半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位移執行器的製作方法

2023-08-03 18:20:31 1

專利名稱：半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位移執行器的製作方法
技術領域：
本發明涉及驅動裝置，尤其是涉及一種半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位 移執動器。
技術背景微位移執行器在超精密加工、機器人、流體機械、振動控制、聲納系統等 領域獲得了廣泛的應用，目前應用較多的類型主要有機械式、液壓式和壓電式 等。機械式和液壓式執行器頻響較低，輸出力較小，輸出位移難以滿足高精度要求；壓電執行器雖然位移解析度和頻響均比較高，但出力較小，易產生電擊 穿，並會產生漂移現象。超磁致伸縮微位移執行器具有大位移、強力、快響應、 高可靠性、低壓驅動等優點；但作為一種電(磁)機換能器，超磁致伸縮微位移執 行器能量利用率較低，除了一部分轉化為機械能輸出外，大部分能量以熱能方 式散發掉。由於執行器內部空間封閉，散熱性能差，特別是在高頻大電流工作 狀態下，溫度將快速上升，熱誤差顯著，但現有技術對執行器熱誤差補償過於 複雜，實現困難。 發明內容本發明的目的是提供一種半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位移執行器，通 過電流來控制輸出位移的執行裝置，通過線圈骨架兩端的半導體製冷器實施溫 控，並用冷卻水循環裝置為半導體製冷器熱端進行散熱，實現抑制執行器溫升 和熱變形誤差輸出，提高輸出位移控制精度。為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是由機械結構和溫控電氣回 路兩部分組成，其中包括機械結構和溫控電氣迴路兩部分組成，其中l)機械結構包括下冷卻水室底座、下冷卻水室端蓋、線圈骨架、輸出管、 超磁致伸縮棒、驅動線圈、外殼、上冷卻水室底座、上冷卻水室端蓋、上端蓋、 十字形輸出頂杆、預壓螺母、預壓彈簧、輸出管、水泵和水箱；在凸臺形的下 冷卻水室底座臺肩上裝有下冷卻水室端蓋和第一半導體製冷器，下冷卻水室底 座與下冷卻水室端蓋間形成下環形通道，下冷卻水室底座中心凸臺從下至上依 次裝有超磁致伸縮棒和十字形輸出頂杆，裝有驅動線圈的線圈骨架縱向中點處 裝有鉑電阻，並套在下冷卻水室底座臺肩、超磁致伸縮棒和十字形輸出頂杆的
下直杆外，第二半導體製冷器裝在十字形輸出頂杆的下直杆外並裝在線圈骨架 上端面，第一半導體製冷器、線權骨架和第二半導體製冷器均裝在外殼內，外 殼下端面壓在下冷卻水室端蓋上，裝在十字形輸出頂杆的下直杆外依裝有凸臺 形上冷卻水室底座和上冷卻水室端蓋，上冷卻水室端蓋並裝在外殼上端面，凸 臺形上冷卻水室底座和上冷卻水室端蓋間形成上環形通道，十字形輸出頂杆外裝有上端蓋，十字形輸出頂杆上有預壓彈簧和預壓螺母；水箱水管經水泵後分 成二路， 一路經第一輸出管接下環形通道， 一路經第一輸出管接上環形通道， 第三輸出管與上環形通道和下環形通道連通後接入水箱。2)溫控電氣迴路包括電氣控制和主電路兩部分，電氣控制部分由鉑電阻、 第一電阻、第一可調電阻、第二電阻、第二可調電阻、第二電源、電壓放大器 和直流繼電器組成，鉑電阻裝在線圈骨架縱向中點處，夾於超磁致伸縮棒和線 圈骨架之間，鉑電阻、第一電阻、第一可調電阻和第二電阻組成的惠斯登橋電 路，在第一電阻和第一可調電阻之間接第二可調電阻，第二可調電阻接第二電 源，第二電源接在鉑電阻和第二電阻之間，在鉑電阻和第一電阻之間接電壓放 大器的正接線柱，在第一可調電阻和第二電阻之間接電壓放大器的負接線柱， 電壓放大器輸出端接直流繼電器；第一電源負端接第三可調電阻、直流繼電器 的觸點、第一半導體製冷器和第二半導體製冷器，第二半導體製冷器再與第一 電源正端相接，組成主電路部分。本發明與背景技術相比具有的有益效果是執行器結構簡單，驅動電流較小(2 4A)，工作穩定，頻響特性好(可達2000Hz);採用半導體製冷溫控技術， 製冷迅速且能實施長時間溫控，溫控電氣迴路結構簡單，性能溫定並能及時相 應執行器內部溫度的變化，能有效抑制熱誤差輸出，位移輸出控制精度可達到 亞微米級甚至更高。本發明體積小、重量輕、輸出力大、位移精度高，能抑制 熱變形對執行器輸出位移的影響，可用於超精密加工、振動控制等領域。


附圖是本發明的結構原理示意圖。圖中l.下冷卻水室底座，2.下冷卻水室端蓋，3.半導體製冷器，4.線圈骨 架，5.輸出管，6.超磁致伸縮棒，7.驅動線圈，8.外殼，9.上冷卻水室底座，10. 上冷卻水室端蓋，ll.上端蓋，12.十字形輸出頂杆，13.預壓螺母，14.預壓彈簧， 15.電壓放大器，16.輸出管，17.水泵，18.水箱，19.冷卻水。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如附圖所示，本發明包括包括機械結構和溫控電氣迴路兩部分組成，其中1) 機械結構包括下冷卻水室底座1、下冷卻水室端蓋2、線圈骨架4、輸出管5、超磁致伸縮棒6、驅動線圈7、外殼8、上冷卻水室底座9、上冷卻水室 端蓋IO、上端蓋ll、十字形輸出頂杆12、預壓螺母13、預壓彈簧、輸出管16、 水泵17和水箱18;在凸臺形的下冷卻水室底座1臺肩上裝有下冷卻水室端蓋2 和第一半導體製冷器3，下冷卻水室底座1與下冷卻水室端蓋2間形成下環形通 道，下冷卻水室底座1中心凸臺從下至上依次裝有超磁致伸縮棒6和十字形輸 出頂杆12，裝有驅動線圈7的線圈骨架4縱向中點處裝有鉑電阻Rf，並套在下 冷卻水室底座1臺肩、超磁致伸縮棒6和十字形輸出頂杆12的下直杆外，第二 半導體製冷器3裝在十字形輸出頂杆12的下直杆外並裝在線圈骨架4上端面， 第一半導體製冷器3、線圈骨架4和第二半導體製冷器3均裝在外殼8內，外殼 8下端面壓在下冷卻水室端蓋2上，裝在十字形輸出頂杆12的下直杆外依裝有 凸臺形上冷卻水室底座9和上冷卻水室端蓋10，上冷卻水室端蓋10並裝在外殼 8上端面，凸臺形上冷卻水室底座9和上冷卻水室端蓋10間形成上環形通道， 十字形輸出頂杆12外裝有上端蓋11，十字形輸出頂杆12上有預壓彈簧14和預 壓螺母13;水箱18水管經水泵17後分成二路， 一路經第一輸出管16接下環形 通道， 一路經第一輸出管16接上環形通道，第三輸出管5與上環形通道和下環 形通道連通後接入水箱18。2) 溫控電氣迴路包括電氣控制和主電路兩部分，電氣控制部分由鉑電阻 Rf、第一電阻R1、第一可調電阻R2、第二電阻R3、第二可調電阻R4、第二電 源U2、電壓放大器15和直流繼電器P組成，鉑電阻Rf裝在線圈骨架4縱向中 點處，夾於超磁致伸縮棒6和線圈骨架4之間，鉑電阻Rf、第一電阻R1、第一 可調電阻R2和第二電阻R3組成的惠斯登橋電路，在第一電阻Rl和第一可調 電阻R2之間接第二可調電阻R4，第二可調電阻R4接第二電源U2，第二電源 U2接在鉑電阻Rf和第二電阻R3之間，在鉑電阻Rf和第一電阻Rl之間接電壓 放大器15的正接線柱，在第一可調電阻R2和第二電阻R3之間接電壓放大器 15的負接線柱，電壓放大器15輸出端接直流繼電器P;第一電源U1負端接第 三可調電阻R5、直流繼電器P的觸點、第一半導體製冷器3和第二半導體製冷 器3，第二半導體製冷器3再與第一電源U1正端相接，組成主電路部分。所述的預壓彈簧為圓柱形彈簧14或碟形彈簧。通過調節由輸出頂杆12、預壓彈簧14、上端蓋11和預壓螺母13構成的組 合預壓裝置，可對超磁致伸縮棒6施加不同的預壓力，使超磁致伸縮棒6處於
較佳的工作狀態。在輸入電流的作用下，驅動線圈7將產生驅動磁場，使超磁 致伸縮棒6長度發生變化。由於下冷卻水室底座1對超磁致伸縮棒6有支撐作 用，所以超磁致伸縮棒6的長度變化量將通過輸出頂杆13對外輸出，表現為超 磁致伸縮微位移執行器的位移輸出。在激勵電流作用下，超磁致伸縮微位移執行器內部的溫度將會迅速上升， 熱誤差顯著。由於影響超磁致伸縮微位移執行器熱誤差輸出的主要原因是超磁 致伸縮棒6的熱變形，裝在超磁致伸縮棒6與線圈骨架4中間的鉑電阻Rf用來 監控超磁致伸縮棒6周圍的溫度；若溫度升高，則由鉑電阻Rf、電阻R1、可調 電阻R2和電阻R3組成的惠斯登橋電路將產生一個電壓信號，該信號經電壓放 大器15放大並驅動直流繼電器P工作，進而控制溫控主電路的接通與斷開，實 現半導體製冷器斷續製冷。半導體製冷器3工作時，按製冷原理可將其端面分 為冷端和熱端，其中冷端與線圈骨架4貼在一起，熱端與上、下冷卻水室貼在 一起；當溫控主電路接通時，半導體製冷器3開始工作，熱量從冷端轉移到熱 端，使得線圈骨架4溫度降低；在溫差的作用下，驅動線圈7和超磁致伸縮棒6 散發的熱量經線圈骨架4傳遞到半導體製冷器3的冷端，並由半導體製冷器3 將其帶到熱端；冷卻水19在水泵17的帶動下，經輸出管16進入冷卻水室，通 過室壁與半導體製冷器3的熱端進行熱交換，交換的熱量通過水流被轉移到外 界環境，同時保持半導體製冷器3熱端溫度穩定，具有較高的製冷效率；重複 上面這些步驟，可有效地保持超磁致伸縮微位移執行器的溫度基本不變，實現 抑制執行器溫升和熱變形誤差輸出，提高輸出位移控制精度。上述具體實施方式
用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本 發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落 入本發明的保護範圍。
權利要求
1、半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位移執行器，其特徵在於包括機械結構和溫控電氣迴路兩部分組成，其中1)機械結構包括下冷卻水室底座(1)、下冷卻水室端蓋(2)、線圈骨架(4)、輸出管(5)、超磁致伸縮棒(6)、驅動線圈(7)、外殼(8)、上冷卻水室底座(9)、上冷卻水室端蓋(10)、上端蓋(11)、十字形輸出頂杆(12)、預壓螺母(13)、預壓彈簧、輸出管(16)、水泵(17)和水箱(18)。在凸臺形的下冷卻水室底座(1)臺肩上裝有下冷卻水室端蓋(2)和第一半導體製冷器(3)，下冷卻水室底座(1)與下冷卻水室端蓋(2)間形成下環形通道，下冷卻水室底座(1)中心凸臺從下至上依次裝有超磁致伸縮棒(6)和十字形輸出頂杆(12)，裝有驅動線圈(7)的線圈骨架(4)縱向中點處裝有鉑電阻(Rf)，並套在下冷卻水室底座(1)臺肩、超磁致伸縮棒(6)和十字形輸出頂杆(12)的下直杆外，第二半導體製冷器(3)裝在十字形輸出頂杆(12)的下直杆外並裝在線圈骨架(4)上端面，第一半導體製冷器(3)、線圈骨架(4)和第二半導體製冷器(3)均裝在外殼(8)內，外殼(8)下端面壓在下冷卻水室端蓋(2)上，裝在十字形輸出頂杆(12)的下直杆外依裝有凸臺形上冷卻水室底座(9)和上冷卻水室端蓋(10)，上冷卻水室端蓋(10)並裝在外殼(8)上端面，凸臺形上冷卻水室底座(9)和上冷卻水室端蓋(10)間形成上環形通道，十字形輸出頂杆(12)外裝有上端蓋(11)，十字形輸出頂杆(12)上有預壓彈簧(14)和預壓螺母(13)；水箱(18)水管經水泵(17)後分成二路，一路經第一輸出管(16)接下環形通道，一路經第一輸出管(16)接上環形通道，第三輸出管(5)與上環形通道和下環形通道連通後接入水箱(18)。2)溫控電氣迴路包括電氣控制和主電路兩部分，電氣控制部分由鉑電阻(Rf)、第一電阻(R1)、第一可調電阻(R2)、第二電阻(R3)、第二可調電阻(R4)、第二電源(U2)、電壓放大器(15)和直流繼電器(P)組成，鉑電阻(Rf)裝在線圈骨架(4)縱向中點處，夾於超磁致伸縮棒(6)和線圈骨架(4)之間，鉑電阻(Rf)、第一電阻(R1)、第一可調電阻(R2)和第二電阻(R3)組成的惠斯登橋電路，在第一電阻(R1)和第一可調電阻(R2)之間接第二可調電阻(R4)，第二可調電阻(R4)接第二電源(U2)，第二電源(U2)接在鉑電阻(Rf)和第二電阻(R3)之間，在鉑電阻(Rf)和第一電阻(R1)之間接電壓放大器(15)的正接線柱，在第一可調電阻(R2)和第二電阻(R3)之間接電壓放大器(15)的負接線柱，電壓放大器(15)輸出端接直流繼電器(P)；第一電源(U1)負端接第三可調電阻(R5)、直流繼電器(P)的觸點、第一半導體製冷器(3)和第二半導體製冷器(3)，第二半導體製冷器(3)再與第一電源(U1)正端相接，組成主電路部分。
2、根據權利要求1所述的半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位移執行器，其 特徵在於所述的預壓彈簧為圓柱形彈簧(14)或碟形彈簧。
全文摘要
本發明公開了一種半導體製冷溫控型超磁致伸縮微位移執行器。通過電流來控制輸出位移的執行裝置，通過線圈骨架兩端的半導體製冷器實施溫控，並用冷卻水循環裝置為半導體製冷器熱端進行散熱，實現抑制執行器溫升和熱變形誤差輸出，提高輸出位移控制精度。本發明執行器結構簡單，驅動電流較小，工作穩定，頻響特性好；採用半導體製冷溫控技術，製冷迅速且能實施長時間溫控，電氣迴路結構簡單，性能溫定並能及時相應執行器內部溫度的變化，能有效抑制熱誤差輸出，位移輸出控制精度可達到亞微米級甚至更高。同時具有體積小、重量輕、輸出力大、位移精度高，能抑制熱變形對執行器輸出位移的影響，可用於超精密加工、振動控制等領域。
文檔編號B06B1/08GK101119081SQ20071006942
公開日2008年2月6日 申請日期2007年6月19日 優先權日2007年6月19日
發明者冷洪濱, 剛 周, 君 徐, 葛榮傑, 趙章榮, 鄔義傑 申請人:浙江大學