CN108206621A - 一种宏微两级驱动器及其控制方法 - Google Patents

一种宏微两级驱动器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种宏微两级驱动器及其控制方法，属于精密定位技术领域。包括外壳、第二线圈骨架、输出杆、端盖、预紧螺钉和接线端子，外壳内部安装有永磁圆筒，提供径向磁场，其内部设置有第一线圈骨架，用来绕制第一线圈，第二线圈骨架安装在第一线圈骨架内部，用来绕制第二线圈，第二线圈骨架内部设置有超磁致伸缩棒，端盖通过螺栓与第一线圈骨架固定连接，且端盖中心处开有输出孔，输出杆贯穿输出孔，预紧螺钉贯穿圆孔与螺纹孔螺纹连接，第一线圈两端分别连接有第一导线和第二导线。调节通入第一线圈的电流的大小，控制驱动器宏动，调节通入第二线圈的电流的大小，控制驱动器微动，能够实现大行程高精度驱动。

Description

一种宏微两级驱动器及其控制方法
技术领域
本发明属于精密定位技术领域，具体涉及一种宏微两级驱动器及其控制方法。
背景技术
随着高端装备制造业的大力发展，对兼具大行程、高精度、重载荷、快响应精密定位工作台的需求日益增加，宏微两级驱动器解决了精密定位技术中大行程与高精度之间的矛盾，宏微两级驱动器在工程应用中越来越多地被采用。
目前，通常采用串联叠加的安装方式布置宏微两级运动结构，即在宏动机构上直接放置微动机构，导致工作台整体结构复杂，且由于安装存在误差，导致宏微两级驱动之间存在衔接误差。压电陶瓷驱动器是应用最早且技术最成熟驱动装置，在现有宏微复合驱动的精密定位工作台中，微位移驱动器主要采用压电陶瓷驱动器，但压电陶瓷驱动器的输出力小，难以满足重载荷的需求。
因此，为满足我国高端装备制造业对精密定位装置的需求，需要设计研究一种新型的宏微两级驱动器，具有大行程、高精度、重载荷、快响应、结构简单、无衔接误差等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宏微两级驱动器及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种宏微两级驱动器，包括外壳、第二线圈骨架、输出杆、端盖、预紧螺钉和接线端子，所述外壳内部安装有永磁圆筒，且外壳一侧中心处开有圆孔，所述圆孔一侧开有输电孔，且外壳内部设置有第一线圈骨架，所述第一线圈骨架外围绕接有第一线圈，且第一线圈骨架一侧开有螺纹孔，所述第二线圈骨架安装在第一线圈骨架内部，且第二线圈骨架外围绕接有第二线圈，所述第二线圈骨架内部设置有超磁致伸缩棒，且超磁致伸缩棒一端与输出杆一端固定连接，所述端盖通过螺栓与第一线圈骨架固定连接，且端盖中心处开有输出孔，所述输出杆贯穿输出孔，且输出杆与端盖之间安装有碟簧，所述预紧螺钉贯穿圆孔与螺纹孔螺纹连接，且预紧螺钉一端通过垫片与超磁致伸缩棒另一端连接，所述第一线圈两端分别电性连接有第一导线和第二导线，且第一导线和第二导线均贯穿输电孔与接线端子电性连接，所述第二线圈两端分别电性连接有第三导线和第四导线，且第三导线和第四导线均贯穿输电孔与接线端子电性连接。
优选的，所述外壳一端螺纹连接有固定端盖，且固定端盖与永磁圆筒之间设置有密封圈，所述端盖和第一线圈骨架的外径相同，所述密封圈内径比端盖外径大10毫米。
优选的，所述输出杆为阶梯型结构。
优选的，所述碟簧设置有两个。
优选的，所述圆孔的直径比预紧螺钉头部的直径大30毫米。
优选的，所述壳体、端盖和输出杆均采用导磁性材料制成。
一种宏微两级驱动器的控制方法，包括以下步骤：
S1：第一线圈通入电流Ima，使第一线圈骨架和第一线圈形成通电导体；
S2：调节Ima值的大小，控制通电导体所受的力，使通电导体移动到所需位置，实现大范围宏动；
S3：第二线圈中通入电流Imi，使第二线圈形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H；
S4：通过调节Imi值的大小，控制所产生磁场H的大小，进而调节超磁致伸缩棒的伸长量，实现高精度微动。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明利用超磁致伸缩材料具有输出力大、精度高、响应速度快等优点，电磁驱动具有行程大、推力大、响应速度快等优点，将两者高度集成，设计一种新型的宏微两级驱动器结构，电磁驱动实现宏动，磁致伸缩效应实现微动，使得整个驱动器具有结构简单、无衔接误差、大行程、高精度、重载荷、快响应的优点。
附图说明
图1为本发明剖视结构示意图；
图2为本发明宏动的剖视结构示意图；
图3为本发明宏动后微动的剖视结构示意图；
图4为本发明整体结构示意图；
图5为本发明的主视结构示意图；
图6为本发明图2中A处的局部放大图。
图中：1-外壳；2-第二线圈骨架；3-输出杆；4-端盖；5-预紧螺钉；6-接线端子；7-永磁圆筒；8-圆孔；9-输电孔；10-第一线圈骨架；11-第一线圈；12-螺纹孔；13-第二线圈；14-超磁致伸缩棒；15-螺栓；16-输出孔；17-碟簧；18-垫片；19-第一导线；20-第二导线；21-第三导线；22-第四导线；23-密封圈；24-固定端盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种宏微两级驱动器，包括外壳1、第二线圈骨架2、输出杆3、端盖4、预紧螺钉5和接线端子6，所述外壳1内部安装有永磁圆筒7，且外壳1一侧中心处开有圆孔8，所述圆孔8一侧开有输电孔9，且外壳1内部设置有第一线圈骨架10，所述第一线圈骨架10外围绕接有第一线圈11，且第一线圈骨架10一侧开有螺纹孔12，所述第二线圈骨架2安装在第一线圈骨架10内部，且第二线圈骨架2外围绕接有第二线圈13，所述第二线圈骨架2内部设置有超磁致伸缩棒14，且超磁致伸缩棒14一端与输出杆3一端固定连接，所述端盖4通过螺栓15与第一线圈骨架10固定连接，且端盖4中心处开有输出孔16，所述输出杆3贯穿输出孔16，且输出杆3与端盖4之间安装有碟簧17，所述预紧螺钉5贯穿圆孔8与螺纹孔12螺纹连接，且预紧螺钉5一端通过垫片18与超磁致伸缩棒14另一端连接，所述第一线圈11两端分别电性连接有第一导线19和第二导线20，且第一导线19和第二导线20均贯穿输电孔9与接线端子6电性连接，所述第二线圈13两端分别电性连接有第三导线21和第四导线22，且第三导线21和第四导线22均贯穿输电孔9与接线端子6电性连接。
所述外壳1一端螺纹连接有固定端盖24，且固定端盖24与永磁圆筒7之间设置有密封圈23，所述端盖4和第一线圈骨架10的外径相同，所述密封圈23内径比端盖4外径大10毫米，防止灰尘进入；所述输出杆3为阶梯型结构，便于与碟簧17装配，所述碟簧17设置有两个，让微位移较大；所述圆孔8的直径比预紧螺钉5头部的直径大30毫米，便于转动预紧螺钉5；所述壳体1、端盖4和输出杆3均采用导磁性材料制成；
一种宏微两级驱动器的控制方法，包括以下步骤：
S1：第一线圈11通入电流Ima，使第一线圈骨架10和第一线圈11形成通电导体；
S2：调节Ima值的大小，控制通电导体所受的力，使通电导体移动到所需位置，实现大范围宏动；
S3：第二线圈13中通入电流Imi，使第二线圈13形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H；
S4：通过调节Imi值的大小，控制所产生磁场H的大小，进而调节超磁致伸缩棒14的伸长量，实现高精度微动。
工作原理：
宏动部分：永磁圆筒7会产生一个沿径向的恒定磁场B，当第一线圈11通入电流Ima时，会使第一线圈骨架10和第一线圈11形成通电导体，长度为L，根据安培定律可知，此时通电导体会受到安培力F的作用，其大小为BIL,根据左手定则进行可判断其方向为沿驱动器的轴向，第一线圈骨架10及其内部所有器件和第一线圈11一起沿轴向移动，实现宏动，通过调节Ima值得大小，可控制所受到的力的大小，从而控制移动的位移值。
微动部分：在第二线圈13中通入电流Imi，第二线圈13会形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H，由于超磁致伸缩棒14具有磁致伸缩效应，在磁场强度H的作用下，超磁致伸缩棒14会发生伸长变形，推动输出杆3压缩碟簧16，使输出杆3产生输出位移，产生微动，通过调节Imi值得大小，可控制所产生磁场H的大小，进而调节超磁致伸缩棒14的伸长量，从而实现微动。
通过综合调节Ima和Imi值得大小，可实现对所设计的新型宏微二级驱动器实现大行程范围内的超精密定位。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种宏微两级驱动器，包括外壳(1)、第二线圈骨架(2)、输出杆(3)、端盖(4)、预紧螺钉(5)和接线端子(6)，其特征在于：所述外壳(1)内部安装有永磁圆筒(7)，且外壳(1)一侧中心处开有圆孔(8)，所述圆孔(8)一侧开有输电孔(9)，且外壳(1)内部设置有第一线圈骨架(10)，所述第一线圈骨架(10)外围绕接有第一线圈(11)，且第一线圈骨架(10)一侧开有螺纹孔(12)，所述第二线圈骨架(2)安装在第一线圈骨架(10)内部，且第二线圈骨架(2)外围绕接有第二线圈(13)，所述第二线圈骨架(2)内部设置有超磁致伸缩棒(14)，且超磁致伸缩棒(14)一端与输出杆(3)一端固定连接，所述端盖(4)通过螺栓(15)与第一线圈骨架(10)固定连接，且端盖(4)中心处开有输出孔(16)，所述输出杆(3)贯穿输出孔(16)，且输出杆(3)与端盖(4)之间安装有碟簧(17)，所述预紧螺钉(5)贯穿圆孔(8)与螺纹孔(12)螺纹连接，且预紧螺钉(5)一端通过垫片(18)与超磁致伸缩棒(14)另一端连接，所述第一线圈(11)两端分别电性连接有第一导线(19)和第二导线(20)，且第一导线(19)和第二导线(20)均贯穿输电孔(9)与接线端子(6)电性连接，所述第二线圈(13)两端分别电性连接有第三导线(21)和第四导线(22)，且第三导线(21)和第四导线(22)均贯穿输电孔(9)与接线端子(6)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种宏微两级驱动器，其特征在于：所述外壳(1)一端螺纹连接有固定端盖(24)，且固定端盖(24)与永磁圆筒(7)之间设置有密封圈(23)，所述端盖(4)和第一线圈骨架(10)的外径相同，所述密封圈(23)内径比端盖(4)外径大10毫米。
3.根据权利要求1所述的一种宏微两级驱动器，其特征在于：所述输出杆(3)为阶梯型结构。
4.根据权利要求1所述的一种宏微两级驱动器，其特征在于：所述碟簧(17)设置有两个。
5.根据权利要求1所述的一种宏微两级驱动器，其特征在于：所述圆孔(8)的直径比预紧螺钉(5)头部的直径大30毫米。
6.根据权利要求1所述的一种宏微两级驱动器，其特征在于：所述壳体(1)、端盖(4)和输出杆(3)均采用导磁性材料制成。
7.一种宏微两级驱动器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：第一线圈(11)通入电流Ima，使第一线圈骨架(10)和第一线圈(11)形成通电导体；
S2：调节Ima值的大小，控制通电导体所受的力，使通电导体移动到所需位置，实现大范围宏动；
S3：第二线圈(13)中通入电流Imi，使第二线圈(13)形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H；
S4：通过调节Imi值的大小，控制所产生磁场H的大小，进而调节超磁致伸缩棒(14)的伸长量，实现高精度微动。
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