CN117740350B - 一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法，该装置包括：包括支撑底座、旋转步进电机、抱紧式联轴器、顶部平台和柔顺转角缩小机构。该方法包括：构建外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件并结合空间约束，确定外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸；获取输入转角力矩；根据外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸并结合输入转角力矩，获取旋转驱动装置的输出转角。本发明通过搭建柔顺转角缩小机构进行输出转角的预测，能够实现在无传感器条件下进行精准开环控制。本发明作为一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法，可广泛应用于精密装备微纳操作技术领域。

Description

一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法

技术领域

本发明涉及精密装备微纳操作技术领域，尤其涉及一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法。

背景技术

扭转试验是测量扭转机械性能，例如剪切模量和剪切强度的主要手段。对于新兴的微纳材料而言，扭转试验中的扭转操作非常精细，需要依靠微旋转平台实现。从机械结构的角度，柔顺机构无运动副间隙，已被广泛用于构造微旋转平台。现有的柔顺微旋转平台主要基于柔顺双曲柄滑块机构、改进的柔顺双曲柄滑块机构或者是伴随着对称交叉机构的柔顺机构，在对称加载条件下，将直线输入位移/载荷转换为理论上的纯转动输出。在这些研究中，如果对称加载由多个驱动器实现，则需要高装配精度与协同控制精度，导致成本上升；如果对称加载由具有双向对称输出运动的压电叠堆驱动器实现，则在装置小型化时，压电叠堆驱动器的安装便利性与稳定性会受到影响。一些研究者从驱动单元的角度设计了紧凑的微旋转平台，例如：利用电磁线圈驱动单元、旋转静电驱动器或黏滑旋转驱动器，微旋转可以在紧凑的空间中实现。但是，这些精密旋转驱动单元成本高，不利于大规模工业化应用。利用常规的旋转步进电机配合一体化成型的柔顺转角缩小机构，可以在低成本条件下实现精密旋转驱动。然而，现有的柔顺转角缩小机构依赖于远程运动中心，需要相当高的制造精度来保持预期的性能，依然不利于降低成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法，通过搭建柔顺转角缩小机构进行输出转角的预测，能够实现在无传感器条件下进行精准开环控制。

本发明所采用的第一技术方案是：一种旋转驱动装置，包括支撑底座、旋转步进电机、抱紧式联轴器、顶部平台和柔顺转角缩小机构，所述旋转步进电机设置于所述支撑底座的中间并通过螺栓固定连接，所述支撑底座上表面与所述顶部平台固定连接，所述柔顺转角缩小机构内嵌于所述顶部平台，所述旋转步进电机通过所述抱紧式联轴器与所述柔顺转角缩小机构连接，其中：

所述支撑底座用于支撑旋转驱动装置；

所述旋转步进电机用于提供输入转角力矩；

所述抱紧式联轴器用于将所述输入转角力矩传递至所述柔顺转角缩小机构；

所述顶部平台用于支撑所述柔顺转角缩小机构；

所述柔顺转角缩小机构用于根据所述输入转角力矩进行调节，预测输出转角。

进一步，所述柔顺转角缩小机构包括输入轴、输出圆环结构、内侧等直梁、外侧等直梁和固定圆环结构，所述输入轴通过所述内侧等直梁与所述输出圆环结构连接，所述输出圆环结构通过所述外侧等直梁与所述固定圆环结构连接，所述固定圆环结构通过固定螺栓孔与所述顶部平台固定连接，其中：

所述输入轴用于将旋转步进电机提供的力矩传递至内侧等直梁；

所述内侧等直梁用于将输入轴传递的力矩转化为挠曲变形，并支撑输出圆环结构；

所述外侧等直梁用于支撑输出圆环结构，并跟随内侧等直梁发生挠曲变形；

所述输出圆环结构用于在内侧等直梁与外侧等直梁的变形协调作用下，预测输出转角；

所述固定圆环结构用于将柔顺转角缩小机构固定于顶部平台。

进一步，所述柔顺转角缩小机构关于所述输入轴的轴线中心对称。

进一步，所述外侧等直梁、所述内侧等直梁与所述输出圆环结构均不与所述顶部平台接触。

进一步，所述内侧等直梁的轴线与所述外侧等直梁的轴线对齐，所述内侧等直梁的数量与所述外侧等直梁的数量相等，且所述数量至少大于两个，所述外侧等直梁沿着所述输入轴的径向宽度与所述内侧等直梁沿着所述输入轴的径向宽度相等。

进一步，所述外侧等直梁上任一点至所述输入轴的轴线距离均大于所述内侧等直梁上任一点至输入轴的轴线距离。

本发明所采用的第二技术方案是：一种旋转驱动装置输出转角的预测方法，包括以下步骤：

构建外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件；

根据外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件并结合空间约束，确定外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸；

获取输入转角力矩；

根据外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸并结合输入转角力矩，获取旋转驱动装置的输出转角。

进一步，所述外侧等直梁的约束条件的表达式具体如下所示：

;

上式中，表示外侧等直梁的长度，/>表示外侧等直梁沿着所述输入轴轴线方向的厚度，/>表示外侧等直梁沿着输入轴径向的宽度。

进一步，所述内侧等直梁的约束条件的表达式具体如下所示：

;

上式中，表示内侧等直梁的长度，/>表示内侧等直梁沿着所述输入轴轴线方向的厚度，/>表示内侧等直梁沿着输入轴径向的宽度。

进一步，所述旋转驱动装置的输出转角的表达式具体如下所示：

;

上式中，表示旋转驱动装置的输出转角，/>表示作用于机构中心点上的输入力矩的大小，/>表示外侧等直梁的长度，/>表示等于输入轴直径加内侧等直梁长度的两倍加输出圆环结构径向宽度的两倍，/>表示杨氏模量，/>表示外侧等直梁横截面的惯性矩，/>表示悬臂梁数目。

本发明装置及预测方法的有益效果是：本发明通过搭建旋转驱动装置，其中包括柔顺转角缩小机构，进一步引入外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件，确定柔顺转角缩小机构中的外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸，结合输入转角力矩，获取旋转驱动装置的输出转角，采用的柔顺转角缩小机构不依赖远程运动中心，制造成本低，输出转角地预测方法不依赖于传感器的控制，能够实现在无传感器条件下进行精准开环控制。

附图说明

图1是本发明实施例一种旋转驱动装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一种旋转驱动装置输出转角的预测方法的步骤流程示意图；

图3是本发明具体实施例柔顺转角缩小机构的结构示意图；

图4是本发明具体实施例柔顺转角缩小机构内部结构的受力分析示意图；

图5是本发明具体实施例算例组二有限元仿真的边界条件设置的示意图；

图6是本发明具体实施例算例组二输出转角的有限元仿真结果与对应机构的仿真形变图；

图7是本发明具体实施例利用预测公式计算的各算例转角与有限元仿真结果对比图；

图8是本发明具体实施例各算例输入转角与输出转角的仿真值对比图。

附图说明：1、旋转步进电机；2、支撑底座；3、抱紧式联轴器；4、顶部平台、5、柔顺转角缩小机构；510、输入轴；520、输出圆环结构；530、内侧等直梁；540、外侧等直梁；550、固定圆环结构；6、固定螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明提供了一种旋转驱动装置，包括旋转步进电机1、支撑底座2、抱紧式联轴器3、顶部平台4和柔顺转角缩小机构5，旋转步进电机设置于支撑底座的中间并通过螺栓固定连接，支撑底座上表面与顶部平台固定连接，柔顺转角缩小机构内嵌于顶部平台，旋转步进电机通过抱紧式联轴器与柔顺转角缩小机构连接，其中：

支撑底座用于支撑旋转驱动装置；

旋转步进电机用于提供输入转角力矩；

抱紧式联轴器用于将输入转角力矩传递至柔顺转角缩小机构；

顶部平台用于支撑柔顺转角缩小机构；

柔顺转角缩小机构用于根据输入转角力矩进行调节，预测输出转角。

进一步，如图3所示，柔顺转角缩小机构包括输入轴510、输出圆环结构520、内侧等直梁530、外侧等直梁540和固定圆环结构550，输入轴通过内侧等直梁与输出圆环结构连接，输出圆环结构通过外侧等直梁与固定圆环结构连接，固定圆环结构通过固定螺栓孔6与顶部平台固定连接，其中：

输入轴用于将旋转步进电机提供的力矩传递至内侧等直梁；

内侧等直梁用于将输入轴传递的力矩转化为挠曲变形，并支撑输出圆环结构；

外侧等直梁用于支撑输出圆环结构，并跟随内侧等直梁发生挠曲变形；

输出圆环结构用于在内侧等直梁与外侧等直梁的变形协调作用下，预测输出转角；

固定圆环结构用于将柔顺转角缩小机构固定于顶部平台。

具体地，柔顺转角缩小机构关于输入轴的轴线中心对称，且外侧等直梁、内侧等直梁与输出圆环结构均不与顶部平台接触；

柔顺转角缩小机构采用一体式成型加工，通过欧拉伯努利梁的弹性变形实现转动运动，将输入的部分角位移转化为柔顺等直梁的变形能，使得输出角位移减小从而达到精密转动的功能；

内侧等直梁的轴线与外侧等直梁的轴线对齐，内侧等直梁的数量与外侧等直梁的数量相等，且数量至少大于两个，外侧等直梁沿着输入轴的径向宽度与内侧等直梁沿着输入轴的径向宽度相等；

外侧等直梁上任一点至输入轴的轴线距离均大于内侧等直梁上任一点至输入轴的轴线距离；

在本发明实施例中，输入转角由旋转步进电机提供，并由抱紧式联轴器传递至柔顺转角缩小机构的输入轴。基于仅在自由端受载的悬臂梁在自由端存在最大挠度的规律以及将悬臂梁径向均布并联，在各悬臂梁所受主动载荷呈中心对称的条件下，可以使悬臂梁挠度合成为转角输出的原理，通过内侧柔顺等直梁和外侧柔顺等直梁的弹性变形，将输入轴转角缩小为输出圆环结构的微转角输出。

参照图2，一种旋转驱动装置输出转角的预测方法，包括以下步骤：

S1、构建外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件；

具体地，为保证低成本精密旋转驱动装置输出转角的预测方法的精度，外侧等直梁的长度、外侧等直梁沿着输入轴轴线方向的厚度/>和外侧等直梁沿着输入轴径向的宽度/>，需要满足以下约束条件，使输出梁服从欧拉-伯努利梁假定，保持梁结构并避免平面外变形，即外侧等直梁的约束条件的表达式为：

;

上式中，表示外侧等直梁的长度，/>表示外侧等直梁沿着输入轴轴线方向的厚度，/>表示外侧等直梁沿着输入轴径向的宽度；

内侧等直梁的长度、内侧等直梁沿着输入轴轴线方向的厚度/>和内侧等直梁沿着输入轴径向的宽度/>（如图4所示）需要满足以下约束条件，使输入梁服从欧拉-伯努利梁假定，保持梁结构并避免平面外变形，即内侧等直梁的约束条件的表达式为：

;

上式中，表示内侧等直梁的长度，/>表示内侧等直梁沿着输入轴轴线方向的厚度，/>表示内侧等直梁沿着输入轴径向的宽度。

S2、根据外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件并结合空间约束，确定外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸；

S3、获取输入转角力矩；

S4、根据外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸并结合输入转角力矩，获取旋转驱动装置的输出转角。

具体地，基于卡式第二定理、欧拉-伯努利梁假定与转动几何关系，可以推导输出转角的预测公式为：

;

上式中，表示旋转驱动装置的输出转角，/>表示作用于机构中心点上的输入力矩的大小，/>表示外侧等直梁的长度，/>表示等于输入轴直径加内侧等直梁长度的两倍加输出圆环结构径向宽度的两倍，/>表示杨氏模量，/>表示外侧等直梁横截面的惯性矩，/>表示悬臂梁数目。

下面采用有限元仿真软件ANSYS Workbench验证柔顺转角缩小机构的转角缩小能力与以及输出转角预测公式的有效性；

选择HTL耐高温树脂(杨氏模量： 2.397GPa，泊松比： 0.31)作为材料，并进行自动网格划分。由于在静态建模过程中使用的卡氏第二定律是基于小变形假定的，因此，采用小变形有限元仿真进行验证。为了验证输出转角预测公式的普遍适用性，采用6个尺寸、载荷、n值不同的仿真算例，如表1所示；

表1 仿真算例

以算例组二为例，有限元仿真的边界条件如图5所示，其中，A为固定端约束，B为输入力偶。其输出转角的有限元仿真结果与对应机构的仿真形变如图6所示。利用预测公式计算的各算例转角与有限元仿真结果对比如图7所示；

由图7可知，在表1的6个算例中，利用预测公式计算的理论值相对仿真值的相对误差平均值小于7.60%，平均相对误差为4.59%。因此，本发明提供的输出转角预测公式具备有效性。

由图8可知，在表1的6个算例中，输出转角有限元仿真值均小于输入转角有限元仿真值。因此，本发明提供的柔顺转角缩小机构具有转角缩小能力。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种旋转驱动装置，其特征在于，包括支撑底座、旋转步进电机、抱紧式联轴器、顶部平台和柔顺转角缩小机构，所述旋转步进电机设置于所述支撑底座的中间并通过螺栓固定连接，所述支撑底座上表面与所述顶部平台固定连接，所述柔顺转角缩小机构内嵌于所述顶部平台，所述旋转步进电机通过所述抱紧式联轴器与所述柔顺转角缩小机构连接，其中：

所述支撑底座用于支撑旋转驱动装置；

所述旋转步进电机用于提供输入转角力矩；

所述抱紧式联轴器用于将所述输入转角力矩传递至所述柔顺转角缩小机构；

所述顶部平台用于支撑所述柔顺转角缩小机构；

所述柔顺转角缩小机构用于根据所述输入转角力矩进行调节，预测输出转角；

其中，所述柔顺转角缩小机构包括输入轴、输出圆环结构、内侧等直梁、外侧等直梁和固定圆环结构，所述输入轴通过所述内侧等直梁与所述输出圆环结构连接，所述输出圆环结构通过所述外侧等直梁与所述固定圆环结构连接，所述固定圆环结构通过固定螺栓孔与所述顶部平台固定连接；

所述输入轴用于将旋转步进电机提供的力矩传递至内侧等直梁；

所述内侧等直梁用于将输入轴传递的力矩转化为挠曲变形，并支撑输出圆环结构；

所述外侧等直梁用于支撑输出圆环结构，并跟随内侧等直梁发生挠曲变形；

所述输出圆环结构用于在内侧等直梁与外侧等直梁的变形协调作用下，预测输出转角；

所述固定圆环结构用于将柔顺转角缩小机构固定于顶部平台。

2.根据权利要求1所述一种旋转驱动装置，其特征在于，所述柔顺转角缩小机构关于所述输入轴的轴线中心对称。

3.根据权利要求2所述一种旋转驱动装置，其特征在于，所述外侧等直梁、所述内侧等直梁与所述输出圆环结构均不与所述顶部平台接触。

4.根据权利要求3所述一种旋转驱动装置，其特征在于，所述内侧等直梁的轴线与所述外侧等直梁的轴线对齐，所述内侧等直梁的数量与所述外侧等直梁的数量相等，且所述数量至少大于两个，所述外侧等直梁沿着所述输入轴的径向宽度与所述内侧等直梁沿着所述输入轴的径向宽度相等。

5.根据权利要求4所述一种旋转驱动装置，其特征在于，所述外侧等直梁上任一点至所述输入轴的轴线距离均大于所述内侧等直梁上任一点至输入轴的轴线距离。

6.一种如权利要求1所述的一种旋转驱动装置输出转角的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件；

其中，所述外侧等直梁的约束条件的表达式具体如下所示：

；

上式中，表示外侧等直梁的长度，/>表示外侧等直梁沿着所述输入轴轴线方向的厚度，/>表示外侧等直梁沿着输入轴径向的宽度；

所述内侧等直梁的约束条件的表达式具体如下所示：

；

上式中，表示内侧等直梁的长度，/>表示内侧等直梁沿着所述输入轴轴线方向的厚度，/>表示内侧等直梁沿着输入轴径向的宽度；

根据外侧等直梁的约束条件与内侧等直梁的约束条件并结合空间约束，确定外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸；

获取输入转角力矩；

根据外侧等直梁的尺寸与内侧等直梁的尺寸并结合输入转角力矩，获取旋转驱动装置的输出转角；

其中，所述旋转驱动装置的输出转角的表达式具体如下所示：

；

上式中，表示旋转驱动装置的输出转角，/>表示作用于机构中心点上的输入力矩的大小，/>表示外侧等直梁的长度，/>表示等于输入轴直径加内侧等直梁长度的两倍加输出圆环结构径向宽度的两倍，/>表示杨氏模量，/>表示外侧等直梁横截面的惯性矩，/>表示悬臂梁数目。