剪切式磁流變彈性體微位移促動器的製作方法

2023-06-12 16:32:26 2

專利名稱：剪切式磁流變彈性體微位移促動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密機械裝置，具體涉及一種基於智能材料磁流變彈性體的微位移促動器，適用於天文望遠鏡的調焦機構、主動光學鏡面控制、超精加工行業要求在毫米量級行程上進行高解析度的精密運動驅動。
背景技術：
精密測量和微尺度驅動在很多領域有廣泛的應用，特別是在光學領域。天文望遠鏡的光學系統一般包括主鏡、次鏡等光學元件，其中主鏡和次鏡的間距對望遠鏡的成像質量有很大影響，而主次鏡的間距會因為安裝誤差、溫度變化以及望遠鏡在不同俯仰角位置時重力引起的彎沉導致改變，因此望遠鏡次鏡一般都要求具有在微小尺度上自動調整能力以適應主次鏡間距的變化。另外主動光學所用的薄鏡和自適應光學所用的變形鏡，都需要在微小尺度上控制鏡面的變形來適應成像對鏡面面形的要求。在超精密檢測、超精加工行業也都有類似的需求。常用的精密驅動裝置有精密絲槓促動器、壓電陶瓷促動器、磁致伸縮促動器和形狀記憶合金促動器。精密絲槓促動器可以同時滿足大行程、大負載的要求，同時其成本低，控制簡單，但存在著間隙、傳動誤差、摩擦損耗及爬行等現象，難以達到微納米解析度要求。壓電陶瓷促動器的特點是結構緊湊，體積很小，無機械摩擦，無間隙，具有很高的微位移解析度，但行程小(通常只有幾十微米)，負載能力低。磁致伸縮促動器是利用鐵磁性材料在磁場的作用下產生微伸長運動來實現微位移，但由於鐵磁材料在磁場的作用下， 除產生磁致伸縮外，還伴隨著受熱伸長，因此其應用受到了限制。形狀記憶合金促動器利用具有形狀記憶功能的合金製成，它最大特點是輸出變形大、動作柔軟接近於人手動作，一般用於人腦血管瘤清除手術等醫學領域，由於它承載能力小，且微位移解析度不高，因此其他領域應用不多。在微位移應用領域急需一種行程大、高解析度力的微位移促動器。磁流變彈性體是一種新型的智能材料，它是在橡膠類彈性體中加入微米量級的鐵磁性顆粒製成，在不同的磁場下磁流變彈性體的剪切模量會發生變化，這種特殊的現象稱為磁流變效應。因此磁流變彈性體可以用來做變剛度元件。

發明內容
為了解決現有技術存在的行程小、行程不可調、結構複雜、微位移解析度低的問題，本發明提出一種使用智能材料磁流變彈性體作為變剛度元件來實現大行程高分辨力的微位移促動器。本發明解決技術問題所採取的技術方案如下剪切式磁流變彈性體微位移促動器，包括下外殼、下導磁體、輸出杆、磁流變彈性體、固定筒、勵磁線圈、上導磁體、直線軸承、固定法蘭、預緊機構和上外殼；下外殼和上外殼通過固定法蘭的法蘭盤外圈固定連接；下導磁體固定連接在下外殼的底部；固定筒的下端固定在下導磁體上，勵磁線圈套在固定筒的外部；固定筒套在磁流變彈性體的外部並與其側壁固定連接，磁流變彈性體的內側與輸出杆固定連接；上導磁體置於磁流變彈性體、固定筒以及勵磁線圈的上部；直線軸承上設有法蘭，直線軸承穿過固定法蘭的法蘭孔並與固定法蘭法蘭連接；輸出杆的中部設有中擋圈，輸出杆的下端穿過直線軸承並插到磁流變彈性體的底端；下導磁體的上表面設有凹槽，該凹槽位於輸出杆的底部和磁流變彈性體的底部； 預緊機構固定在上外殼的頂端，並套在輸出杆的上端外部。本發明的微位移促動器使用一根輸出杆作微位移輸出，輸出杆的一端和磁流變彈性體粘結在一起，另一端由一個直線軸承固定保證輸出杆的直線運動，輸出杆的頂端有一個預緊機構。磁流變彈性體和一個固定筒粘結在一起，固定筒和下導磁體連接。磁流變彈性體處於一個由勵磁線圈、上導磁體和下導磁體構成的一個完整磁路中。上述輸出杆需要由不導磁材料製作，且剛度要求高，可選用鋁合金之類材料製作。 上述上下外殼和固定筒均由不導磁材料製作，可選用鋁合金。上述磁流變彈性體製作成圓筒形，輸出杆和磁流變彈性體的內表面粘結，磁流變彈性體的受力狀態為剪切形式。上述勵磁磁路中的上導磁體和下導磁體由導磁性好的材料構成，以避免磁路的磁場洩漏，可選用工業純鐵製作。上述下導磁體上表面設置的凹槽是為輸出杆移動和磁流變彈性體變形留出一定的空間。上述預緊機構由碟簧組、擋圈和調整螺釘組成，其中調整螺釘和上外殼通過螺紋連接，當旋動調整螺釘時，調整螺釘壓縮碟簧組，從而對輸出杆施加壓力。本發明的促動器工作時，需使用調整螺釘對輸出杆施壓，使磁流變彈性體產生初始變形，之後接通電路，磁流變彈性體在磁場作用下剪切模量發生變化，從而導致磁流變彈性體的變形發生改變，即輸出杆端部位移改變。本發明的有益效果是行程大，基於磁流變彈性體促動器的行程相比壓電式和磁致伸縮式更大；行程可調，通過調節促動器初始位移就可以調節促動器的行程；結構簡單， 由於行程大且可調節，因此無需位移放大機構，結構更加簡單。


圖1為本發明剪切式磁流變彈性體微位移促動器的結構示意圖。圖2為本發明剪切式磁流變彈性體微位移促動器的原理示意圖。圖3為本發明磁流變彈性體的剪切模量隨磁場變化的曲線圖。圖中1、下外殼，2、下導磁體，3、輸出杆，4、磁流變彈性體，5、固定筒，6、勵磁線圈， 7、上導磁體，8、直線軸承，9、固定法蘭，10、碟簧組，11、擋圈，12、調整螺釘，13、上外殼，14、 中擋圈，15、法蘭。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發明的剪切式磁流變彈性體微位移促動器包括下外殼1、下導磁體2、輸出杆3、磁流變彈性體4、固定筒5、勵磁線圈6、上導磁體7、直線軸承8、固定法蘭9、 碟簧組10、擋圈11、調整螺釘12和上外殼13。
輸出杆3的下端和磁流變彈性體4粘結在一起，輸出杆3的上端由直線軸承8固定，輸出杆3的頂端和預緊機構連接。磁流變彈性體4和固定筒5通過粘結劑粘接，固定筒 5又和下導磁體2粘接在一起。磁流變彈性體4和勵磁線圈6、下導磁體2、上導磁體7 —起構成完整磁路。直線軸承8安裝在固定法蘭9上，下外殼1和上外殼13通過固定法蘭9的法蘭盤外圈用螺釘連接。預緊機構包括碟簧組10、擋圈11和調整螺釘12 ；其中碟簧組10 壓在輸出杆3的中擋圈14上，擋圈11壓在碟簧組10上，調整螺釘12 —端緊壓擋圈11，另一端通過螺紋和上外殼13連接。本發明的剪切式磁流變彈性體微位移促動器工作時，首先旋動調節螺釘12，對輸出杆3施加壓力Fl，輸出杆3受壓向下運動和磁流變彈性體4發生剪切作用，輸出杆3受到的剪切力F2和預緊壓力Fl平衡，即Fl = F2 = F。此時磁流變彈性體4的變形也即輸出杆 3端部位移為ΔΖ1 = k · (F · (r2_rl)/Gl)，(1)其中，k為變形常數，與磁流變彈性體4的幾何性質有關；r2和rl分別為磁流變彈性體4的外徑和內徑；Gl為此時磁流變彈性體4的剪切模量。當勵磁線圈6通電以後，產生磁場通過磁流變彈性體4，磁流變彈性體4的剪切模量變大，由Gl變為G2。此時輸出杆3端部的位移為ΔΖ2 = k · (F · (r2-rl)/G2)，(2)其中，G2為此時磁流變彈性體4的剪切模量。比較前後兩次輸出杆3端部的位移變化為ΔΖ = ΔΖ1-ΔΖ2 = k · (F · (r2-rl)/Gl) · (1-G1/G2) = ΔΖ1 · (1—G1/G2)，(3)其中，ΔΖ1為無磁狀態時輸出杆3端部的位移，它與壓力F成正比。從公式(3)可以看出通電前後輸出杆3端部位移變化和磁流變彈性體4的剪切模量變化成正比，剪切模量變化越大輸出杆3端部位移變化就越大，整個調整過程可在圖2中看到。圖3給出一種磁流變彈性體的剪切模量隨磁場變化的典型曲線，從圖中可以看到當勵磁磁場達到500mT 時，磁流變彈性體4的剪切模量變化可以達到200%，也即G1/G2 = 0.5,則此時輸出杆3端部位移變化為ΔΖ = 0.5ΔΖ1。而Δ Zl可以通過調整壓力F值來進行調整，如果通過調整 F值使Δ Zl為1mm，則Δ Z就為500 μ m,則促動器的行程就為500 μ m。而勵磁磁場可以通過調整電流調整，因此調節精度可以很高，達到亞微米級。
權利要求
1.剪切式磁流變彈性體微位移促動器，其特徵在於該促動器包括下外殼(1)、下導磁體O)、輸出杆(3)、磁流變彈性體G)、固定筒(5)、勵磁線圈(6)、上導磁體(7)、直線軸承 (8)、固定法蘭(9)、預緊機構和上外殼(13)；下外殼(1)和上外殼(13)通過固定法蘭(9) 的法蘭盤外圈固定連接；下導磁體O)固定連接在下外殼(1)的底部；固定筒(5)的下端固定在下導磁體( 上，勵磁線圈(6)套在固定筒( 的外部；固定筒( 套在磁流變彈性體(4)的外部並與其側壁固定連接，磁流變彈性體(4)的內側與輸出杆C3)固定連接；上導磁體(7)置於磁流變彈性體G)、固定筒(5)以及勵磁線圈(6)的上部；直線軸承(8)上設有法蘭(15)，直線軸承(8)穿過固定法蘭(9)的法蘭孔並與固定法蘭(9)法蘭連接；輸出杆⑶的中部設有中擋圈(14)，輸出杆(3)的下端穿過直線軸承⑶並插到磁流變彈性體 (4)的底端；下導磁體O)的上表面設有凹槽，該凹槽位於輸出杆(3)的底部和磁流變彈性體的底部；預緊機構固定在上外殼(1 的頂端，並套在輸出杆(3)的上端外部。
2.如權利要求1所述的剪切式磁流變彈性體微位移促動器，其特徵在於所述輸出杆 (3)為非導磁材料製成。
3.如權利要求1所述的剪切式磁流變彈性體微位移促動器，其特徵在於所述磁流變彈性體的內側與輸出杆C3)粘接，磁流變彈性體的外側與固定筒( 粘接。
4.如權利要求1所述的剪切式磁流變彈性體微位移促動器，其特徵在於所述預緊機構包括碟簧組(10)、擋圈(11)和調整螺釘(1 ；調整螺釘(1 與上外殼(1 的頂端螺紋連接；碟簧組(10)、擋圈(11)和調整螺釘(1 順次套在輸出杆C3)的上端外部；碟簧組 (10)的下端頂在輸出杆(3)的中擋圈(14)上。
全文摘要
本發明的剪切式磁流變彈性體微位移促動器涉及精密機械裝置領域，該促動器包括下外殼、下導磁體、輸出杆、磁流變彈性體、固定筒、勵磁線圈、上導磁體、直線軸承、固定法蘭、預緊機構和上外殼。該促動器使用一根輸出杆作微位移輸出，輸出杆的一端與磁流變彈性體的圓筒內側連接，另一端由直線軸承定位，在輸出杆的頂端通過預緊機構施加壓緊力。工作時先施加壓緊力，使磁流變彈性體圓筒受剪切作用有初始變形，在通電後通過控制磁場使磁流變彈性體剪切模量發生變化，使彈性體的變形發生變化，從而使輸出杆端部位移變化達到微位移輸出的目的。本發明的促動器具有行程大，且行程可調，結構簡單的優點。
文檔編號H02K44/00GK102306997SQ20111026111
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者李劍鋒, 王建立, 陳寶剛 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所