CN102501226B - 一种宏微驱动变形导轨精密回转装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宏微驱动变形导轨精密回转装置，包括在底座的上表面固定安装有力矩电机的壳体和轴承壳体，轴承壳体上端内沿台阶上套接有轴承，轴承的内环与中间回转体套接，中间回转体的下端与轴承内环压盖连接；轴承内环压盖的下端外沿设置有圆光栅；力矩电机的壳体上表面设置有连接件，连接件的下端与力矩电机的转轴固定连接，连接件和中间回转体同时与微动机构下端连接，微动机构上端面与回转工作台固定连接。本发明的装置，通过设置直线运动变形导轨，压电致动器微动精度高、受力状况好；可高精度地宏、微联动控制，实现大回转范围的高精度连续回转控制。

Description

一种宏微驱动变形导轨精密回转装置
技术领域
本发明属于精密数控机械技术领域，涉及一种宏微驱动变形导轨精密回转装置。
背景技术
随着科学技术的发展，大回转范围(如180度、360度以上)、全载荷(包括Fx、FZ、FY的三项力及MX、MY、MZ的三项矩，共六项全载荷)的精密超精密数控回转机械需求越来越多，如超精密回转检测机械、超精密回转传动机械、超精密回转加工机械等精密回转运动机械的工作精度已经开始进入10-1～10-3角秒(1角秒，即1″约为0.00028度)级，因此角秒～微角秒级的精密和超精密数控回转机械成为高端数控机械的重要发展方向之一。超精密级数控机械的驱动、传动、导轨装置对其回转运动精度影响很大。提高大回转范围、全载荷精密超精密数控回转机械精度的有效途径之一是采用宏驱动和微驱动相结合的宏微驱动系统，由宏驱动实现大回转范围回转运动，由微驱动实现角秒～微角秒级精密和超精密回转运动。
回转运动的宏驱动一般采用机电结合模式(由伺服电机驱动，经齿轮或蜗轮机械传动)带动输出轴回转；另一种是采用力矩电机直接驱动模式(将力矩电机(大力矩的伺服电机)的转子与输出轴合为一体，定子与壳体合为一体，实现无任何中间机械传动环节(即零传动)的直接驱动。回转运动的微驱动一般采用压电致动器或磁致伸缩致动器等微致动器，通过微致动器的伸缩(直线运动)、柔性铰链机构的传动驱使微动机构的回转体回转。宏微驱动相结合的方式为宏驱动和微驱动串联方式，微驱动的输入端与宏驱动的输出端(可称为宏动回转体)连接，微驱动的输出端(微动回转体)与回转工作台连接。
回转工作台的外载荷(包括工作载荷和重力载荷)一般包括Fx、FY、FZ三项力及MX、MY、MZ三项矩六项全载荷，其中回转方向的外载荷MZ由宏微驱动机构承受，其余外载荷Fx、FY、FZ及MX、MY由导轨副承受。回转工作台的运动精度(可用偏差描述)也有六项ex、ey、ez、eθx、eθy、eθz，其中回转方向的精度eθz取决于微驱动机构，其余五项精度(可用导向误差ex、ey、ez、eθx、eθy表示)取决于导轨副的导向精度。目前的宏微驱动回转装置的主要结构是：仅在宏驱动机构的宏动回转体与宏动壳体之间设置回转导轨(用轴承作回转导轨)。
现有技术存在的不足有：(1)微致动器的直线运动没有导向装置，将影响微动的运动精度(直线运动同样也有ex、ey、ez、eθx、eθy、eθz共六项误差)；(2)由于微致动器没有导向装置，微驱动器将会承受三项力及三项矩六项载荷，而微驱动器采用压电致动器时，压电致动器不宜承受横向力和力矩，将影响微致动器的工作性能；(3)回转工作台与宏动回转体之间没有设置回转导轨，回转工作台的六项全载荷全部要通过微驱动机构传递，因此回转工作台不能承受大的全载荷，除了驱动力矩MZ取决于微压电致动器的选择外，只适合无Fx、FY、FZ及MX、MY载荷或为微小载荷场合应用；(4)除了回转工作台的回转方向的精度取决于微驱动机构外，其余五项精度取决于宏动回转体与宏动壳体之间的导轨副的导向精度，而宏动导轨副的导向精度有限，因此制约了回转工作台的其他五项精度的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种宏微驱动变形导轨精密回转装置，解决了现有技术导向精度不高、不能承受大的全载荷的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种宏微驱动变形导轨精密回转装置，包括在底座的上表面固定安装有力矩电机的壳体和轴承壳体，轴承壳体上端的内沿台阶上套接有轴承，轴承的内环与中间回转体套接，中间回转体的下端与轴承内环压盖连接；
轴承内环压盖的下端外沿设置有圆光栅；
力矩电机的壳体上表面设置有连接件，连接件的下端与力矩电机的转轴固定连接，连接件和中间回转体同时与微动机构下端连接，微动机构上端面与回转工作台固定连接。
本发明的有益效果是：通过设置直线运动变形导轨，压电致动器直线运动精度提高、受力状况转好；具有总闭环控制，既可宏、微单独控制(微动时宏动停止，宏动时微动停止)，又可高精度地宏、微联动控制；宏、微结合实现大回转范围(360度以上)的精密定位，实现大回转范围的高精度连续回转控制；回转工作台与底座间设置了回转导轨，可以承受更大的全载荷；微动机构的对称于回转工作台回转轴线布置的柔性铰可以对工作转台的回转导轨的导向误差进行补偿，提高回转工作台的运动进精度。
附图说明
图1是本发明回转装置实施例1的结构示意图；
图2是图1的B-B截面俯视示意图；
图3是本发明装置中的中间回转体的结构示意图；
图4是本发明装置中的微动机构的结构示意图。
图中，1.底座，2.力矩电机，3.轴承壳体，4.圆光栅，5.轴承内环压盖，6.轴承，7.轴承外环压盖，8.中间回转体，9.连接件，10.微动机构，11.垫片，12.压电致动器，13.回转工作台，81.圆柱体，82.两边突起，83.凹槽，101.固定体，102.移动体，103.回转体，104.柔性铰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的宏微驱动变形导轨精密回转装置，就是一种力矩电机与压电致动器串联宏微驱动及柔性铰变形导轨精密回转装置。
如图1、图2所示，本发明的宏微驱动变形导轨精密回转装置结构是，包括在底座1的上表面固定安装有力矩电机2的壳体和轴承壳体3，轴承壳体3上端内沿台阶上套接有轴承6，轴承6的外环上表面压接有轴承外环压盖7，轴承6的内环与中间回转体8套接，中间回转体8的下端与轴承内环压盖5连接，轴承内环压盖5和中间回转体8固定连接并分别压紧轴承6内环的下、上表面，轴承外环压盖7与轴承壳体3固定连接且压紧轴承6外环的上表面，并将轴承外环下表面与轴承壳体3的台阶面压紧；
轴承内环压盖5的下端外沿设置有圆光栅4，圆光栅4的光栅尺固定安装在轴承内环压盖5上，圆光栅4的读数头固定安装在轴承壳体3上，构成宏微驱动的总闭环控制；
力矩电机2的壳体上表面设置有连接件9，连接件9的下端与力矩电机2的转轴固定连接，连接件9和中间回转体8同时与微动机构10下端连接。
图1也是图2中的A-A截面图。
参照图3，中间回转体8的结构包括具有通孔的圆柱体81，圆柱体81的直径两边设置有突起82，圆柱体81的通孔上端设置有凹槽83。
参照图2、图4，微动机构10包括一对固定体101和一对回转体103，依次对称间隔排列在圆周，一对固定体101和一对回转体103围成的中间空间设置有移动体102，在移动体102内腔设置压电致动器12，固定体101与连接件9的上端面固定连接；固定体101与移动体102之间、以及移动体102与回转体103之间通过多个柔性铰104连接；两个回转体103下端面与中间回转体8的上端两边突起82分别固定连接，回转体103上端面与回转工作台13固定连接。连接件9设置在中间回转体8的凹槽83中但不与凹槽83圆周接触。
轴承6作为回转工作台13与底座1之间的回转导轨，回转导轨采用十字交叉滚子轴承、复合滚针轴承、静压轴承或气浮轴承；回转工作台与底座间设置的回转导轨，可以承受大的全载荷；柔性铰可以对工作转台的回转导轨的导向误差进行补偿，提高回转工作台的运动进精度。
本发明的装置，压电致动器的伸缩推动微动机构的移动体作微小直线运动，对称于压电致动器轴线两侧布置的柔性铰构成直线运动的变形导轨，对压电致动器的直线运动进行导向，提高微动的运动精度和避免(或减少)压电致动器承受横向力和力矩；对称于回转工作台回转轴线布置的柔性铰一方面将压电致动器和与其固定连接的微动机构的移动体的微小直线运动转变为微动机构的回转体和与其固定连接的回转工作台的微小回转运动，同时可以对回转工作台的回转导轨的导向误差(ex、ey、ez、eθx、eθy)进行补偿，提高回转工作台的运动进精度。

Claims (5)

1.一种宏微驱动变形导轨精密回转装置，其特征在于，包括在底座（1）的上表面固定安装有力矩电机（2）的壳体和轴承壳体（3），轴承壳体（3）上端的内沿台阶上套接有轴承（6），轴承（6）的内环与中间回转体（8）套接，中间回转体（8）的下端与轴承内环压盖（5）连接；
轴承内环压盖（5）的下端外沿设置有圆光栅（4）；
力矩电机（2）的壳体上表面设置有连接件（9），连接件（9）的下端与力矩电机（2）的转轴固定连接，连接件（9）和中间回转体（8）同时与微动机构（10）下端连接，微动机构（10）上端面与回转工作台（13）固定连接。
2.根据权利要求1所述的宏微驱动变形导轨精密回转装置，其特征在于，所述的中间回转体（8）包括具有通孔的圆柱体（81），圆柱体（81）的上端直径两边设置有突起（82），圆柱体（81）的通孔上端设置有凹槽（83）。
3.根据权利要求1所述的宏微驱动变形导轨精密回转装置，其特征在于，所述的微动机构（10）的结构是，包括一对固定体（101）和一对回转体（103）依次对称间隔排列在圆周，一对固定体（101）和一对回转体（103）围成的中间空间设置有移动体（102），在移动体（102）内腔设置压电致动器（12），固定体（101）与连接件（9）的上端面固定连接；固定体（101）与移动体（102）之间以及移动体（102）与回转体（103）之间通过多个柔性铰（104）连接；两个回转体（103）下端面与中间回转体（8）的上端两边突起（82）分别固定连接，回转体（103）上端面与回转工作台（13）固定连接。
4.根据权利要求1所述的宏微驱动变形导轨精密回转装置，其特征在于，所述的圆光栅（4）的光栅尺固定安装在轴承内环压盖（5）上，圆光栅（4）的读数头固定安装在轴承壳体（3）上。
5.根据权利要求1所述的宏微驱动变形导轨精密回转装置，其特征在于，所述的轴承（6）作为回转工作台（13）与底座（1）之间的回转导轨，采用十字交叉滚子轴承、复合滚针轴承、静压轴承或气浮轴承。
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