明中间伸缩机构或前、后卡紧机构伸缩示意图；

图4是本发明无间隙连接框架结构及柔性铰链伸缩弹性变形示意图。

具体实施方式

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：中间伸缩机构1、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：中间伸缩机构1、前卡紧机构2、后卡紧机构3的结构形式相同，均为一种可伸缩的结构或材料体；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在中间伸缩机构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上在对应中间伸缩机构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中部与中间伸缩机构1连接的部分有一体化横梁13，并且横梁13中部开有与中间伸缩机构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11、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，将中间伸缩机构1、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缩量。

本实施例中，中间伸缩机构1、前卡紧机构2、后卡紧机构3均采用巨磁致伸缩驱动器。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。中间伸缩机构1、前卡紧机构2、后卡紧机构3的伸缩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)对中间伸缩机构1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，中间伸缩机构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及中间伸缩机构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伸长收缩复原，连带一体化螺母11与刚性导轨5脱离；

5)断开中间伸缩机构1激励，中间伸缩机构收缩至复原，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收缩时，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，移动量为中间伸缩机构1的收缩量；

6)断开前卡紧机构2激励，前卡紧机构2伸长收缩复原，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的伸缩还是中间伸缩机构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缩，伸缩位移传递途径中没有任何间隙环节，所以，无论是中间伸缩机构1的伸缩量，还是前、后卡紧机构2、3的伸缩量都被完全的传递，即前、后卡紧机构2、3，特别是需要精确输出位移的中间伸缩机构1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。如果上述中间伸缩机构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。

对于如巨磁致伸缩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25MPa的输出应力。对于采用一根由25×100mm巨磁致伸缩棒体制成的中间伸长机构1或卡紧机构2、3，在40000A/m磁场强度激励下可产生每步约100m的伸长量，约2000N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2000×2×0.2＝800N(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1mm/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缩在亚微米/纳米级，从而实现重负载精密移动。

Claims (5)

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1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缩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，所述中间伸缩机构、后卡紧机构、前卡紧机构为受外部激励可产生伸缩的机构或材料体，为磁致伸缩机构、压电伸缩机构、磁致形状记忆合金伸缩机构，电、磁流变液体伸缩机构以及电磁铁、永磁铁伸缩机构中任意一种。

5、根据权利要求1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。

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