一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置的製作方法

2023-10-10 07:09:39 1

專利名稱：一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微進給裝置，尤其涉及一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動 式微進給裝置。
背景技術：
微進給機構是指行程小、靈敏度和精度高的機構，是精密機構與精密儀器的重要 組成部分之一，一般認為進給量在毫米以下的機構為微進給機構。它既是重要的進給元件， 也是對工藝系統誤差進行動態、靜態補償的關鍵元件。微進給機構不僅廣泛應用於各種精 密測量儀器，而且在多種控制系統中充當作動器。如今微進給技術在精密機械工程(刀具 微進給)、光學精密工程(自動調焦)、計算機及電子技術(晶片定位)、生物醫學工程(微 操作)等領域都有著廣泛的應用背景。目前常見的微進給機構一般是利用彈性變形、直線電機、機械傳動、電磁力和智能 材料(壓電陶瓷、電致伸縮、磁致伸縮)等實現微進給。在這些機構中，智能材料微進給機 構響應速度快，精度高，已經成為微進給系統的發展方向，如採用壓電陶瓷、形狀記憶合金 以及磁致伸縮材料等實現微進給。但智能材料進給輸出位移小，如果直接用它來驅動負載， 則結構複雜、體積大，並且使響應特性變差。為了克服智能材料行程小的缺點，可以採用宏微複合進給系統和蠕動進給系統的 設計。宏微複合進給系統是採用旋轉電機_滾珠絲槓與電/磁致伸縮元件相結合的複合進 給方式，以宏量進給(旋轉電機-滾珠絲槓)為基礎，在宏量進給機構上搭載微量進給機構 (電/磁致伸縮元件)。而蠕動進給機構是利用兩個箝位夾緊機構與電/磁致伸縮元件相 配合以不斷伸縮來實現大位移進給。為了實現精確進給，宏微複合進給方式的控制方法非 常關鍵，通常在微量進給機構工作時，先由電/磁致伸縮元件驅動負載做微量進給，當其輸 出位移達到滿行程時，快速回退到起始位置，然後由宏量進給機構驅動微量進給機構和負 載做相同距離的大步進給，到位後再由微進給部件工作。可以看出宏微複合進給過程實質 也是由兩種進給方式交替進行，相比之下蠕動進給機構在簡化機構和控制上更具有優勢。蠕動進給機構在保持智能伸縮材料高位移解析度的同時實現了大位移行程的優 點。箝位夾緊機構是蠕動進給機構的關鍵部件，目前箝位夾緊機構的典型設計是基於壓 電陶瓷驅動進行設計，其實質均為電/磁致伸縮致動和摩擦力傳遞運動相結合進行蠕動進 給。由於採用摩擦力進行運動傳遞，軸向進給剛度和輸出推力較小是蠕動機構的不足之處， 因此在負載較大的應用場合蠕動進給機構的應用存在限制。從已有微進給機構的研究報導中可以發現，目前微進給機構仍不能很好地實現大 行程高精度的微量進給。主要存在的問題有(1)在微進給機構中，採用智能材料進給存在許多優勢，是今後的發展方向，但單 獨採用智能材料進給，往往不能滿足大行程的需求；(2)蠕動進給機構巧妙地解決了智能材料微進給行程小的缺陷，但其不足之處是 箝位夾緊機構的推動力不夠，因而負載受到限制。[0009]為了開發一種大量程、高精度、大負載的微進給技術，為精密機械與儀器提供精確 定位，進而促進和拓展精密機械的發展與應用，對於現有的蠕動進給技術進行改進是十分 必要的。
發明內容為了克服智能材料蠕動進給技術推力小的不足，本實用新型的目的在於提供一種 基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置。利用磁流變液的流變特性，取代摩擦力驅 動的箝位裝置，設計了一種基於磁流變液的箝位裝置，並採用Terfenol-D(鋱鏑鐵磁致伸 縮合金)超磁致伸縮材料進行伸縮驅動，從而提高了推進力和負載能力，提供了一種新型 大量程、高精度、大負載的蠕動式微進給技術。本實用新型的基本原理是磁流變液是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的 懸浮體。這種懸浮體在零磁場條件下呈現出低粘度的牛頓流體特性。在磁場的作用下，可 以由小粘度易流動的牛頓流體變為高粘度難流動的塑性賓漢Bingham流體，而且該轉化是 毫秒級的可逆轉化。磁流變液的優良特性為制動器提供一種解決方案，在無磁場作用下，磁 流變液呈流動狀態，不影響機構運動，但在磁場作用下，磁流變液發生流變效應，磁性顆粒 被磁化連結成鏈，磁流變液轉化為「類固體」，對機構進動產生阻力，從而起到制動效果。而 且只要調節磁場強度即可達到改變制動力矩的作用。本實用新型也利用了磁流變液可以應用於制動器的特性，基於磁流變液為蠕動 進給裝置設計了一種箝位機構，通過控制磁場達到控制箝位機構的快速打開和閉合，並與 Terfenol-D超磁致伸縮材料相配合，實現機構的快速蠕動進給。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一、一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置在主軸上從左至右依次裝有後箝位機構、Terfenol-D伸縮機構和前箝位機構；其 中1)後箝位機構後箝位機構支撐套安裝在主軸左端，在後箝位機構支撐套內的主 軸上安裝後箝位機構線圈骨架，後箝位機構線圈骨架內孔與主軸間隙中充滿後箝位機構磁 流變液，後箝位機構線圈骨架上繞制後箝位機構勵磁線圈，後箝位機構支撐套外安裝後箝 位機構密封蓋，後箝位機構支撐套孔和後箝位機構密封蓋孔與主軸間分別用後箝位機構密 封圈密封；2)前箝位機構前箝位機構支撐套安裝在主軸右端，在前箝位機構支撐套內的主 軸上安裝前箝位機構線圈骨架，前箝位機構線圈骨架內孔與主軸間隙中充滿前箝位機構磁 流變液，前箝位機構線圈骨架上繞制前箝位機構勵磁線圈，前箝位機構支撐套外安裝前箝 位機構密封蓋，前箝位機構支撐套孔和前箝位機構密封蓋孔與主軸間分別用前箝位機構密 封圈密封；3) Terfenol-D伸縮機構包括預緊彈簧、Terfenol-D驅動線圈、Terfenol-D 伸縮棒和Terfenol-D線圈骨架；在Terfenol-D線圈骨架內安裝Terfenol-D伸縮棒， Terfenol-D伸縮棒內孔兩端分別與後箝位機構支撐套和前箝位機構支撐套外的凸臺相配 合，Terfenol-D線圈骨架上繞制Terfenol-D驅動線圈，後箝位機構支撐套和前箝位機構支撐套間用預緊彈簧相連。二、一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置該方法包括以下各步驟1)後箝位機構勵磁線圈通電，前箝位機構勵磁線圈斷電，Terfenol-D驅動線圈斷 電；2)保持後箝位機構勵磁線圈通電，保持前箝位機構勵磁線圈斷電，Terfenol-D驅 動線圈通電，Terfenol-D伸縮棒伸長，推動前箝位機構前移；3)保持TerfenoI-D驅動線圈通電，後箝位機構勵磁線圈斷電，前箝位機構勵磁線 圈通電；4)保持後箝位機構勵磁線圈斷電，保持前箝位機構勵磁線圈通電，Terfenol-D驅 動線圈(10)斷電，Terfenol-D伸縮棒收縮，拉動後箝位機構前移；5)保持TerfenoI-D驅動線圈斷電，後箝位機構勵磁線圈通電，前箝位機構勵磁線 圈斷電，至此機構完成一個運動循環回到步驟1)時的狀態，重複以上步驟實現持續蠕動進
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口 ο本實用新型具有的有益效果是本實用新型首次綜合利用了磁流變液和超磁致伸縮材料的優良特性，設計了基於 磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置，提供了一種敏捷、精確的大行程、高負載微進給 技術。該技術不僅可以應用於精密測量等負載較小的場合，也可用於加工系統等負載較大 的場合，在精密機構與精密儀器的大行程精確定位中具有重要的應用價值。

圖1是基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置示意圖。圖2是基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置的閉環控制系統示意圖。圖3是基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置的開環控制系統示意圖。圖中1.後箝位機構密封蓋，2.後箝位機構磁流變液，3.後箝位機構密封圈，4.主 軸，5.後箝位機構線圈骨架，6.後箝位機構支撐套，7.後箝位機構勵磁線圈，8.後箝位機構 密封圈，9.預緊彈簧，10. Terfenol-D驅動線圈，11. Terfenol-D伸縮棒，12. Terfenol-D線 圈骨架，13.前箝位機構密封圈，14.前箝位機構勵磁線圈，15.前箝位機構線圈骨架，16.前 箝位機構磁流變液，17.前箝位機構密封圈，18.前箝位機構密封蓋，19.前箝位機構支撐 套。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型在主軸上從左至右依次裝有後箝位機構、Terfenol-D伸 縮機構和前箝位機構；其中1)後箝位機構後箝位機構支撐套6安裝在主軸4左端，在後箝位機構支撐套6內 的主軸上安裝後箝位機構線圈骨架5，後箝位機構線圈骨架5內孔與主軸間隙中充滿後箝 位機構磁流變液2，後箝位機構線圈骨架5上繞制後箝位機構勵磁線圈2，後箝位機構支撐 套6外安裝後箝位機構密封蓋1，後箝位機構支撐套6孔和後箝位機構密封蓋1孔與主軸間 分別用後箝位機構密封圈3、8密封；
5[0035]2)前箝位機構前箝位機構支撐套19安裝在主軸4右端，在前箝位機構支撐套19 內的主軸上安裝前箝位機構線圈骨架15，前箝位機構線圈骨架15內孔與主軸間隙中充滿 前箝位機構磁流變液16，前箝位機構線圈骨架15上繞制前箝位機構勵磁線圈14，前箝位機 構支撐套19外安裝前箝位機構密封蓋18，前箝位機構支撐套19孔和前箝位機構密封蓋18 孔與主軸間分別用前箝位機構密封圈13、17密封；3) Terfenol-D 伸縮機構包括預緊彈簧 9、Terfenol-D 驅動線圈 10、Terfenol-D 伸縮棒11和Terfenol-D線圈骨架12 ；在Terfenol-D線圈骨架12內安裝Terfenol-D伸 縮棒11，Terfenol-D伸縮棒11內孔兩端分別與後箝位機構支撐套6和前箝位機構支撐套 19外的凸臺相配合，Terfenol-D線圈骨架12上繞制Terfenol-D驅動線圈10，後箝位機構 支撐套6和前箝位機構支撐套19間用預緊彈簧9相連。前箝位機構中，前箝位機構磁流變液16與主軸4直接接觸，前箝位機構支撐套 19中的前箝位機構密封圈13以及前箝位機構密封蓋18中的前箝位機構密封圈17對於 前箝位機構磁流變液16起密封作用，前箝位機構勵磁線圈14繞制在前箝位機構線圈骨 架15上，其磁場穿過前箝位機構磁流變液16。後箝位機構中，後箝位機構磁流變液2與 主軸4直接接觸，後箝位機構支撐套6中的後箝位機構密封圈8以及後箝位機構密封蓋1 中的後箝位機構密封圈3對於後箝位機構磁流變液2起密封作用，後箝位機構勵磁線圈7 繞制在後箝位機構線圈骨架5上，其磁場穿過後箝位機構磁流變液2。Terfenol-D伸縮機 構中，Terfenol-D伸縮棒11兩端分別與前箝位機構支撐套19、後箝位機構支撐6通過過 盈配合進行聯接，預緊彈簧9兩端分別固定於前箝位機構支撐套19、後箝位機構支撐套6， Terfenol-D驅動線圈10繞制在Terfenol-D線圈骨架12上，其磁場穿過Terfenol-D伸縮 棒11。本實用新型提出的基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置，包括前箝位機 構、後箝位機構以及Terfenol-D伸縮機構，前後箝位機構的結構一致。由於前後箝位機構的結構一致，以前箝位機構為例進行說明。前箝位機構磁流變 液16與主軸4直接接觸，沒有磁場作用時，磁流變液呈流動狀態，但在磁場作用下，磁液變 液的流變作用將「夾緊」主軸，起到箝位作用。前箝位機構支撐套19中的前箝位機構1號 密封圈13以及前箝位機構密封蓋18中的前箝位機構2號密封圈17對於前箝位機構磁流 變液16起密封作用。前箝位機構勵磁線圈14繞制在前箝位機構線圈骨架15上，其磁場穿 過前箝位機構磁流變液16，通過控制前箝位機構勵磁線圈14的通電斷電即可達到控制磁 場的作用，進而控制箝位機構的開啟和關閉。後箝位機構的實施方式與前箝位機構一致。Terfenol-D伸縮機構中，Terfenol-D伸縮棒11採用中空的筒狀伸縮棒， Terfenol-D伸縮棒11兩端分別與前箝位機構支撐套19、後箝位機構支撐套6通過過盈 配合進行聯接，預緊彈簧9兩端分別固定於前箝位機構支撐套19、後箝位機構支撐套6， Terfenol-D驅動線圈10繞制在Terfenol-D線圈骨架12上，其磁場穿過Terfenol-D伸縮 棒11，通過控制Terfenol-D驅動線圈10的通電與斷電即可達到控制磁場的作用，進而控制 Terfenol-D伸縮棒11的伸長與收縮。如圖1所示，本實用新型提出的基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給方法的 具體實施過程如下1)後箝位機構勵磁線圈7通電，後箝位機構磁流變液2在磁場作用下產生流變效應，後箝位機構處於閉合夾緊狀態，前箝位機構勵磁線圈14斷電，前箝位機構處於打開狀 態，Terfenol-D驅動線圈10斷電，Terfenol-D伸縮棒11呈收縮狀。2)保持後箝位機構勵磁線圈7通電，保持前箝位機構勵磁線圈14斷電， Terfenol-D驅動線圈10通電，Terfenol-D伸縮棒11在磁場作用下伸長，由於此時後箝位 機構閉合夾緊，前箝位機構打開，因此前箝位機構在Terfenol-D伸縮棒11的推動下前移。3)保持Terfenol-D驅動線圈10通電，後箝位機構勵磁線圈7斷電，前箝位機構勵 磁線圈14通電，在前後箝位機構勵磁線圈通斷電交替後，前箝位機構閉合夾緊，後箝位機 構打開。4)保持後箝位機構勵磁線圈7斷電，保持前箝位機構勵磁線圈14通電， Terfenol-D驅動線圈10斷電，磁場消失後Terfenol-D伸縮棒11收縮，由於此時前箝位機 構閉合夾緊，後箝位機構打開，因此後箝位機構在Terfenol-D伸縮棒11的拉動下前移。5)保持Terfenol-D驅動線圈10斷電，後箝位機構勵磁線圈7通電，前箝位機構勵 磁線圈14斷電，至此機構完成一個運動循環回到步驟1)時的狀態，重複以上步驟實現蠕動 進給。要實現相反方向的進給，只需將以上步驟中的前後箝位機構勵磁線圈通斷狀態全 部取反即可。如圖2和圖3所示，對於基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給方法的控制可 以通過控制器輸出控制信號並經D/A轉換卡以及功率放大器放大後作用於前、後箝位機構 勵磁線圈和Terfenol-D驅動勵磁線圈。根據應用對象的不同，精度的要求不同，對於基於 磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給機構可以採用通過位移傳感器檢測位移信號反饋至 控制器的方法進行閉環控制或者開環控制。閉環系統和開環系統示意圖如圖2和圖3所示。 對於精度要求高的應用對象，可以採用閉環系統控制。以上的控制器、D/A轉換、功率放大器和位移傳感器均可在市場上選購。
權利要求一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置，其特徵在於在主軸上從左至右依次裝有後箝位機構、Terfenol D伸縮機構和前箝位機構；其中1)後箝位機構後箝位機構支撐套(6)安裝在主軸(4)左端，在後箝位機構支撐套(6)內的主軸上安裝後箝位機構線圈骨架(5)，後箝位機構線圈骨架(5)內孔與主軸間隙中充滿後箝位機構磁流變液(2)，後箝位機構線圈骨架(5)上繞制後箝位機構勵磁線圈(2)，後箝位機構支撐套(6)外安裝後箝位機構密封蓋(1)，後箝位機構支撐套(6)孔和後箝位機構密封蓋(1)孔與主軸間分別用後箝位機構密封圈密封；2)前箝位機構前箝位機構支撐套(19)安裝在主軸(4)右端，在前箝位機構支撐套(19)內的主軸上安裝前箝位機構線圈骨架(15)，前箝位機構線圈骨架(15)內孔與主軸間隙中充滿前箝位機構磁流變液(16)，前箝位機構線圈骨架(15)上繞制前箝位機構勵磁線圈(14)，前箝位機構支撐套(19)外安裝前箝位機構密封蓋(18)，前箝位機構支撐套(19)孔和前箝位機構密封蓋(18)孔與主軸間分別用前箝位機構密封圈密封；3)Terfenol D伸縮機構包括預緊彈簧(9)、Terfenol D驅動線圈(10)、Terfenol D伸縮棒(11)和Terfenol D線圈骨架(12)；在Terfenol D線圈骨架(12)內安裝Terfenol D伸縮棒(11)，Terfenol D伸縮棒(11)內孔兩端分別與後箝位機構支撐套(6)和前箝位機構支撐套(19)外的凸臺相配合，Terfenol D線圈骨架(12)上繞制Terfenol D驅動線圈(10)，後箝位機構支撐套(6)和前箝位機構支撐套(19)間用預緊彈簧(9)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基於磁流變與超磁致伸縮的蠕動式微進給裝置。在主軸上從左至右依次裝有後箝位機構、Terfenol-D伸縮機構和前箝位機構。利用磁流變液的流變特性，取代摩擦力驅動的箝位機構，並採用Terfenol-D超磁致伸縮材料進行伸縮驅動，從而提高了蠕動進給裝置的推進力和負載能力。本實用新型綜合利用了磁流變液和超磁致伸縮材料的優良特性，提供了一種敏捷、精確的大行程、高負載微進給技術。該技術不僅可以應用於精密測量等負載較小的場合，也可用於加工系統等負載較大的場合，在精密機構與精密儀器的大行程精確定位中具有重要的應用價值。
文檔編號B81B7/02GK201678441SQ20102019551
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者姚喆赫, 梅德慶, 陳子辰 申請人:浙江大學