CN100515666C - 用于精密运动系统的摩擦驱动系统及所使用的圆柱形轴 - Google Patents
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Abstract
一种用在摩擦驱动系统中的可弹性变形传动件。所述可弹性变形传动件在其与移动件之间的接触区域处将推力传递给移动件。所述可弹性变形传动件的弹性变形，例如受到垂直于所述移动件运动方向的预加载力的作用后产生的变形，会使得所述可弹性变形传动件和所述移动件之间的接触区域增大。接触区域的增大会降低所述可弹性变形传动件和所述移动件中的应力，进而降低磨损。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种精密运动系统，特别地讲，涉及一种使用了带有可弹性变形驱动元件的摩擦驱动器的低成本高传力方法和装置。
背景技术
在包括光传导和加工设备的组装和校正在内的许多制造应用方面都需要精度在10纳米以下的精密运动系统。传统上，精密运动是由DC或AC伺服电机、高精度的反馈编码器、高精度的直线轴承组合在一起提供的。然而，包含有这些子系统的6轴运动控制台非常昂贵。这些子系统也很复杂，从而会引起可靠性问题。
一种替代这些复杂精密系统的系统是使用摩擦驱动器的运动系统。摩擦驱动器通常包括由动力源例如电机转动的驱动轴及沿直线方向移动的工作台，所述工作台由于受到所述轴的转动而施加在其上的摩擦力(推力)的作用而直线运动。然而，摩擦驱动器的所述驱动轴通常会受到过分磨损。这是因为，摩擦驱动器需要很大的预负载，以便获得绝大部分运动应用场合中所必需的推力，而又不会出现摩擦驱动器打滑。
为了克服该磨损问题，低磨损材料，例如陶瓷可用于所述驱动轴。然而，低磨损材料使用起来昂贵，并且在必要的构型下通常很难加工。低磨损材料还会对所述驱动轴的摩擦系数造成负面影响。
因此，需要一种能够提供足以移动多种加工设备的大推力而又不会导致所述驱动轴过分磨损的摩擦驱动器。
发明内容
本发明提供了一种用于精密运动系统的摩擦驱动系统，其包括移动件和圆柱形传动件，其中，预加载力被施加在所述传动件上以将传动件压向所述移动件，所述传动件通过在接触区域与所述移动件摩擦接触而将推力传递给所述移动件，所述传动件发生弹性变形而使其半径在所述预加载力的方向上减小、在垂直于所述预加载力的方向上增加，由此增大所述传动件和所述移动件之间的接触区域。
本发明还提供了一种用在精密运动系统的摩擦驱动系统中的圆柱形轴，包括：接触部分，其在预加载力作用下通过与移动件的摩擦接触而将推力传递给所述移动件；所述接触部分构造成圆柱形壁，所述圆柱形壁具有这样的厚度，即能够使得所述圆柱形壁在预加载力的作用下发生弹性变形，以导致所述圆柱形轴的半径在所述预加载力的方向上减小、在垂直于所述预加载力的方向上增加，由此增大所述圆柱形轴和所述移动件之间的接触区域。
本发明还提供了一种用于精密运动系统的摩擦驱动系统，包括：移动件，其在第一方向上移动；圆柱形轴，其具有圆柱形的表面，所述圆柱形表面在预加载力作用下与所述移动件接触，因此所述轴的转动能够通过摩擦接触而沿着所述第一方向将推力传递给所述移动件；所述轴具有与形成圆柱形壁的所述圆柱形表面同心的孔，所述圆柱形表面在预加载力作用下发生弹性变形，以导致所述圆柱形轴的半径在所述预加载力的方向上减小、在垂直于所述预加载力的方向上增加，由此增大圆柱形轴和所述移动件之间的接触区域。
接触区域的增大会降低所述可弹性变形传动件和所述移动件中的应力，进而降低磨损。
显然，上面的概述和下面的详细描述都是示例性的，本发明并不限制于此。
附图说明
通过阅读下面根据附图所做的详细描述，就能更好地理解本发明。应该强调指出，根据通常情况，附图的各种特征并不成比例。相反，为了清楚起见各种特征的尺寸被人为放大或缩小。附图如下：
图1是现有技术的摩擦驱动器；
图2是根据本发明的示例性实施例的具有可变形传动件的摩擦驱动器；
图3是图2中摩擦驱动器沿着图2中线3-3剖切的剖视图；
图4A是图2中摩擦驱动器的有限元分析的图解说明，其表示的是在力作用之前的开孔结构；
图4B是图2中摩擦驱动器的有限元分析的图解说明，其表示的是变形情况；
图5和5A是根据本发明示例性实施例的用于装有粘弹性阻尼材料的摩擦驱动器中的可弹性变形传动件；
图6和6A分别是图5和5A中的可弹性变形传动件沿着线6-6和6A-6A剖切的剖视图；
图7是根据本发明示例性实施例的用于装有磁阻尼的摩擦驱动器中的可弹性变形传动件的剖视图；
图8A是根据本发明示例性实施例的由作用有预加载力的摩擦驱动器的内部轴驱动的可弹性变形传动件的剖视图；
图8B是没有预加载力作用时图8A中的可弹性变形传动件的剖视图。
具体实施方式
现参照附图，其中在各个附图中相同的附图标记表示相同的元件，图1表示的是现有技术的摩擦驱动器2。电机30为轴10提供转动力，使得轴10绕着其轴线沿转动方向16转动。移动件20具有表面22，该表面的一部分与轴10的接触区域11相接触。预加载力13施加在轴10上，从而使轴10以正比于预加载力13的接触力压在表面22上。通过轴10的转动，轴10用作在表面22上产生摩擦力(未示出)的传动件。摩擦力起着推力作用，使移动件20沿着运动方向26(也即第一方向)移动。根据一阶近似计算，摩擦力(或推力)与预加载力13成正比。支承辊40沿着与预加载力相反的方向推压移动件20，以便在轴10和移动件20之间维持均匀的接触压力。
如果用在精密定位装置中，上述现有技术的摩擦驱动器具有一个问题。为了使移动件20作精密运动，轴径最好最小化。这是因为电机的角度误差会转换为移动件中更小的定位误差。然而，在精密的定位装置中，移动件可能具有实体块例如夹具、工件、附件和类似物，这就需要大的预加载力来产生足够大推力。轴10的小直径和大的预加载力共同作用，就会导致轴、移动件或两者的过度磨损。
如图2和3所示，本发明通过提供可弹性变形传动件100克服了与摩擦驱动器相关的上述及其他问题。可弹性变形传动件100可以与图2中所示的驱动轴形成为一体。在示例性实施例中，可弹性变形传动件100可被安装在图1所示的现有技术摩擦驱动器2中。然而，可弹性变形传动件100不局限于图1所示和上述的摩擦驱动器，对于本领域普通技术人员来说，显然其可安装在其它替代性摩擦驱动器中。
在图2和3的示例性实施例中，可弹性变形传动件100在旋转超声电机30的脉冲作用下沿着转动方向106转动。显然转动脉冲可通过不同于旋转超声电机的装置来提供，例如旋转气动致动器、旋转液压致动器、丝杠和类似物。然而，旋转超声电机，特别是用来自日本东京Shinsei公司的型号为D6030的驱动器驱动的电机同样来自Shinsei公司的型号为USR30的旋转超声电机，能够提供高度可靠的角位移。
预加载力103施加在可弹性变形传动件100上，使其压向移动件20的表面22上。支承辊40使移动件20压向可弹性变形传动件100，以便尽管在移动件20运动过程中出现了较小非线性，也能在可弹性变形传动件100和移动件20的表面22之间维持均匀的接触力。可弹性变形传动件100的转动和接触力在移动件20的表面22上产生摩擦力。该摩擦力起着推力作用，使移动件20沿着运动方向26移动。运动方向26基本上垂直于预加载力103的方向。
可弹性变形传动件100在接触区域101处与移动件20的表面22接触(如图3所示)。可弹性变形传动件100在预加载力103所产生的接触力的作用下发生弹性变形。与直径等于可弹性变形传动件100的非变形传动件的接触区域相比，所述弹性变形将会增大接触区域101。因为所述接触力与非变形传动件的接触力相同，所以推力基本上相同。然而，因为接触力能被分散在增加的接触区域上，所以在可弹性变形传动件100和移动件20的表面22之间由于摩擦接触所产生的磨损就会降低。
可弹性变形传动件100的直径被最小化，以维持定位解析度。定位解析度会被旋转超声电机30中的角度误差降低。因此，当直径减小时，角度误差就会转换为更小的定位误差而且精确度得到改善。在本发明的示例性实施例中，所述直径小于大约5.25mm，能够获得小于10nm的步进精度。减小可弹性变形传动件100的直径也会增加推动力，而增加可弹性变形传动件100的直径则会增加移动件20的速度。
可弹性变形传动件100包括具有用于承受扭转载荷和为了获得所希望的推力而必需的预载荷的足够强度的材料。所述材料也希望具有使其在所施加的接触力作用下能够发生弹性变形的足够弹性，以便获得所希望的推力。在示例性实施例中，可弹性变形传动件100包括热处理不锈钢。
在示例性实施例中，可弹性变形传动件100包括圆柱形壁或环111。圆柱形壁111的厚度尺寸的选取，要使之能够在为了获得所希望的推力而必要的接触压力的位置处提供弹性变形，而其直径是基于为了获得所希望的定位解析度而选取的。所述弹性变形使得可弹性变形传动件100在预加载力103的方向上半径减小，在垂直于预加载力103的方向上(也即运动方向26)半径增大。在运动方向26上增大的半径使得在接触区域101处的曲率半径增大，从而使得接触区域101增大。圆柱形环可与旋转超声电机30的轴形成一体，并可被例如形成旋转超声电机30的轴外径的圆柱形表面和与外径基本同心的孔105限定。孔105可由车削、铣削或其他能够在轴中提供基本上同心的孔的加工方法形成。在外径约为5.25mm的可弹性变形传动件100的示例中，所述孔的直径可在大约4mm和4.6mm之间。厚度在大约0.325mm和0.625mm之间并包括热处理不锈钢材料形成的圆柱形壁发生变形，以增大在可弹性变形传动件100和移动件20之间的接触区域101。
可弹性变形传动件100的变形及由此引起的接触区域101的增大降低了接触应力(由于预加载力103而施加在接触区域上的力所产生的应力)。在示例性实施例中，该接触应力减小到低于可弹性变形传动件100、移动件20或两者遭受磨损的屈服应力的水平。该磨损是在接触应力超过圆柱形壁111或移动件20的材料的屈服应力时由圆柱形壁111或表面22的表面的损坏引起的。
可弹性变形传动件100的变形增加了可弹性变形传动件100在运动方向26上的刚度。这是因为刚度随着半径的增加而增加，而圆柱形壁111的半径在运动方向26上增加了。在运动方向26上所增加的刚度通过减小死区和游隙改善了摩擦驱动系统的定位精度。
如图4A和4B所示，有限元模型(FEM)被用来分析可弹性变形传动件100。为了建模目的，可弹性变形传动件100给出的是上面为直线工作台的示例性实施例所提供的尺寸。扬氏模量采用190-210GPa。用于分析而施加的预加载力范围为10-30磅。如图4B所示，由于接下来预加载力的作用，在模型可弹性变形传动件100B中发生了弹性变形，从而增大了其与移动件20的接触区域。
在示例性实施例中，如图5和6所示，孔105所提供的空间用于向可弹性变形传动件100C提供缓冲。具体地讲，在图5所示的示例性实施例中，粘弹性材料500安置在孔105中。粘弹性材料500可如图5和6所示填满孔105。作为一种替代性方法，内部轴108可通过用粘弹性材料500填满圆柱形壁111和内部轴108之间的间隙而安置在孔105中。内部轴108可如图5A和6A所示延伸出圆柱形壁111，并被径向轴承(未示出)限位。作为一种替代性方法，内部轴108可与可弹性变形传动件100形成为一体。粘弹性材料500可以是多种本领域现有材料中的任意一种，以便能够在响应施加力而发生变形的过程中通过吸收能量来提供缓冲。粘弹性材料500可在圆柱形壁111的内径或孔105的底部或两者处连接在可弹性变形传动件100上。当移动件20在摩擦驱动系统中振动时，粘弹性材料500就会缓冲所述振动(吸收振动能量)，从而提高了摩擦驱动系统的定位解析度。
现参照图7，示例性实施例表示的是使用磁场601来为电变形传动件提供缓冲。磁场601由安置在可弹性变形传动件100D的孔105内的磁铁600产生。可弹性变形传动件100D和移动件20D包括导电材料。当可弹性变形传动件100D相对磁铁600移动时，就会产生涡漩电流，其通过将振动能量作为通过可弹性变形传动件100D和移动件20的热量而散失的方式来缓冲摩擦驱动器的振动。
本发明的另一个示例性实施例如图8A和8B所示。内部轴700安置在圆柱形壁111E的内部。在该示例性实施例中，内部轴700在预加载力(例如预加载力103)作用下移向移动件20。当作用预加载力103时，如图8A所示，圆柱形壁111E因为在内部轴700和移动件20之间受到挤压而会发生弹性变形。圆柱形壁111E采用这样构造，即当没有预加载力作用时其在接触区域101E处不与内部轴700接触，如图8B所示。
包括在此图示和描述的示例性实施例在内的摩擦驱动器，可用在将旋转动力源精确地转换到旋转或直线移动件的运动转换的多种应用中。要求定位精确的摩擦驱动系统的一个有利应用是直线工作台，例如用在光学器件制作中。直线工作台的定位精确度对于保持光学校直至关重要。然而，直线工作台可能需要支撑很大的加工工具重量，这样就需要大的推力。在此图示和描述的本发明能够为用在纤维光学器件制作的直线工作台提供足够大的推力，同时还能保持小于10nm的定位解析度。
尽管是根据某一特殊实施例而在上面进行图示和描述，然而本发明并不仅限定在所示的这些细节上。更确切地讲，在权利要求书的等同替代的范围和领域内可在这些细节中进行各种更改，而且这些更改并没有脱离本发明。
Claims (19)
1.一种用于精密运动系统的摩擦驱动系统，包括移动件和圆柱形传动件，其中，预加载力被施加在所述传动件上以将传动件压向所述移动件，所述传动件通过在接触区域与所述移动件摩擦接触而将推力传递给所述移动件，所述传动件发生弹性变形而使其半径在所述预加载力的方向上减小、在垂直于所述预加载力的方向上增加，由此增大所述传动件和所述移动件之间的接触区域。
2.如权利要求1所述的摩擦驱动系统，其特征在于：可弹性变形的传动件包括可弹性变形的驱动环，所述驱动环由与所述移动件摩擦接触的圆柱形表面和与所述圆柱形表面同心的孔形成。
3.如权利要求2所述的摩擦驱动系统，还包括具有电机轴的电机，其中所述可弹性变形的驱动环连接在所述电机轴上。
4.如权利要求2所述的摩擦驱动系统，还包括具有电机轴的电机，其中所述可弹性变形的驱动环与所述电机轴形成为一体。
5.一种用在精密运动系统的摩擦驱动系统中的圆柱形轴，包括：
接触部分，其在预加载力作用下通过与移动件的摩擦接触而将推力传递给所述移动件；所述接触部分构造成圆柱形壁，所述圆柱形壁具有这样的厚度，即能够使得所述圆柱形壁在预加载力的作用下发生弹性变形，以导致所述圆柱形轴的半径在所述预加载力的方向上减小、在垂直于所述预加载力的方向上增加，由此增大所述圆柱形轴和所述移动件之间的接触区域。
6.如权利要求5所述的轴，还包括安置在所述圆柱形壁内的粘弹性材料，用来缓冲所述轴中的振动。
7.如权利要求5所述的轴，还包括安置在所述圆柱形壁内的磁铁，其中所述圆柱形壁包括导电材料，因此所述圆柱形壁的移动会产生用于缓冲所述轴中的振动的涡漩电流。
8.如权利要求5所述的轴，还包括：
内部轴部分，其安置在所述圆柱形壁内；其中所述内部轴部分转动所述圆柱形壁并将所述预加载力施加在所述圆柱形壁上。
9.一种用于精密运动系统的摩擦驱动系统，包括：
移动件，其在第一方向上移动；
圆柱形轴，其具有圆柱形的表面，所述圆柱形表面在预加载力作用下与所述移动件接触，因此所述轴的转动能够通过摩擦接触而沿着所述第一方向将推力传递给所述移动件；所述轴具有与形成圆柱形壁的所述圆柱形表面同心的孔，所述圆柱形表面在预加载力作用下发生弹性变形，以导致所述圆柱形轴的半径在所述预加载力的方向上减小、在垂直于所述预加载力的方向上增加，由此增大圆柱形轴和所述移动件之间的接触区域。
10.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，其特征在于：所述圆柱形壁受到接触应力，并且所述圆柱形壁包括具有这样屈服应力的材料，即所述圆柱形壁上的接触应力小于所述圆柱形壁的屈服应力。
11.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，还包括位于所述孔中的粘弹性材料，用于缓冲所述摩擦驱动系统中的振动。
12.如权利要求11所述的摩擦驱动系统，其特征在于：所述粘弹性材料还包括内部轴，所述粘弹性材料安置在所述内部轴和所述圆柱形壁之间，并为所述摩擦驱动系统中的振动提供缓冲。
13.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，其特征在于：通过所述圆柱形壁的弹性变形而增加所述轴在所述第一方向上的刚度。
14.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，还包括用于转动所述轴的电机。
15.如权利要求14所述的摩擦驱动系统，其特征在于：所述电机是超声电机。
16.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，其特征在于：所述移动件是用于光学器件制作的直线工作台。
17.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，还包括安置在所述圆柱形壁内的磁铁，其中所述圆柱形壁和所述移动件包括导电材料，因此所述圆柱形壁的移动会产生用于缓冲所述摩擦驱动系统中的振动的涡漩电流。
18.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，还包括安置在所述圆柱形壁内的内部轴部分；其特征在于：所述内部轴部分将预加载力施加在所述圆柱形壁上。
19.如权利要求9所述的摩擦驱动系统，其特征在于：所述摩擦驱动系统的定位解析度小于10nm。
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| ULTRA-PRECISION POSITIONING BYFRICTION DRIVE-TABLE CONTROL FOR DVDMASTERING MACHINE. S.Sakuta et al.Japan/USA Symposium on Flexible Automation,Vol.1 . 1996 |
| ULTRA-PRECISION POSITIONING BYFRICTION DRIVE-TABLE CONTROL FOR DVDMASTERING MACHINE. S.Sakuta et al.Japan/USA Symposium on Flexible Automation,Vol.1 . 1996 * |
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