[实用新型]任意行程纳米级步距电磁冲击直线驱动器

说明书

本项目的任意行程纳米级步距电磁冲击直线驱运器属机电领域中的微步距驱动装置。

随着现代工业的发展需要，要求机械设备的精密化、小型化及微型化也越来越高，作为微小型设备关键技术的精密微步距驱动装置，已成为当今国际机电领域的研究热点。1991年日本东京大学生产技术研究所利用电致伸缩器件研制成双向微步距驱动装置(IDM)，该装置理论上解决了任意行程、微步距驱动、微结构等问题，然而，单片压电和电致伸缩晶片单位驱动电压下，输出位移是极有限的，为了获得足够的位移输出，实际应用中，常采用多片薄片经一定处理叠成一定厚度，经上述处理的压电和电致伸缩器件，拉、压方向上的输出力显然不一致，IDM驱动过程中，器件实际上要承受拉、压两种冲击作用，且其中一方向微步距运动就是利用驱动电压急剧下降时，压电和电致伸缩器件快速恢复原长，引起惯性体和移动体的相向冲击，来实现装置(即移动体)该方向的抗摩擦步进运动，该冲击显然是有限的，从而导致了装置的双向驱动力及双向步距精度不一致。1994年我国广东工学院机器人教研室采用三个独立的压电陶瓷研制成仿生型步进式直线驱动器(Inchworm)，该装置虽实现了大行程和微步距驱动。但，由于压电陶瓷最大拉、压输出力不一致，也存在装置双向驱动时，驱动不一致的问题，以及在结构上难于微型化和驱动电压较高等不足。此外，音圈电机和直线步进电机等虽也获得了多方面的应用，但前者行程太短，后者很难获得纳米级步距精度。

本项目的目的在于研制一种结构尺寸十几毫米级，任意行程，双向驱动力及双向步距精度一致的其步距及速度易调节易控制的纳米级步距电磁冲击式驱动装置。

本项目的任意行程纳米级步距电磁冲击直线驱动器由冲击块总成、导磁体、永磁体、磁极块、线圈、回位机构及档圈所构成。本驱动器的工作原理是基于对置于平面上的物体端面的轻轻冲击，即可实现对物体位置的精确微动定位调节。通过对线圈中的电流信号频率、幅值的改变，来控制和改变冲击块总成对该装置冲击的能量大小，以实现精确的步距控制，并获得足够的驱动速度。

附图1为本发明的任意行程纳米级步距电磁冲击直线驱动器的结构示意图。

本驱动器装置采用对称的结构形式，即由两个装有磁极块(3)的永磁体(5)、(12)分别安装在两个杯形导磁体(4)、(11)的内底盘中间位置，再将其置于冲击块总成(13)内，使两个磁极块(3)分别与固定在冲击块总成中梗上的具有一定预紧的两个回位机构(6)相接触构成一完整的冲击结构，在冲击块总成两头分别绕置线圈(8)、(10)，在两线圈之间的冲击块总成上还分别设置有位置可调的两个档圈(2)，用于限制和调节冲击块总成的行程，隔磁套筒(1)套装在两个杯形导磁体(4)、(11)上使整个装置构成一整体。摩擦力调节机构(9)通过压板(7)传给整个装置，其目的是若使用在上下运动场合，提供一定的摩擦力，防止驱动器自动下落，导向槽(14)为该驱动器的使用提供运动导向。

本驱动器的详细工作原理及过程是，当电脉冲控制信号流经处于永久磁场中的线圈时，使线圈产生电磁力，导致冲击块总成克服回位机构的阻力以一定的加速度运动，并引取档圈对导磁体冲击，从而实现驱动器在冲击方向上的抗摩擦运动，直到该脉冲信号结束运动终止。此时，冲击块总成又在回位机构的作用下而复位，等待下一电脉冲信号的到来。因此，重复上述的控制和运动，驱动器将以一定的步距精度驱动任意要求的行程。显然，当线圈通以反向电脉冲控制信号时，由于永久磁场的作用，在通电线圈中将产生反向电磁力，并导致冲击块总成克服回位机构的阻力产生反向运动，进而引取对应档圈和对应导磁体的冲击，实现驱动器反向抗摩擦运动。

由本驱动器的对称结构及上述工作原理和过程可知，本驱动器不仅完全实现了任意行程的要求，而且实现了双向驱动力及双向步距精度一致的目的。由上述工作原理还可知，本驱动器的步距取决于冲击能量(当然也与被驱动件的力学性态、质量、驱动器回位机构的预紧及其摩擦力调节有关)，驱动器的速度取决于冲击能量和冲击频率。因此，通过调节电脉冲控制信号的幅度和频率，可以十分方便地控制驱动器的步距和速度。此外，由于驱动器双线圈结构，通过适当的控制，极易实现快进快退，快进慢退，慢进快退，慢进慢退，即宏速度级或步距的自动选择和控制。