阅读说明：本技术 一种同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法 (Coaxial integrated macro-micro composite driver and control method thereof ) 是由 喻曹丰 代磊 郑爽 熊美俊 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法,兼具毫米级宏动与微米级微动的功能。宏动工况下,该驱动器的宏动线圈被导通,与固定永磁铁通过磁场相互作用,驱动除固定件以外的所有内部件沿轴线方向滚动产生宏动位移。微动工况下,该驱动器的微动线圈被导通产生磁场,使布置于中轴线上由超磁致伸缩材料制成的细棒在磁场作用下于非固定前端发生形变,推动微动杆沿轴向产生微动位移。两线圈导通时的相互影响由布置于其之间的隔磁筒隔绝。同时也对所用控制方法进行具体阐述。本发明的同轴集成式宏微复合驱动器的优点是：在精密定位的驱动过程中可满足大行程、高精度、重载荷、快响应、无衔接误差等特性,同时整体结构简单,制造方便。(The invention discloses a coaxial integrated macro-micro composite driver and a control method thereof, which have the functions of millimeter-scale macro motion and micron-scale micro motion. Under the macro-motion working condition, the macro-motion coil of the driver is conducted and interacts with the fixed permanent magnet through a magnetic field to drive all internal parts except the fixed part to roll along the axis direction to generate macro-motion displacement. Under the micro-motion working condition, a micro-motion coil of the driver is conducted to generate a magnetic field, so that a thin rod which is arranged on a central axis and is made of a giant magnetostrictive material deforms at the non-fixed front end under the action of the magnetic field, and the micro-motion rod is pushed to generate micro-motion displacement along the axial direction. The mutual influence of the two coils when the two coils are conducted is isolated by the magnetism isolating cylinder arranged between the two coils. The control method used is also specifically described. The coaxial integrated macro-micro composite driver has the advantages that: the driving process of the precise positioning can meet the characteristics of large stroke, high precision, heavy load, fast response, no connection error and the like, and meanwhile, the whole structure is simple and the manufacture is convenient.)

一种同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种精密定位技术领域的驱动装置，更确切的说是一种同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法。

背景技术

随着高端装备制造业的快速发展，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渐增加，宏微复合驱动方式是解决精密定位技术中大行程与高精度之间矛盾的主要手段，在工程应用中越来越多地被采用。目前，宏微复合驱动方式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，这样不仅导致工作台整体结构复杂，而且由于安装存在误差，更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，需要设计一种新型的具有大行程、高精度、大推力的宏微复合驱动器及具有较高精度的控制方法。

发明内容

本发明主要是解决现有驱动器所存在的问题，从而提供一种在精密定位的驱动过程中具备大行程、高精度、重载荷、快响应、无衔接误差等特性，同时整体结构简单，制造方便，且具有较高控制精度的一种同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种同轴集成式宏微复合驱动器，包括一宏动线圈骨架，一微动线圈骨架，一GMM棒，其特征在于：所述的宏动线圈骨架外侧设置有一宏动线圈，一固定套筒，一外壳，内侧设置有一磁轭套筒，所述的宏动线圈绕制于所述的宏动线圈骨架外侧凹槽内，其正极与负极分别与导线组一连接，所述的固定套筒一周每隔六十度沿其轴线方向贯穿设置有一滚动钢球列，并嵌套布置于所述的外壳内侧，所述的滚动钢球列上表面与所述的外壳接触，下表面与所述的宏动线圈，宏动线圈骨架后部以及磁轭套筒后部接触，使该宏动线圈可被通电的导线组一导通，并与所述的固定布置的弧形永磁铁通过磁场相互作用，驱动嵌套布置于所述的宏动线圈骨架内的所有部件沿轴线方向顺着所述的滚动钢球列下表面滚动并向前端产生宏动位移，所述的外壳后端布置有一后端盖，内侧均匀固定布置有六块弧形永磁铁，所述的后端盖通过螺栓组与所述的外壳、固定套筒固定连接，所述的磁轭套筒前端贴紧布置有一前端盖，并嵌套布置于所述的宏动线圈骨架和固定套筒的内侧。

所述的微动线圈骨架外侧设置有一微动线圈，一内磁轭筒，一隔磁筒，一导磁环，所述的微动线圈绕制于所述的微动线圈骨架外侧凹槽内，其正极与负极分别与导线组二连接，所述的内磁轭筒嵌套布置于所述的隔磁筒内，所述的隔磁筒嵌套布置于所述的磁轭套筒内侧，避免所述的宏动线圈与微动线圈导通时产生的磁场互相影响，所述的导磁环与所述的微动线圈骨架前端贴紧布置，并嵌套于所述的内磁轭筒内。

所述的GMM棒是由超磁致伸缩材料制成，其前后两端设置有一导磁块组，所述的导磁块组前端设置有一微动杆，后端布置有一中心螺栓，所述的微动杆环形端前端布置有一碟簧，并共同布置于所述的导磁环的中心槽内，且与所述的前端盖后端保持一定距离，所述的中心螺栓通过后端固定将所述的导磁块组，GMM棒及微动杆后端共同布置于所述的微动线圈骨架的中心槽内，并可在所述的微动线圈被通电的导线组二导通产生磁场，使所述的GMM棒在磁场作用下于非固定前端产生形变，推动所述的微动杆环形端压紧所述的碟簧并沿轴向产生微动位移。

一种同轴集成式宏微复合驱动器的控制方法，其特征在于包括以下几个步骤：

S1：建立宏动位移X_ma与通入宏动线圈电流I_ma之间的数学模型X_ma(I_ma)，微动位移X_mi与通入微动线圈电流I_mi之间的数学模型X_mi(I_mi)；

S2：求得X_ma(I_ma)函数的反函数I_ma(X_ma)，X_mi(I_mi)函数的反函数I_mi(X_mi)；

S3：设需要定位的距离为X₀，根据宏动和微动的行程大小，将X₀分解为宏动位移X_0a和微动位移X_0i；

S4：根据步骤S2求得的反函数，分别求出宏动线圈电流I_a(X_0a)和微动线圈电流I_i(X_0i)；

S5：将宏动线圈通入电流I_a，微动线圈通入电流I_i；

S6：利用位移传感器分别检测宏动位移和微动位移的大小(X_0ac，X_0ic)，并与设定的值(X_0a，X_0i)进行比较，再利用反馈控制算法进行误差调节，最终实现X₀的定位距离。

本发明的同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法的优点是：在精密定位的驱动过程中可满足大行程、高精度、重载荷、快响应、无衔接误差等特性，同时整体结构简单，制造方便，且具有较高控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种同轴集成式宏微复合驱动器的立体结构示意图；

图2为图1中同轴集成式宏微复合驱动器的立体剖面结构示意图；

图3为图1中同轴集成式宏微复合驱动器去除外壳后的立体结构示意图；

图4为图1中同轴集成式宏微复合驱动器的工作原理示意图；

其中：

20、导线组一；21、导线组二；

1、外接输水管；2、固定套筒；3、宏动线圈；4、宏动线圈骨架；5、磁轭套筒；6、前端盖；7、碟簧；8、微动杆；9；导磁环；10、外壳；11、微动线圈骨架；12、内磁轭筒；13、隔磁筒；14、弧形永磁铁；15、微动线圈；16、GMM棒；17、导磁块组；18、后端盖；22、中心螺栓；

19、滚动钢球列；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的同轴集成式宏微复合驱动器及其控制方法的优点是：在精密定位的驱动过程中可满足大行程、高精度、重载荷、快响应、无衔接误差等特性，同时整体结构简单，制造方便，且具有较高控制精度。

如图1、图2、图3、图4所示，一种同轴集成式宏微复合驱动器，包括一宏动线圈骨架4，一微动线圈骨架11一GMM棒16，该宏动线圈骨架4外侧设置有一宏动线圈3，一固定套筒2，一外壳10，内侧设置有一磁轭套筒5，该宏动线圈3绕制于所述的宏动线圈骨架4外侧凹槽内，其正极与负极分别与导线组一20连接，该固定套筒2一周每隔六十度沿其轴线方向贯穿设置有一滚动钢球列19，并嵌套布置于该外壳10内侧，该滚动钢球列19上表面与所述的外壳10接触，下表面与该宏动线圈3，宏动线圈骨架4后部以及磁轭套筒5后部接触，使该宏动线圈3可被通电的导线组一20导通，并与该固定布置的弧形永磁铁14通过磁场相互作用，驱动嵌套布置于该宏动线圈骨架4内的所有部件沿轴线方向顺着该滚动钢球列19下表面滚动并向前端产生宏动位移，由此实现毫米级别的宏观驱动，该外壳10后端布置有一后端盖18，内侧均匀固定布置有六块弧形永磁铁14，该后端盖18通过螺栓组1与该外壳10，固定套筒2固定连接，该磁轭套筒5前端贴紧布置有一前端盖6，并嵌套布置于该宏动线圈骨架4和固定套筒2的内侧。

如图1、图2所示，该微动线圈骨架11外侧设置有一微动线圈15，一内磁轭筒12，一隔磁筒13，一导磁环9，该微动线圈15绕制于该微动线圈骨架11外侧凹槽内，其正极与负极分别与导线组二21连接，其导通时产生的磁场可由该隔磁筒13隔绝，以免影响该宏动线圈3，该内磁轭筒12嵌套布置于该隔磁筒13内，该隔磁筒嵌套布置于该磁轭套筒内侧，避免宏动线圈3与微动线圈15导通时产生的磁场互相影响，该导磁环9与该微动线圈骨架11前端贴紧布置，并嵌套于该内磁轭筒12内。

如图1、图2、图4所示，该GMM棒16是由超磁致伸缩材料制成，其前后两端设置有一导磁块组17，该导磁块组17前端设置有一微动杆8，后端布置有一中心螺栓22，该微动杆8环形端前端布置有一碟簧7，并共同布置于该导磁环9的中心槽内，且与该前端盖6后端保持一定距离，该中心螺栓22通过后端固定将该导磁块组17，GMM棒16及微动杆8后端共同布置于该微动线圈骨架11的中心槽内，并可在该微动线圈15被通电的导线组二21导通产生磁场，使该GMM棒16在磁场作用下于非固定前端产生形变，推动该微动杆8环形端压紧该碟簧7并沿轴向产生微动位移，由此实现微米级别的微观驱动。

一种同轴集成式宏微复合驱动器的控制方法，该控制方法包括以下几个步骤：

S1：建立宏动位移X_ma与通入宏动线圈电流I_ma之间的数学模型X_ma(I_ma)，微动位移X_mi与通入微动线圈电流I_mi之间的数学模型X_mi(I_mi)；

S2：求得X_ma(I_ma)函数的反函数I_ma(X_ma)，X_mi(I_mi)函数的反函数I_mi(X_mi)；

S3：设需要定位的距离为X₀，根据宏动和微动的行程大小，将X₀分解为宏动位移X_0a和微动位移X_0i；

S4：根据步骤S2求得的反函数，分别求出宏动线圈电流I_a(X_0a)和微动线圈电流I_i(X_0i)；

S5：将宏动线圈通入电流I_a，微动线圈通入电流I_i；

S6：利用位移传感器分别检测宏动位移和微动位移的大小(X_0ac，X_0ic)，并与设定的值(X_0a，X_0i)进行比较，再利用反馈控制算法进行误差调节，最终实现X₀的定位距离。

如图1、图2、图4所示，该同轴集成式宏微复合驱动器的具体工作原理为：

宏动部分：六块弧形永磁铁14会产生一个沿径向的恒定磁场B，设宏动线圈3的长度为L，当宏动线圈3通入电流I_ma时，根据安培定律可知，此时宏动线圈3会受到安培力F的作用，其大小为BI_maL，根据左手定则可判断其方向为沿驱动器的轴向，在力F的作用下，宏动线圈骨架4及其内部所有器件和宏动线圈3一起沿轴向移动，实现宏动，通过调节I_ma值的大小，可控制所受到的力F的大小，由于宏动线圈骨架4为铁质材料，会受到弧形永磁体14的电磁力F₁，阻止其向外运动，且F₁随着宏动线圈骨架向外移动的距离增大而增大，当F₁与F相等时，宏动达到平衡，因此，可通过调节I_ma值的大小，控制宏动位移值。

微动部分：在微动线圈15中通入电流I_mi，其会形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场H，由于GMM棒16具有磁致伸缩效应，在磁场强度H的作用下，GMM棒16会发生伸长变形，推动微动杆8压缩碟簧7，使微动杆8产生输出位移，产生微动，通过调节I _mi值得大小，可控制所产生磁场H的大小，进而调节GMM棒16的伸长量，从而实现微动。通过综合调节I _ma和I_mi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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。