CN110165803B - 一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器及其控制方法，属于精密加工技术领域。包括后端盖、定子、转子、线圈绕组，后端盖呈圆盘型结构，外围均匀布置6个通孔，通过螺钉固定到定子上，圆盘中心设置有通孔，用于放置滚动轴承，定子沿内部圆周均匀布置6个凸条，在定子一端面上均匀开出6个螺纹孔，通过螺钉与后端盖连接，在靠近螺纹孔一端的凸条上设置凹槽，在凹槽附近开有定子穿线孔，线圈绕组分别绕置于定子的6个凸台上，并通过定子穿线孔引出，转子通过轴承安装于后端盖上。调节通入线圈绕组电流的大小和通电间隔时间，控制转子的转动速度，调节通入转子内部螺线管线圈电流的大小，控制驱动器直动位移，能够同时实现转动和直动。
Description
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，具体涉及一种同时具有转动和直动的二自由度的驱动器及其控制方法。
背景技术
自由度的数量是评价精密加工装备性能的主要标志之一，自由度数越多的精密加工装备，其所加工出来的产品越精细。目前，为提高精密加工装备的自由度数，一般采用在现有装备的基础上直接增加直线驱动器或旋转电机的办法，这无疑使得精密加工装备的体积和质量都有所增加，使其加工性能有所降低。例如：数控机床的刀具在加工过程中会出现磨损，而磨损后的刀具在加工过程中会使加工误差增大，随着刀具磨损程度的加剧，数控机床的加工误差会越来越大。为解决这一问题，可采用在数控机床刀具中安装精密直线驱动器，以补偿刀具磨损量，且对于三轴以上数控机床，其刀具一般是高速旋转的。
因此，发明一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器，用于数控机床刀具磨损补偿，对改善现有精密加工装备的性能，促进我国装备制造业的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时具有转动和直动的二自由度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：一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器，包括后端盖、定子、转子、线圈绕组，所述后端盖呈圆盘型结构，外围均匀布置6个通孔，通过螺钉固定到定子上，圆盘中心设置有通孔，用于放置滚动轴承，所述定子沿内部圆周均匀布置6个凸条，在定子一端面上均匀开出6个螺纹孔，通过螺钉与后端盖连接，在靠近螺纹孔一端的凸条上设置凹槽，在凹槽附近开有定子穿线孔，所述线圈绕组分别绕置于定子的6个凸条上，并通过定子穿线孔引出，并按照顺时针分别命名为第一线圈绕组、第二线圈绕组、第三线圈绕组、第四线圈绕组、第五线圈绕组、第六线圈绕组，所述转子通过轴承安装于后端盖上。
所述转子包括转子后端盖、沉头螺钉、转子外壳、隔磁套筒、螺线管线圈、线圈骨架、超磁致伸缩棒、垫片、固定螺钉、导磁环、输出杆、碟形弹簧、转子前端盖，所述转子后端盖呈圆盘形结构，外围均匀布置6个沉头孔，中心布置一个圆柱形通孔，通过沉头螺钉固定到转子外壳上，另外设置一个转子穿线孔，所述转子外壳包括6个导流条、12个螺纹孔、和1个通孔，转子外壳的一端通过沉头螺钉与转子后端盖连接，另一端通过固定螺钉与转子前端盖连接，所述隔磁套筒呈圆筒状，安装于转子外壳的通孔中，并保持同轴，隔磁套筒的一端与转子后端盖相接，另一端与转子前端盖相接，所述线圈骨架安装于隔磁套筒的内部，并保持同轴，线圈骨架带轴的一端与转子后端盖相接，另一端与导磁环相接，所述螺线管线圈绕置于线圈骨架上，螺线管线圈的引线通过转子穿线孔引出，所述垫片有两个，分别置于超磁致伸缩棒的两端，所述超磁致伸缩棒由稀土超磁致伸缩材料制成，具有磁致伸缩正效应，安装于线圈骨架内部，并保持同轴，所述导磁环的一端与线圈骨架相接，另一端与转子前端盖相接，所述输出杆安装于导磁环的内部，并保持同轴，输出杆的一端与垫片相接，另一端与通过转子前端盖的通孔伸出，所述碟形弹簧安装于输出杆和转子前端盖之间，所述转子前端盖通过固定螺钉固定到转子外壳上。
一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器的控制方法，包括以下步骤：
S1：将第一线圈绕组和第四线圈绕组同时通入电流，其中第一线圈绕组的电流为I1和第四线圈绕组的电流为I4，两者电流值相等，方向相反，即I1＝-I4；
S2：经过时间T1后，将第二线圈绕组和第五线圈绕组同时通入电流，其中第二线圈绕组的电流为I2和第五线圈绕组的电流为I5，两者电流值相等，方向相反，即I2＝I1＝-I4＝-I5；
S3：经过时间T2后，将第三线圈绕组和第六线圈绕组同时通入电流，其中第三线圈绕组的电流为I3和第六线圈绕组的电流为I6，两者电流值相等，方向相反，即I3＝I2＝I1＝-I4＝-I5＝-I6；
S4：反复执行上述步骤，可实现驱动器转子的转动，通过T1和T2的值，可实现调速；
S5：在螺线管线圈中通入电流Iz，使螺线管线圈形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H；
S6：通过调节Iz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，实现直动位移的精确控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明基于安培力原理提出一种具有转动功能的驱动器方案，基于稀土超磁致伸缩材料的正磁致伸缩效应提出一种基于直动功能的驱动器方案，并将直动功能的驱动器作为转动驱动器的转子部分，实现了两者的同轴集成，使得整个驱动器同时具有转动和直动功能，具有结构集成度高、直动精度高、快响应的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明后端盖的结构示意图；
图3为本发明定子一端的结构示意图；
图4为本发明定子另一端的结构示意图；
图5为本发明转子结构的半剖示意图；
图6为本发明转子后端盖的结构示意图；
图7为本发明转子外壳的结构示意图；
图8为本发明隔磁套筒的结构示意图；
图9为本发明螺线管线圈和线圈骨架的结构示意图；
图10为本发明垫片的结构示意图；
图11为本发明超磁致伸缩棒的结构示意图；
图12为本发明导磁环的结构示意图；
图13为本发明输出杆的结构示意图；
图14为本发明转子前端盖的结构示意图；
图15为本发明转子所受力矩示意图。
图中：1-后端盖；2-定子；3-转子；4-线圈绕组；101-螺钉通孔；102-通孔A；201-凸条；202-螺纹孔A；203-凹槽；204-定子穿线孔；301-转子后端盖；302-沉头螺钉；303-转子外壳；304-隔磁套筒；305-螺线管线圈；306-线圈骨架；307-超磁致伸缩棒；308-垫片；309-固定螺钉；310-导磁环；311-输出杆；312-碟形弹簧；313-转子前端盖；401-第一线圈绕组；402-第二线圈绕组；403-第三线圈绕组；404-第四线圈绕组；405-第五线圈绕组；406-第六线圈绕组；3011-沉头孔；3012-通孔B；3013-转子穿线孔；3031-导流条；3032-螺纹孔B；3033-通孔C。
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1-15，本发明提供一种技术方案：一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器，包括后端盖1、定子2、转子3、线圈绕组4，所述后端盖1呈圆盘型结构，外围均匀布置6个螺钉通孔101，通过螺钉固定到定子2上，圆盘中心设置有通孔A102，用于放置滚动轴承，所述定子2沿内部圆周均匀布置6个凸条201，在定子2一端面上均匀开出6个螺纹孔A202，通过螺钉与后端盖1连接，在靠近螺纹孔一端的凸条上设置凹槽203，在凹槽203附近开有定子穿线孔204，所述线圈绕组4分别绕置于定子2的6个凸条201上，并通过定子穿线孔204引出，并按照顺时针分别命名为第一线圈绕组401、第二线圈绕组402、第三线圈绕组403、第四线圈绕组404、第五线圈绕组405、第六线圈绕组406，所述转子3通过轴承安装于后端盖1上。
所述转子3包括转子后端盖301、沉头螺钉302、转子外壳303、隔磁套筒304、螺线管线圈305、线圈骨架306、超磁致伸缩棒307、垫片308、固定螺钉309、导磁环310、输出杆311、碟形弹簧312、转子前端盖313，所述转子后端盖301呈圆盘形结构，外围均匀布置6个沉头孔3011，中心布置一个圆柱形通孔B 3012，通过沉头螺钉302固定到转子外壳303上，另外设置一个转子穿线孔3013，所述转子外壳303包括6个导流条3031、12个螺纹孔B3032、通孔C3033，一端通过沉头螺钉302与转子后端盖301连接，另一端通过固定螺钉309与转子前端盖313连接，所述隔磁套筒304呈圆筒状，安装于转子外壳303的通孔C 3033中，并保持同轴，一端与转子后端盖301相接，另一端与转子前端盖313相接，所述线圈骨架306安装于隔磁套筒304的内部，并保持同轴，其带轴的一端与转子后端盖301相接，另一端与导磁环310相接，所述螺线管线圈305绕置于线圈骨架306上，线圈引线通过转子穿线孔3013引出，所述垫片308有两个，分别置于超磁致伸缩棒307的两端，所述超磁致伸缩棒307由稀土超磁致伸缩材料制成，具有磁致伸缩正效应，安装于线圈骨架306内部，并保持同轴，所述导磁环310一端与线圈骨架306相接，另一端与转子前端盖313相接，所述输出杆311安装于导磁环310的内部，并保持同轴，一端与垫片308相接，另一端与通过转子前端盖313的通孔C 3033伸出，所述碟形弹簧312安装于输出杆311和转子前端盖313之间，所述转子前端盖313通过固定螺钉309固定到转子外壳303上。
实施过程：
转动部分操作步骤：
(1)为方便描述，将6个线圈绕组4按照顺时针顺序分别命名为第一线圈绕组401、第二线圈绕组402、第三线圈绕组403、第四线圈绕组404、第五线圈绕组405和第六线圈绕组406，首先，将第一线圈绕组401和第四线圈绕组404同时通入电流，其中第一线圈绕组401的电流为I1和第四线圈绕组404的电流为I4，两者电流值相等，方向相反，即I1＝-I4；
(2)经过时间T1后，将第二线圈绕组402和第五线圈绕组405同时通入电流，其中第二线圈绕组402的电流为I2和第五线圈绕组404的电流为I5，两者电流值相等，方向相反，即I2＝I1＝-I4＝-I5；
(3)经过时间T2后，将第三线圈绕组403和第六线圈绕组406同时通入电流，其中第三线圈绕组403的电流为I3和第六线圈绕组406的电流为I6，两者电流值相等，方向相反，即I3＝I2＝I1＝-I4＝-I5＝-I6；
(4)最后，反复执行上述步骤。
工作原理：线圈绕组4通入电流后会产生沿径向的磁场B，转子导流条3031在磁场中会产生沿轴向的感应电流I，根据安培力定律和左手定则，此时导流条3031会受到沿切向的安培力，其大小为F＝NBIL，由于对置两组线圈绕组同时通入大小相等、方向相反的电流，即产生磁极相反的两对磁场，此时导流条会受到一个转动力矩，力矩大小为F与转子直径D的乘积；由于线圈绕组的通电时间有一定间隔，能够保证转子以一定的转速持续转动下去，且可通过调节通电的间隔时间改变转子的转动速度，起到调速的作用。
直动部分操作步骤及工作原理：在螺线管线圈305中通入电流Iz，螺线管线圈305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307具有正磁致伸缩效应，在磁场强度H的作用下，超磁致伸缩棒307会发生伸长变形，推动输出杆311压缩碟型弹簧312，使输出杆311产生输出位移，形成直线运动，通过调节Iz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307的伸长量，实现直动位移的精确控制。
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 (2)
1.一种同时具有转动和直动的二自由度驱动器，包括后端盖(1)、定子(2)、转子(3)、线圈绕组(4)，其特征在于：所述后端盖(1)呈圆盘型结构，外围均匀布置6个螺钉通孔(101)，通过螺钉固定到定子(2)上，圆盘中心设置有通孔A(102)，用于放置滚动轴承，所述定子(2)沿内部圆周均匀布置6个凸条(201)，在定子(2)一端面上均匀开出6个螺纹孔(202)，通过螺钉与后端盖(1)连接，在靠近螺纹孔一端的凸条上设置凹槽(203)，在凹槽(203)附近开有定子穿线孔(204)，所述线圈绕组(4)分别绕置于定子(2)的6个凸条(201)上，并通过定子穿线孔(204)引出，并按照顺时针分别命名为第一线圈绕组(401)、第二线圈绕组(402)、第三线圈绕组(403)、第四线圈绕组(404)、第五线圈绕组(405)、第六线圈绕组(406)，所述转子(3)通过轴承安装于后端盖(1)上，所述转子(3)包括转子后端盖(301)、沉头螺钉(302)、转子外壳(303)、隔磁套筒(304)、螺线管线圈(305)、线圈骨架(306)、超磁致伸缩棒(307)、垫片(308)、固定螺钉(309)、导磁环(310)、输出杆(311)、碟形弹簧(312)、转子前端盖(313)，所述转子后端盖(301)呈圆盘形结构，外围均匀布置6个沉头孔(3011)，中心布置一个圆柱形通孔B(3012)，通过沉头螺钉(302)固定到转子外壳(303)上，另外设置一个转子穿线孔(3013)，所述转子外壳(303)包括6个导流条(3031)、12个螺纹孔B(3032)、和1个通孔C(3033)，转子外壳(303)的一端通过沉头螺钉(302)与转子后端盖(301)连接，另一端通过固定螺钉(309)与转子前端盖(313)连接，所述隔磁套筒(304)呈圆筒状，安装于转子外壳(303)的通孔C(3033)中，并保持同轴，隔磁套筒(304)的一端与转子后端盖(301)相接，另一端与转子前端盖(313)相接，所述线圈骨架(306)安装于隔磁套筒(304)的内部，并保持同轴，线圈骨架(306)带轴的一端与转子后端盖(301)相接，另一端与导磁环(310)相接，所述螺线管线圈(305)绕置于线圈骨架(306)上，螺线管线圈(305)的引线通过转子穿线孔(3013)引出，所述垫片(308)有两个，分别置于超磁致伸缩棒(307)的两端，所述超磁致伸缩棒(307)由稀土超磁致伸缩材料制成，具有磁致伸缩正效应，安装于线圈骨架(306)内部，并保持同轴，所述导磁环(310)的一端与线圈骨架(306)相接，另一端与转子前端盖(313)相接，所述输出杆(311)安装于导磁环(310)的内部，并保持同轴，输出杆(311)的一端与垫片(308)相接，另一端通过转子前端盖(313)的通孔C(3033)伸出，所述碟形弹簧(312)安装于输出杆(311)和转子前端盖(313)之间，所述转子前端盖(313)通过固定螺钉(309)固定到转子外壳(303)上。
2.一种用于权利要求1所述的同时具有转动和直动的二自由度驱动器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将第一线圈绕组(401)和第四线圈绕组(404)同时通入电流，其中第一线圈绕组(401)的电流为I1和第四线圈绕组(404)的电流为I4，两者电流值相等，方向相反，即I1＝-I4；
S2：经过时间T1后，将第二线圈绕组(402)和第五线圈绕组(405)同时通入电流，其中第二线圈绕组(402)的电流为I2和第五线圈绕组(405)的电流为I5，两者电流值相等，方向相反，即I2＝I1＝-I4＝-I5；
S3：经过时间T2后，将第三线圈绕组(403)和第六线圈绕组(406)同时通入电流，其中第三线圈绕组(403)的电流为I3和第六线圈绕组(406)的电流为I6，两者电流值相等，方向相反，即I3＝I2＝I1＝-I4＝-I5＝-I6；
S4：反复执行上述步骤，可实现驱动器转子的转动，通过T1和T2的值，可实现调速；
S5：在螺线管线圈(305)中通入电流Iz，使螺线管线圈(305)形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H；
S6：通过调节Iz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(307)的伸长量，实现直动位移的精确控制。
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