新型微步进旋转驱动器的设计与分析计算

　　0　引　　言

　　作为精密机械与精密仪器的关键技术之一-----------微位移技术,近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。压电、电致伸缩器件是应运而生的新型微位移器件,它具有结构紧凑、体积小、分辨率高及控制简单等优点,同时它没有发热问题,故在精密机械中得到了广泛应用。与之相应,人们在经过对各类型的弹性支撑的试验探索后,才逐步开发出体积小、无机械摩擦和间隙、灵敏度高的柔性铰链[1]。

　　笔者受自然界螺旋现象的启发,对现有的大量应用的螺旋弹簧进行改造,设计出一种新型运动转换机构,如图1所示。此运动转换机构分为A、B、C 3节,其中A、C2节相同且关于B节对称;B、A和B、C之间分别有3片相同的矩形螺旋弹簧沿圆周均匀分布,螺旋角为β,螺距为h,螺旋半径为R;A、C节上各有一对矩形拨叉副[2-4]。

　　1　微步进旋转驱动器的结构和工作原理

　　1·1　微步进旋转驱动器的结构

　　驱动器各元件之间的装配关系如图2、图3所示,微位移器D置于运动转换器的内部,两端靠螺钉与A节、C节相连并预紧。由微位移器D产生的位移,经运动转换机构输出角位移,同时由拨叉副传给输出轴1和输出轴2。制动器A、B、C协调配合,通过相应的箝位块实现对输出轴和运动转换器的箝位,从而实现步进旋转

　　1·2　微步进旋转驱动器的工作原理

　　步进运动实现的条件为:箝位的动作过程;驱动过程;箝位和驱动的协调配合过程[5]。该微步进旋转驱动器的工作方式为:箝位-旋转-箝位。驱动器的转子总成上运动转换机构通过结构的变形把微位移器D的直线运动转化为旋转运动。初始状态时运动转换机构处于自由状态,制动器B箝位,制动器A和C松开。若要实现逆时针方向转动,则按如下步骤进行:①制动器B通电箝位B节;②制动器A,C松开;③微位移器D通电伸长带动A节和C节同时旋转一个角度Δθ;④制动器A、C由松开变为箝位;⑤制动器B由箝位变为松开;⑥微位移器D断电恢复原长。这样就完成了一个动作循环。重复上述步骤,该微步进旋转驱动器可以实现逆时针连续步进旋转。同理,改变箝位的动作顺序可以实现机构的顺时针旋转输出[6-8]。

　　2　微步进旋转驱动器的分析计算

　　2·1　条件假设

　　(1)该机构受力时,矩形弹簧的长度和螺旋半径不变。

　　(2)由于是微小变形,仅考虑轴向载荷与周向载荷。

　　(3) A节、B节、C节部分受力时,不会产生变形。

　　2·2　输出转角Δθ与输入位移Δh的关系

　　变形协调关系如图4所示。