阅读说明：本技术 一种基于gmm的宏微线性驱动器 (GMM-based macro-micro linear driver ) 是由 解甜 喻曹丰 黄其扬 熊美俊 王顺 于 2019-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于GMM的宏微线性驱动器，包括壳体、永磁铁、磁轭1、紧固螺钉、微动线圈、GMM棒、输出杆、动子支架、固定基座、直线导轨、光栅、水冷管、微动线圈骨架、直线滚动轴承、滑杆、磁轭2、隔磁套筒、宏动线圈、限位槽；宏动线圈通电，产生的洛伦兹力，使动子在永磁铁提供的稳定磁场中沿轴向移动，获得宏位移，洛伦兹力的大小与导电材料中电流的大小成正比，通过控制电流来调整宏位移，宏动系统初次定位结束后处于静止状态，微动系统根据检测到的系统误差做补偿控制，实现二次定位，微动线圈中通入电流，在GMM棒周围产生稳定的磁场，GMM棒在磁场作用下沿轴向伸长，获得微位移，补偿宏运动的定位精度，从而实现整个运动的精确定位。(The invention relates to a GMM (giant magneto-mechanical memory) based macro-micro linear driver, which comprises a shell, a permanent magnet, a magnet yoke 1, a fastening screw, a micro-motion coil, a GMM rod, an output rod, a rotor bracket, a fixed base, a linear guide rail, a grating, a water-cooled tube, a micro-motion coil framework, a linear rolling bearing, a sliding rod, a magnet yoke 2, a magnetism isolating sleeve, a macro-motion coil and a limiting groove, wherein the permanent magnet is arranged in the shell; the macro moving coil is electrified, the generated Lorentz force enables the rotor to move axially in a stable magnetic field provided by the permanent magnet, macro displacement is obtained, the magnitude of the Lorentz force is in direct proportion to the magnitude of current in the conductive material, the macro displacement is adjusted by controlling the current, the macro moving system is in a static state after the initial positioning is finished, the micro moving system performs compensation control according to the detected system error, secondary positioning is achieved, the current is introduced into the micro moving coil, the stable magnetic field is generated around the GMM rod, the GMM rod extends axially under the action of the magnetic field, micro displacement is obtained, the positioning precision of macro movement is compensated, and therefore the accurate positioning of the whole movement is achieved.)

一种基于GMM的宏微线性驱动器

技术领域

本发明涉及精密定位领域，具体是一种基于GMM的宏微线性驱动器。

背景技术

具有高精度、大行程的超精密进给系统在现代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位，它可以大大提高超精密机床的加工精度，对提高我国国民经济发展、缩短我国与发达国家在超精密加工、检测领域的差距，加快国防工业现代化建设具有重要意义。超磁致伸缩驱动器(GiantMagnetostrictiveActuator，GMA)是基于磁致伸缩正效应以超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial，GMM)为核心驱动元件，将电磁能转换为机械能的微位移输出装置。其不仅克服了传统位移驱动装置的缺点，而且较高的磁机转换效率也是其他功能材料所无法比拟的。凭借其输出力大、工作频率宽(0～100KHz)、微秒级的响应速度、可实现高精度控制等优异特性。但是由于超磁致伸缩材料的自身性能原因，造成超磁致伸缩驱动器的最大驱动行程小，一般小于0.2mm，远远达不到大行程的要求。

将永磁铁驱动技术应用于GMA设计，得到一种新型的大行程宏微驱动器，把宏动运动和微动运动集合在一起，既能满足精密定位的性能还能满足大行程的性能，从而提升驱动器整体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GMM的宏微线性驱动器，以进一步提高GMA的工作行程，拓宽其应用领域，并降低GMM固有的磁滞特性、涡流特性所引起的温变对GMA输出精度的影响。

宏微复合驱动平台的基本理念是利用小行程、高精度的微运动平台补偿大行程、粗精度的宏运动平台的运动误差，最终实现大行程、高精度的宏微复合运动。

本发明为了实现发明目的采用如下技术方案：

一种基于GMM的宏微线性驱动器，具体产品包括壳体(1)、永磁铁(2)、磁轭1(3)、紧固螺钉(4)、微动线圈(5)、GMM棒(6)、输出杆(7)、动子支架(8)、固定基座(9)、直线导轨(10)、光栅(11)、水冷管(12)、微动线圈骨架(13)、直线滚动轴承(14)、滑杆(15)、磁轭2(16)、隔磁套筒(17)、宏动线圈(18)、限位槽(19)，所述壳体(1)固定在固定基座(9)一侧，永磁铁(2)嵌于壳体(1)内侧，组成定子部分，磁轭1(3)通过紧固螺钉(4)固定在动子支架(8)，宏动线圈(18)包裹着水冷管(12)置于磁轭1(3)和永磁铁(2)一端的夹层中，磁轭1(3)内部由内向外依次包裹的GMM棒(6)、微动线圈骨架(13)、微动线圈(5)、磁轭2(16)组成微动结构，微动结构嵌入安装在中心部分，与隔磁套筒(17)、磁轭1(3)、宏动线圈(18)组成动子部分，输出杆(7)和滑杆(15)位于轴心两侧，动子支架(8)通过直线导轨(10)安装在固定基座(9)上，并且通过限位槽(19)限制行程，在动子支架(8)和固定基座(9)得同一侧装有光栅(11)用以测量位移。控制器会设定一个阈值，阈值为30μm，当输入位移信息后，控制器会启动宏微判断，当输入值小于阈值，启动微动部分运动，微动光栅尺实时进行位置反馈，形成闭环控制运动；当输入值大于阈值，控制器根据预定的控制算法控制宏动部分运动，宏动光栅尺实时反馈位置信息，控制器将反馈值与输入值求差，与阈值进行比较，若到达微动系统可以补偿的范围时，启动微动系统进行补偿，直到实现目标位置。

作为优选，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，在钕铁硼N38H瓦形永磁铁(2)提供的稳定磁场中，宏动线圈(18)通电，产生的洛伦兹力，推动动子部分沿轴向移动，获得宏动位移，洛伦兹的的大小与导电材料中电流的大小成正比，通过控制电流来调整宏位移定位。

作为优选，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，当宏动系统初次定位结束后，宏动系统处于静止状态，微动系统根据检测到的系统误差做补偿控制，实现二次定位，当微动线圈(5)中通入电流，在GMM棒(6)周围产生稳定的强磁场，在强磁场作用下，GMM棒(6)会沿轴向伸长，获得微位移，可以补偿宏运动的定位精度，从而实现整个运动的精确定位；作为优选，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，温度控制采用水冷温控法，磁轭1(3)充当骨架，外侧绕制一层直径为5mm的铜管用于水冷降温，带走线圈产生的热量，安装在驱动器中也不会因为导磁而影响磁路；铜管按照双螺旋交叉绕制，在保证绕制紧密的情况下也会使水对流换热效率提高。

作为优选，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，使用双“L”形支架作为支撑，动子支架(8)与驱动器的动子结构连接，线圈通入电流后，沿X方向做直线运动；固定基座(9)一侧有定子支架凸台，上方滑杆限位孔中安装有直线滚动轴承，减少线性运动摩擦力；两个支架叠加安放，中间装有直线导轨(10)和限位槽(19)进一步增加运动平稳性。

本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器与现有技术相比，其有益效果体现在：

宏动系统可通过光栅(11)实现快速高效定位，提高驱动器行程，微动系统实现精密进给和误差补偿，从而利用小行程、高精度的微运动补偿大行程、粗精度的宏运动的运动误差，最终实现大行程、高精度的宏微复合运动；由于宏微线性驱动器采用双“L”形支架作为支撑，结构更加紧凑，定位更为精确，性能更为稳定。

附图说明

图1是本发明一种基于GMM的宏微线性驱动器的结构装配示意图；

图中1-壳体，2-永磁铁，3-磁轭1，4-紧固螺钉，5-微动线圈，6-GMM棒，7-输出杆，8-动子支架，9-固定基座，10-直线导轨，11-光栅，12-水冷管，13-微动线圈骨架，14-直线滚动轴承，15-滑杆，16-磁轭2，17-隔磁套筒，18-宏动线圈，19-限位槽。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“设置”、“内侧”、“端部”、“内”、等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见附图1所示，本实施例提供一种基于GMM的宏微线性驱动器，包括壳体(1)、永磁铁(2)、磁轭1(3)、紧固螺钉(4)、微动线圈(5)、GMM棒(6)、输出杆(7)、动子支架(8)、固定基座(9)、直线导轨(10)、光栅(11)、水冷管(12)、微动线圈骨架(13)、直线滚动轴承(14)、滑杆(15)、磁轭2(16)、隔磁套筒(17)、宏动线圈(18)、限位槽(19)，所述壳体(1)固定在固定基座(9)一侧，永磁铁(2)嵌于壳体(1)内侧，组成定子部分，磁轭1(3)通过紧固螺钉(4)固定在动子支架(8)，宏动线圈(18)包裹着水冷管(12)置于磁轭1(3)和永磁铁(2)一端的夹层中，磁轭1(3)内部由内向外依次包裹的GMM棒(6)、微动线圈骨架(13)、微动线圈(5)、磁轭2(16)组成微动结构，微动结构嵌入安装在中心部分，与隔磁套筒(17)、磁轭1(3)、宏动线圈(18)组成动子部分，输出杆(7)和滑杆(15)位于轴心两侧，动子支架(8)通过直线导轨(10)安装在固定基座(9)上，并且通过限位槽(19)限制行程，在动子支架(8)和固定基座(9)得同一侧装有光栅(11)用以测量位移。控制器会设定一个阈值，当输入位移信息后，控制器会启动宏微判断，当输入值小于阈值，启动微动部分运动，微动光栅尺实时进行位置反馈，形成闭环控制运动；当输入值大于阈值，控制器根据预定的控制算法控制宏动部分运动，宏动光栅尺实时反馈位置信息，控制器将反馈值与输入值求差，与阈值进行比较，若到达微动系统可以补偿的范围时，启动微动系统进行补偿，直到实现目标位置。

作为本发明的一种优选方式，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，宏动线圈通电，产生的洛伦兹力，使动子部分在钕铁硼N38H瓦形永磁铁提供的稳定磁场中沿轴向移动，获得宏动位移，洛伦兹的的大小与导电材料中电流的大小成正比，通过控制电流来调整宏位移定位；

作为本发明的一种优选方式，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，当宏动系统初次定位结束后，宏动系统处于静止状态，微动系统根据检测到的系统误差做补偿控制，实现二次定位，当微动线圈中通入电流，在GMM棒周围产生稳定的强磁场，在强磁场作用下，GMM棒会沿轴向伸长，获得微位移，可以补偿宏运动的定位精度，从而实现整个运动的精确定位。

作为本发明的一种优选方式，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，温度控制采用水冷温控法，磁轭1充当骨架，外侧绕制一层直径为5mm的铜管用于水冷降温，带走线圈产生的热量，安装在驱动器中也不会因为导磁而影响磁路；铜管按照双螺旋交叉绕制，在保证绕制紧密的情况下也会使水对流换热效率提高。

作为本发明的一种优选方式，本发明提供的一种基于GMM的宏微线性驱动器，使用双“L”形支架作为支撑，动子支架与驱动器的动子结构连接，线圈通入电流后，沿X方向做直线运动；固定基座一侧有定子支架凸台，上方滑杆限位孔中安装有直线滚动轴承，减少线性运动摩擦力；两个支架叠加安放，中间装有直线导轨和限位槽进一步增加运动平稳性。

本实施例的一个具体应用过程为：

要实现轴向位移15.34432mm的位移，其步骤为：

(1)开启水冷装置，释放紧定螺钉，使轴获得轴向自由度；

(2)在控制面板输入目标值15.34432mm；

(3)程序自主识别当前位移量与目标值的差值，与阈值(30μm)比较，大于阈值时宏动线圈激活，通入约1.5A电流(电流具体数值由给定算法的程序控制)，当差值小于阈值时，宏动线圈的精度已经满足不了剩余位移所需的精度，微动线圈激活，控制程序给微动线圈通适当电流(大小由程序内的算法给定)，微动结构对余下位移进行补偿，直至位移达到15.34423mm。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。