双激励三输出磁致驱动精密旋转装置及其驱动方法与流程

本发明涉及精密驱动领域，特别涉及一种双激励三输出磁致驱动精密旋转装置及其驱动方法。通过嵌入超磁致伸缩棒结合生物仿生触角驱动头，可以得到微弧度级的旋转精度。在此基础上，结合精密传动链的传递，不同半径输出旋钮的转换，实现对微弧度级旋转运动的放大和缩小，可以进一步得到理想的输出角度精度，得到微纳弧度级旋转运动和角度输出。本发明可为微纳操作、生物医学、航空航天等诸多领域提供技术支撑，亦可为微纳级力学性能测试装备的加载单元。

背景技术：

随着现代科学技术的迅猛发展，微纳加工、精密操作、航空航天等诸多科技领域发生了日新月异的变化。同时，伴随着这些领域科技的进步，对其核心技术也提出了更高的要求。现有的精密驱动其驱动单元主要是由压电陶瓷实现，压电驱动技术是一种利用压电材料的逆压电特性将电能转换成机械能的一种驱动方式。基于粘滑摩擦驱动原理的旋转惯性式压电驱动器具有结构简单、分辨率较高等优点在精密驱动领域被广泛应用，但是，这些因素均限制了其定位精度，在响应速度、有效行程以及输出精度上还有进一步的改善空间。此外，由于压电驱动器的服役工况往往承受较高工作温度、较大承载压力，难以实现纳米级精度的稳定运动输出。所以，原有的压电材料在某些方面已经不能满足研究人员在精密驱动领域对于驱动精度、驱动环境、工作温度的要求。

近些年来，超磁致伸缩棒走进人们的视线。在常温下由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生较大变化，即具有极大的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料被称为磁致伸缩材料，由于多为稀土构筑，又称稀土超磁致伸缩棒。这种材料具有很高的耐热温度，磁致伸缩性强。在室温下，具有能量转换效率高、能量密度大响应速度快、可靠性好、驱动方式简单等特性。伴随超磁致伸缩材料的应用，提出一种双激励三输出磁致驱动精密旋转装置及其驱动方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双激励三输出磁致驱动精密旋转装置及其驱动方法，解决现有技术存在的精密旋转装置在驱动过程中输出应力小、反应速度慢、精度不足等一系列问题。本发明采用超磁致伸缩棒，实现更快响应速度、更大应变力等一系列特性，再进一步通过搭配不同半径的输出轴，实现对旋转角度的进一步放大及缩小，最终得到理想的输出角度及精度。该装置具有结构紧凑、装配方便、定位精度高和行程大等特点。通过使用超磁致伸缩棒作为精密驱动元件可显著提高机械输出特性，在超精密加工、航空航天、生物医学等微纳旋转精密驱动与定位技术领域能够得到广泛应用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

双激励三输出磁致驱动精密旋转装置，包括工作支撑平台1、柔性精密平台2、精密驱动平台3和角度输出平台4。所述柔性精密平台2、精密驱动平台3和角度输出平台4均固定安装在工作支撑平台1上；所述精密驱动平台3固定安装在柔性精密平台2内部，为整个装置提供应力输出；所述角度输出平台4由三个不同半径的输出旋钮ⅰ、输出旋钮ⅱ和输出旋钮ⅲ组成，其中所述的输出旋钮ⅰ与旋孔ⅰ固定连接，输出旋钮ⅱ与旋孔ⅱ固定连接，输出旋钮ⅲ与旋孔ⅲ固定连接。

所述的工作支撑平台1是：旋孔ⅰ1-1、旋孔ⅱ1-2、旋孔ⅲ1-3加工在操作台1-4上，且旋孔ⅰ1-1、旋孔ⅱ1-2、旋孔ⅲ1-3具有相同的加工深度；滑轨1-5是两段带有凹槽的平行轨道；调整螺孔1-7和固定螺孔1-8加工在尾板1-6上，通过调整螺孔1-7的调整螺钉，可以改变柔性精密平台2与尾板1-6的相对位置；进一步通过固定螺孔1-8的固定螺钉，固定柔性精密平台2与尾板1-6的相对位置。

所述的柔性精密平台2是：驱动头2-1上面加工有均匀、细密的驱动齿2-2；半圆形柔性铰链ⅰ2-3和半圆形柔性铰链ⅱ2-5对称设置在左驱动杆2-4和右驱动杆2-8两侧；滑板2-6安装在滑轨1-5上，二者滑动接触，可以调整柔性精密平台2相对于工作支撑平台1位置；触板2-7通过调整螺钉调整柔性精密平台2相对于工作支撑平台1的位置，并通过固定螺钉固定；驱动中杆2-9连接驱动头2-1与触板2-7，位于整个柔性精密平台的中间位置；所述的左侧磁致伸缩位2-10和右侧磁致伸缩位2-11用于安装精密驱动平台3。

所述的精密驱动平台3是：磁致输出顶杆3-1固定安装在超磁致伸缩棒3-6的前端，并将超磁致伸缩棒3-6产生的伸缩特性传递给驱动头2-1；磁致支撑外壳3-2包裹在整个精密驱动平台3外部，由高磁导率的铁磁材料制成；线圈3-4位于线框3-3的外部；导线口3-5开设在线框3-3侧端；所述的超磁致伸缩棒3-6主要构成为tbdyfe材料；调整垫片3-7位于超磁致伸缩棒3-6尾部；预紧螺孔3-8与预紧螺钉螺纹配合，为超磁致伸缩棒3-6提供预紧力，提高超磁致伸缩棒3-6的伸缩性能。

所述的角度输出平台4是：输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2和输出旋钮ⅲ4-3分别具有不同的半径且依次减小；传动链ⅰ4-4连接在输出旋钮ⅰ4-3与输出旋钮ⅱ4-2之间，传动链ⅱ4-5连接在输出旋钮ⅱ4-2与输出旋钮ⅲ4-1之间；角度传感器ⅰ4-8、角度传感器ⅱ4-7和角度传感器ⅲ4-6分别检测输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2、输出旋钮ⅲ4-3输出的角位移。

采用三种不同半径的输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2和输出旋钮ⅲ4-3，从而产生三个不同分辨率的角位移，并且通过角度传感器ⅰ4-8、角度传感器ⅱ4-7和角度传感器ⅲ4-6分别对输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2和输出旋钮ⅲ4-3输出的角位移进行实时监测，进一步可以通过更换不同半径扩展输出旋钮，得到理想的角度输出位移及角度输出精度。

本发明的另一目的在于提供一种双激励三输出磁致驱动精密旋转驱动方法，采用预定的电信号通入线圈3-4，通过调节输入的电流实现对线圈3-4产生磁场的调控，进一步实现对超磁致伸缩棒3-6的伸缩控制；其中激励电信号为矩形波与正弦波，通过将正弦波复合叠加于矩形波的快速通电阶段，激发线圈周围产生磁场，调控双超磁致伸缩棒3-6在快速变形阶段处于小型共振状态，基于超声减摩效应降低在此阶段驱动头2-1与输出旋钮之间的摩擦阻力，驱动输出旋钮；其中矩形波的频率为，激励电压幅值为；所述的正弦波频率为，激励电压幅值为；矩形波与正弦波的频率比值为，激励电压幅值比为。

激励电流采用复合激励电信号，激励电流将触发通电导线线圈产生磁场，并且磁场随电流状态的变化而发生变化，进而触发磁场内的超磁致伸缩棒3-6产生伸缩效应。精密驱动部分采用磁致伸缩材料。所述的驱动头2-1为仿生触角设计，其上加工有细密的驱动齿2-2。

本发明的有益效果在于：本发明通过双激励磁致伸缩器件，可以实现微纳米级的旋转位移分辨率，并且可以提供多种不同精度角位移输出。本发明驱动单元采用超磁致伸缩棒，具有响应速度快、运动行程大、可靠性好、应变力大、工作范围广泛等一系列优点。与现有技术相比，本发明采用超磁致伸缩技术结合旋转运动放缩技术，可以得到对回转目标的精密角位移输出；本发明具有精密的驱动齿和驱动链可以保证运动的稳定性和精密特性；本发明具有多个输出旋钮可以同时输出多个角位移，并且可以通过传感器进行实时监测。此外由于此发明采用卧式布局方式，结构紧凑、装配方便、定位精度高，可以被广泛应用于微纳加工与定位、生物医疗和航空航天等领域。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的工作支撑平台的结构示意图；

图3为本发明的柔性精密平台的结构示意图；

图4为本发明的精密驱动平台的结构示意图；

图5为本发明的角度输出平台的结构示意图。

图中：1、工作支撑平台；2、柔性精密平台；3、精密驱动平台；4、角度输出平台；1-1、旋孔ⅰ；1-2、旋孔ⅱ；1-3、旋孔ⅲ；1-4、操作台；1-5、滑轨；1-6、尾板；1-7、调整螺孔；1-8、固定螺孔；2-1、驱动头；2-2、驱动齿；2-3、半圆形柔性铰链ⅰ；2-4、左驱动杆；2-5、半圆形柔性铰链ⅱ；2-6、滑板；2-7、触板；2-8、右驱动杆；2-9、驱动中杆；2-10、左侧磁致伸缩位；2-1、右侧磁致伸缩位；3-1、磁致输出顶杆；3-2磁致支撑外壳；3-3、线框；3-4、线圈；3-5、导线口；3-6、超磁致伸缩棒；3-7、调整垫片；3-8、预紧螺孔；4-1、输出旋钮ⅰ；4-2、输出旋钮ⅱ；4-3、输出旋钮ⅲ；4-4、传动链ⅰ；4-5、传动链ⅱ；4-6、角度传感器ⅲ；4-7、角度传感器ⅱ；4-8、角度传感器ⅰ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

本发明的双激励三输出磁致驱动精密旋转装置及其驱动方法，解决当前精密旋转运动驱动困难，难以准确地得到微弧度级和纳弧度级转动的问题。本发明装置由工作支撑平台、柔性精密平台、精密驱动平台和角度输出平台组成，所述的柔性精密平台、精密驱动平台和角度输出平台安装在工作支撑平台上。本发明装置由两根超磁致伸缩棒并行驱动，产生的角运动通过驱动头传递给角度输出平台，再配合不同半径的输出旋钮实现对旋转角度的二次放大或者缩小，同时预置在输出旋钮下方的角度传感器可以对输出角位移进行实时监测，最终得到理想的输出角位移。该装置由超磁致伸缩棒驱动，其具有输出应力大、响应速度快等优点。该装置可以在超精加工、精密光学和生物医学等微纳精密旋转驱动与定位技术领域中得到广泛应用。

参见图1至图5所示，本发明的双激励三输出磁致驱动精密旋转装置，包括工作支撑平台1、柔性精密平台2、精密驱动平台3和角度输出平台4。所述柔性精密平台2、精密驱动平台3和角度输出平台4均固定安装在工作支撑平台1上，工作支撑平台1保持其余各平台的相对位置；所述的柔性精密平台2的滑板2-6滑动安装在工作支撑平台1的滑轨1-5上，二者滑动接触，可以调整柔性精密平台2与工作支撑平台1的相对位置；所述精密驱动平台3固定安装在柔性精密平台2内部，精密驱动平台内的超磁致伸缩棒在通电导线周围磁场内展现其优异的磁致伸缩特性；所述角度输出平台4的三个不同半径输出旋钮分别固定安装在工作支撑平台1的三个旋孔上，由驱动头输入的旋转运动通过传动链在不同半径输出旋钮上使旋转角度放大及缩小，并且通过嵌入底部的角度传感器实时监测，得到微弧度级或纳弧度级精密角度的输出。本发明的旋转运动由固定安装在操作台1-4上的精密驱动平台3中的两组超磁致伸缩棒驱动，经过驱动头2-1与驱动旋钮之间的驱动齿2-2啮合传动，传递给驱动旋钮的旋转运动通过传动链将运动传递给其余不同半径的驱动旋钮，进而实现对产生的旋转运动进行放大和缩小作用，在角度传感器的实时监测下，得到理想的输出角度及精度。

参见图2所示，所述的工作支撑平台1由旋孔ⅰ1-1、旋孔ⅱ1-2、旋孔ⅲ1-3、操作台1-4、滑轨1-5、尾板1-6、调整螺孔1-7和固定螺孔1-8组成。其中所述的旋孔ⅰ1-1、旋孔ⅱ1-2、旋孔ⅲ1-3均安装在操作台1-4上；滑轨1-5由两段平行轨道组成，两段滑轨1-5均不达到滑轨1-5支撑侧极端，保证所述的柔性精密平台2的滑板2-6不至于脱离滑轨1-5，维持柔性精密平台2相对于角度输出平台4的位置；调整螺孔1-7配合调整螺钉，二者螺纹连接，用以调节柔性精密平台2与尾板1-6的相对位置；固定螺孔1-8配合固定螺钉，二者螺纹连接，用以固定柔性精密平台2与尾板1-6的相对位置。

参见图3所示，所述的柔性精密平台2由驱动头2-1、驱动齿2-2、半圆形柔性铰链ⅰ2-3、左驱动杆2-4、半圆形柔性铰链ⅱ2-5、滑板2-6、触板2-7、右驱动杆2-8和驱动中杆2-9组成。其中所述的驱动头其上面加工有细密的驱动齿2-2，精密地传递由精密驱动平台3产生的旋转运动；所述的驱动齿2-2具有很大的强度，可以在长期、高频工作中保持自身精度；所述的半圆形柔性铰链ⅰ2-3和半圆形柔性铰链ⅱ2-5对称设置在左驱动杆2-4以及右驱动杆2-8的相应位置上，二者均为半圆形结构的柔性铰链，可以对精密驱动平台3产生的磁致伸缩特性进行放大；滑板2-6安装在滑轨1-5上，二者滑动接触，调控柔性精密平台2相对于工作支撑平台1的位置；调整螺孔1-7和固定螺孔1-8加工在尾板1-6上，通过调整螺孔1-7的调整螺钉，可以改变柔性精密平台2与尾板1-6的相对位置；进一步通过固定螺孔1-8的固定螺钉，固定柔性精密平台2与尾板1-6的相对位置；所述的左驱动杆2-4、右驱动杆2-8和驱动中杆2-9为柔性精密平台的骨架，实现对精密驱动平台3的支撑作用；所述的左侧磁致伸缩位2-10和右侧磁致伸缩位2-11用于安装精密驱动平台3。

参见图4所示，所述的精密驱动平台3由磁致输出顶杆3-1、磁致支撑外壳3-2、线框3-3、线圈3-4、导线口3-5、超磁致伸缩棒3-6、调整垫片3-7和预紧螺孔3-8组成。其中所述的磁致输出顶杆3-1固定安装在超磁致伸缩棒3-6的前端，它可以将超磁致伸缩棒3-6产生的伸缩传递给驱动头2-1；磁致支撑外壳3-2构建起整个精密驱动平台3，由高磁导率的铁磁材料制成，屏蔽外界磁干扰保持输出精度；线圈3-4位于线框3-3外部，经过导线口3-5的导线激励，通入电信号进而产生磁场；所述的超磁致伸缩棒3-6的组成的主要成分为tbdyfe稀土材料，其在磁场作用下能展现其优异的伸缩特性，且具有较大的输出应力和输出精度；调整垫片3-7位于超磁致伸缩棒3-6尾部，防止预紧螺栓在预紧过程破坏超磁致伸缩棒3-6，影响超磁致伸缩棒的机械特性；预紧螺孔3-8与预紧螺钉螺纹配合，为超磁致伸缩棒3-6提供所需要的预紧力，提高超磁致伸缩棒3-6的伸缩性能。

参见图5所示，所述的角度输出平台4由输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2、输出旋钮ⅲ4-3、传动链ⅰ4-4、传动链ⅱ4-5、角度传感器ⅲ4-6、角度传感器ⅱ4-7和角度传感器ⅰ4-8组成。所述的输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2和输出旋钮ⅲ4-3分别具有不同的半径，实现对旋转运动的放大、缩小。其中所述的输出旋钮ⅰ4-1固定安装在旋孔ⅰ1-1上，所述的输出旋钮ⅱ4-2固定安装在旋孔ⅱ1-2上，所述的输出旋钮ⅲ4-3固定安装在旋孔ⅲ1-3；传动链ⅰ4-4连接在输出旋钮ⅰ4-3与输出旋钮ⅱ4-2之间，传动链ⅱ4-5连接在输出旋钮ⅱ4-2与输出旋钮ⅲ4-1之间；角度传感器ⅰ4-8、角度传感器ⅱ4-7和角度传感器ⅲ4-6分别用来检测输出旋钮ⅰ4-1、输出旋钮ⅱ4-2、输出旋钮ⅲ4-3输出的角位移。所述的传动链ⅰ4-4连接在输出旋钮ⅰ4-3与输出旋钮ⅱ4-2之间，旋转特性由输出旋钮ⅱ4-2传递给输出旋钮ⅲ4-3，将产生的传输旋转运动进一步缩小，精度放大；所述的传动链ⅱ4-5连接在输出旋钮ⅱ4-2与输出旋钮ⅲ4-1之间，将输出旋钮ⅱ4-2传递给输出旋钮ⅰ4-1，将产生的传输旋转运动进一步放大。

本发明的另一目的在于提供一种双激励三输出磁致驱动精密旋转驱动方法，采用预定的电信号通入线圈3-4，通过调节输入的电流实现对线圈3-4产生磁场的调控，进一步实现对超磁致伸缩棒3-6的伸缩控制；其中激励电信号为矩形波与正弦波，通过将正弦波复合叠加于矩形波的快速通电阶段，激发线圈周围产生磁场，调控双超磁致伸缩棒3-6在快速变形阶段处于小型共振状态，基于超声减摩效应降低在此阶段驱动头2-1与输出旋钮之间的摩擦阻力，驱动输出旋钮；其中矩形波的频率为，激励电压幅值为；所述的正弦波频率为，激励电压幅值为；矩形波与正弦波的频率比值为，激励电压幅值比为。

激励电流采用复合激励电信号，激励电流将触发通电导线线圈产生磁场，并且磁场随电流状态的变化而发生变化，进而触发磁场内的超磁致伸缩棒3-6产生伸缩效应。该装置采用三个不同半径的输出旋钮ⅰ、输出旋钮ⅱ和输出旋钮ⅲ，产生三个分辨率不同的角位移，并且可以通过角度传感器ⅰ、角度传感器ⅱ和角度传感器ⅲ分别对输出旋钮ⅰ、输出旋钮ⅱ和输出旋钮ⅲ的角位移进行实时监测，进一步可以通过更换不同半径扩展输出旋钮，得到理想的角度输出位移及角度输出精度。

本发明的工作原理如下：

本发明采用矩形波电信号作为磁场激励信号，由法拉第电磁感应定律得知，当对线圈内通入激励电流时，线圈周围产生相应的磁场。当对左侧磁致伸缩位的线圈施加矩形波信号，右侧磁致伸缩位的线圈不施加激励信号时，左侧磁致伸缩位通电的线圈周围产生磁场，右侧磁致伸缩位不通电的线圈周围则不产生磁场，同时由于两个半圆形柔性铰链的存在，超磁致伸缩棒产生的伸长或者缩短运动进一步扩大。所以当左侧磁致伸缩位超磁致伸缩棒发生伸长，而与此同时右侧磁致伸缩位的超磁致伸缩棒由于没有磁场的作用，没有伸缩变化，故驱动头2-1在左侧磁致伸缩位超磁致伸缩棒的伸长作用下，经由两组半圆形柔性铰链进行放大，将诱导驱动头2-1产生微小的右侧偏转运动，由于驱动头2-1与输出旋钮之间的啮合，驱动齿将输出的旋转运动传输给输出旋钮，在此过程中精密地完成旋转运动，最终得到理想的输出角度及输出精度。

再者，由于三组输出旋钮半径不同，上述情况将动力传输给中等半径的输出旋钮，再经过传动链的传递给不同半径的输出旋钮，中等输出旋钮传递给大半径旋钮，将输出的旋转运动进一步缩小，获得精度更大、角度更小的角度输出；当中等输出旋钮传递给小半径旋钮，将输出的旋转运动放大，期以获得较大旋转特性，甚至回转性的旋转特性。在此过程中，三组角度传感器可以对旋转角度进行实时监测，数字化地检测角度输出状态。不仅于此，还可以通过左侧磁致伸缩位的超磁致伸缩棒伸长，右侧磁致伸缩位的超磁致伸缩棒缩短，完成更大范围的驱动，原理与上述相同。

综合以上所述内容，本发明提供一种双激励三输出磁致驱动精密旋转装置及其驱动方法，解决了当前精密旋转装置在驱动过程中输出应力小、反应速度慢、精度不足等一系列问题。本发明所提出的一种双激励三输出磁致驱动精密旋转装置具有结构紧凑、装配方便、定位精度高和行程大等特点。通过使用超磁致伸缩棒作为精密驱动元件可显著提高机械输出特性，在超精密加工、航空航天、生物医学等微纳旋转精密驱动与定位技术领域能够得到广泛应用。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。