CN101119080B - 基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置。通过电流来控制输出位移的驱动装置，并通过气冷温控装置实现抑制驱动器温升和热误差输出，提高输出位移控制精度。本发明驱动器结构简单，驱动电流较小，工作稳定，频响特性好；采用空气强制制冷，能实施长时间温控，有效抑制热误差输出；碟形弹簧增加了预压力的平衡，自定心钢球能够使输出力保持在输出顶杆的轴线上，这样执行器的位移输出控制精度可达到亚微米级甚至更高，并且能适应各种恶劣的工作环境。同时具有体积小、重量轻、输出力大、位移精度高，能抑制热变形对驱动器输出位移的影响，可用于超精密加工、振动控制等领域。

Description

基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置

技术领域

本发明涉及驱动装置，尤其是涉及一种基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置。

背景技术

微位移驱动器在超精密加工、机器人、流体机械、振动控制、声纳系统等领域获得了广泛的应用，目前应用较多的类型主要有机械式、液压式和压电式等。机械式和液压式驱动器频响较低，输出力较小，输出位移难以满足高精度要求；压电驱动器虽然位移分辨率和频响均比较高，但出力较小，易产生电击穿，并会产生漂移现象。超磁致伸缩微位移驱动器具有大位移、强力、快响应、高可靠性、低压驱动等优点；但作为一种电(磁)机换能器，超磁致伸缩微位移驱动器能量利用率较低，除了一部分转化为机械能输出外，大部分能量以热能方式散发掉。由于驱动器内部空间封闭，散热性能差，特别是在高频大电流工作状态下，温度将快速上升，热误差显著，但现有技术对驱动器热误差补偿过于复杂，实现困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置，通过电流来控制输出位移的驱动装置，并通过气冷温控装置实现抑制驱动器温升和热误差输出，提高输出位移控制精度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

包括底座、下冷却室、外壳、偏置线圈、驱动线圈、线圈骨架、超磁致伸缩棒、钢球、上冷却室、十字形输出顶杆、上端盖、碟形弹簧、预压螺母。在底座中心小凸台上装有超磁致伸缩棒、钢球和十字形输出顶杆，在超磁致伸缩棒和十字形输出顶杆下直杆外，从内向外依次装有内壁带螺旋冷却气道的线圈骨架、驱动线圈、偏置线圈和外壳；十字形输出顶杆上直杆外装有碟形弹簧和预压螺母，上端盖和预压螺母构成组合预压机构，线圈骨架下端与底座之间的空隙形成下冷却室，线圈骨架上端与上端盖之间的空隙形成与上冷却室，下冷却室与上冷却室通过螺旋冷却气道联通。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：驱动器结构简单，驱动电流较小(2～4A)，工作稳定，频响特性好(可达2000Hz)；采用空气强制制冷，能实施长时间温控，有效抑制热误差输出；碟形弹簧增加了预压力的平衡，自定心钢球能够使输出力保持在输出顶杆的轴线上，这样执行器的位移输出控制精度可达到亚微米级甚至更高，并且能适应各种恶劣的工作环境。本发明体积小、重量轻、输出力大、位移精度高，能抑制热变形对驱动器输出位移的影响，可用于超精密加工、振动控制等领域。

附图说明

图1是基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置。

图2是线圈骨架。

图中：1.底座，2.进气孔，3.下冷却室，4.外壳，5.偏置线圈，6.驱动线圈，7.线圈骨架，8.超磁致伸缩棒，9.螺旋冷却气道，10.钢球，11.排气孔，12.上冷却室，13.十字形输出顶杆，14.上端盖，15.碟形弹簧，16.预压螺母；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明包括底座1、下冷却室3、外壳4、偏置线圈5、驱动线圈6、线圈骨架7、超磁致伸缩棒8、钢球10、上冷却室12、十字形输出顶杆13、上端盖14、碟形弹簧15、预压螺母16；在底座1中心小凸台上装有超磁致伸缩棒8、钢球10和十字形输出顶杆13，在超磁致伸缩棒8和十字形输出顶杆13下直杆外，从内向外依次装有内壁带螺旋冷却气道9的线圈骨架7、驱动线圈6、偏置线圈5和外壳4；十字形输出顶杆13上直杆外装有碟形弹簧15和预压螺母16，上端盖14和预压螺母16构成组合预压机构，线圈骨架7下端与底座1之间的空隙形成下冷却室3，线圈骨架7上端与上端盖14之间的空隙形成与上冷却室12，下冷却室3与上冷却室12通过螺旋冷却气道9联通。

内壁带螺旋冷却气道9的线圈骨架7、上冷却室12、下冷却室3、外壳下端的进气孔2和外壳上端的排气孔11，构成气冷温控装置。

上端盖14、预压螺母16、碟形弹簧15、十字形输出顶杆13和钢球10构成组合预压机构。

通过调节组合预压机构中的预压螺母16，可对超磁致伸缩棒8施加不同的预压力，使超磁致伸缩棒8处于较佳的工作条件下，碟形弹簧可以使对超磁致伸缩棒8施加的预压力比较平衡，减小输出顶杆的“卡死”现象的发生。当驱动线圈6中通过驱动电流时，在输入电流的作用下，驱动线圈6将产生驱动磁场，使超磁致伸缩棒8长度发生变化。由于底座1对超磁致伸缩棒8有支撑作用，所以超磁致伸缩棒8的长度改变量将通过钢球10传递给十字形输出顶杆13，十字形输出顶杆13作对外输出，表现为超磁致伸缩微位移驱动器的位移和力输出。钢球10在超磁致伸缩棒8与十字形输出顶杆13之间起到自定心与传递力和位移的作用，进一步减小直至消除“卡死”现象所带来的影响。偏置线圈中通以某恒定电流时，产生偏置磁场，用来消除超磁致伸缩棒的倍频现象。

在输入电流作用下，超磁致伸缩微位移驱动器将会产生两部分损耗：超磁致伸缩棒8滞回损耗和驱动线圈6、偏置线圈5的欧姆损耗。这两部分损耗将以热能的形式扩散开来，驱动器内部的温度将会迅速上升。超磁致伸缩棒8滞回损耗将主要引起超磁致伸缩棒8温度升高，由于超磁致伸缩棒8直接与螺旋冷却气道9中的冷却气体接触，在温差的作用下超磁致伸缩棒8会把热量传递给冷却气体。偏置线圈5和驱动线圈6的欧姆损耗将主要引起线圈温度升高。在温差的作用下，其中一部分热量将会沿偏置线圈6和驱动线圈6的径向向外传导，传递给外壳4向外散热。另一部分热量将会沿偏置线圈6和驱动线圈6的轴向向两端传导，通过线圈骨架传递给上冷却室12和下冷却室3中的冷却气体。冷却气体由送气装置通过进气孔2强制送入下冷却室3，经螺旋冷却气道，再通过上冷却室，最后通过排气孔11排放到空气中。这样通过冷却气体可以把热量从超磁致伸缩微位移驱动器内部转移到外界环境，使整个超磁致伸缩微位移驱动器温度基本维持不变，实现抑制驱动器温升和热变形误差输出，提高输出位移控制精度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置，其特征在于：包括底座(1)、下冷却室(3)、外壳(4)、偏置线圈(5)、驱动线圈(6)、线圈骨架(7)、超磁致伸缩棒(8)、钢球(10)、上冷却室(12)、十字形输出顶杆(13)、上端盖(14)、碟形弹簧(15)、预压螺母(16)；在底座(1)中心小凸台上装有超磁致伸缩棒(8)、钢球(10)和十字形输出顶杆(13)，在超磁致伸缩棒(8)和十字形输出顶杆(13)下直杆外，从内向外依次装有内壁带螺旋冷却气道(9)的线圈骨架(7)、驱动线圈(6)、偏置线圈(5)和外壳(4)；十字形输出顶杆(13)上直杆外装有碟形弹簧(15)和预压螺母(16)，上端盖(14)和预压螺母(16)构成组合预压机构，线圈骨架(7)下端与底座(1)之间的空隙形成下冷却室(3)，线圈骨架(7)上端与上端盖(14)之间的空隙形成上冷却室(12)，下冷却室(3)与上冷却室(12)通过螺旋冷却气道(9)联通。

2.根据权利要求1所述的基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置，其特征在于：内壁带螺旋冷却气道(9)的线圈骨架(7)、上冷却室(12)、下冷却室(3)、外壳下端的进气孔(2)和外壳上端的排气孔(11)，构成气冷温控装置。

3.根据权利要求1所述的基于气冷温控原理的超磁致伸缩微进给驱动装置，其特征在于：上端盖(14)、预压螺母(16)、碟形弹簧(15)、十字形输出顶杆(13)和钢球(10)构成组合预压机构。

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