CN101166005A - 一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构 - Google Patents

一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构，是一种利用杠杆原理进行微位移放大的机构。它的主要结构包括：筒体、杠杆结构、传动盘、下限位圈、励磁线圈、磁致伸缩棒、上限位盘、调节螺钉、输出杆、底座和复位弹簧。在磁致伸缩棒与输出杆之间设有放大机构，放大机构由杠杆构件和传动盘构成。放大机构为1～3级。根据使用要求通过选择单级或多级放大机构的组合以及不同单级杠杆放大倍数实现调控微位移机构的放大倍数。该微位移机构具有加工安装简便，互换性好的优点。

Description

一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构
技术领域
本发明涉及一种用超磁致伸缩材料驱动的微位移机构，是一种利用杠杆原理进行微位移放大的机构。
背景技术
微位移机构主要用于精密机床，精密测量仪、仪表和车用发动机燃料油喷射系统。微位移机构驱动方式主要有多级极联电磁铁串联、压电陶瓷、电磁线圈的吸合等，这些微位移机构一般都存在频响较低、输出力和位移较小、输出位移难以精确控制等缺点。
超磁致伸缩材料驱动的微位移机构是利用超磁致伸缩材料在励磁线圈电磁场的作用下伸缩变形的驱动，将超磁致伸缩材料输出的力和位移放大传递到输出杆，实现微位移的放大。
超磁致伸缩材料是当今世界最新型的磁致伸缩功能材料，它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500～2000ppm；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约10mm的超磁致伸缩棒材磁致伸缩时产生约2000N的推力；能量转换效率高达70％；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应频率最高可达2000Hz以上；频率特性好，可在低频率(几十至1000赫兹)下工作，工作频带宽，稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。超磁致伸缩材料使用时需经过位移传递和放大才能驱动负载，放大机构是超磁致伸缩驱动微位移机构的一个关键结构。目前微位移放大机构主要有齿轮组合、楔形装置、杠杆放大、变幅杆放大、U形放大装置、柔性铰链、三角形机构等多种方式。在“超磁致伸缩材料高速强力微位移机构”(ZL99212477.8)公开了一种以弹性梁进行微位移的机构。它利用超磁致伸缩材料进行驱动，励磁线圈通电后，超磁致伸缩棒迅速伸长，将力和位移传递到一端固定的弹性梁上，引起弹性梁的弯曲变形，由弹性梁末端输出放大位移。它是利用杠杆放大的微位移机构，最大放大倍数只有5.1倍，无法满足要求输出较大位移的场合使用。它利用悬臂弹性梁作为放大机构对于输出力的损耗较大，且加工及装配均要求较高，互换性较差，放大倍数不可调节。
发明内容
本发明的目的在于提出一种放大倍数高、放大倍数可调节的超磁致伸缩材料驱动的微位移机构。本发明采用了由传动盘与杠杆机构构成的放大机构。
本发明一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构，其技术方案如下：
它的主要结构包括：筒体、杠杆结构、传动盘、下限位圈、励磁线圈、磁致伸缩棒、上限位盘、调节螺钉、输出杆、底座和复位弹簧。设在磁致伸缩棒与输出杆之间的放大机构由杠杆构件和传动盘构成，传动盘设置在杠杆构件之上，杠杆构件由1个支座、2个杠杆和2个轴销构成，杠杆的定位端用轴销固定在支座的通孔中。传动盘的底部带有圆环凸棱，圆环凸棱的直径小于杠杆构件的2个轴销的中心距。输出杆上套有复位弹簧，复位弹簧置于底座中心的圆槽内，输出杆的上端与杠杆构件的2个杠杆的末端定位接触。
本发明微位移机构的放大机构为1～3级。
本发明微位移机构的放大机构为2级时，2级放大机构串连在一起；第1级放大机构的传动盘的上端穿过下限位圈的中心孔与励磁线圈的下端定位接触；第2级放大机构的传动盘的上端穿过第1级放大机构的杠杆构件的支座底部中心孔与第1级放大机构的杠杆的末端定位接触；输出杆的顶端穿过第2级的杠杆构件的支座底部中心孔与第2级放大机构的杠杆的末端定位接触。
本发明微位移机构的放大机构为3级时，3级放大机构串联在一起；第1级放大机构的传动盘的上端穿过下限位圈的中心孔与励磁线圈的下端定位接触；第2级放大机构的传动盘的上端穿过第1级放大机构的杠杆构件的支座的底部中心孔与第1级放大机构的杠杆的末端定位接触；第3级放大机构的传动盘的上端穿过第2级放大机构的杠杆构件的支座底部中心孔与第2级放大机构的杠杆的末端定位接触；输出杆的顶端穿过第3级放大机构的杠杆构件的支座底部中心孔与第3级放大机构的杠杆的末端定位接触。
本发明微位移机构的第1级传动盘的上部和上限位盘的下部分别带有凹槽，磁致伸缩棒的两端分别与传动盘和上限位盘的凹槽相接触固定。
本发明微位移机构的传动盘底部的圆环凸棱的截面为角形或圆弧形。
本发明微位移机构的杠杆的末端上侧带圆角。
本发明微位移机构的筒体底部设有螺钉孔。
本发明利用杠杆放大原理，提出了放大倍数高且可调的微位移机构。根据使用要求通过选择单级或多级放大机构的组合以及不同单级杠杆放大倍数实现调控位移机构的放大倍数。该微位移机构还具有加工安装简便，互换性好的优点。
附图说明
图1是本发明微位移机构的主视图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明微位移机构的杠杆构件的主视图。
图4是图3的俯视图。
图中：筒体(1)、杠杆构件(2)、支座(2-1)、通孔(2-1-1)、底部中心孔(2-1-2)、杠杆(2-2)、轴销(2-3)、传动盘(3)、圆环凸棱(3-1)、下限位圈(4)、励磁线圈(5)、磁致伸缩棒(6)、上限位盘(7)、调节螺钉(8)、输出杆(9)、底座(10)、复位弹簧(11)、螺钉孔(12)。
具体实施方式
本发明微位移机构如图1和图2所示，它主要结构包括：筒体(1)、杠杆结构(2)、传动盘(3)、下限位圈(4)、励磁线圈(5)、磁致伸缩棒(6)、上限位盘(7)、调节螺钉(8)、输出杆(9)、底座(10)和复位弹簧(11)。在筒体(1)内在磁致伸缩棒(6)与输出杆(9)之间设有放大机构。放大机构由杠杆构件(2)和传动盘(3)构成，传动盘(3)设置在杠杆构件(2)之上。如图3和图4所示，杠杆结构(2)由1个支座(2-1)和对称的2个杠杆(2-2)与2个轴销(2-3)构成，杠杆(2-2)的定位端用轴销(2-3)固定在支座(2-1)的通孔(2-1-1)中，杠杆(2-2)的末端上侧带圆角便于杠杆(2-2)能灵活绕轴销(2-3)作扇形转动。传动盘(3)的底部有圆环凸棱(3-1)，圆环凸棱(3-1)与杠杆(2-2)接触。圆环凸棱(3-1)的直径小于杠杆构件(2)的2个轴销(2-3)的中心距。输出杆(9)上套有复位弹簧(11)，复位弹簧(11)置于底座(10)中心的圆槽内，输出杆(9)的上端与杠杆构件(2)的2个杠杆(2-2)的末端定位接触。
图1所示的微位移机构为3级放大机构，3级放大机构串联在一起，在每1级放大机构的杠杆构件(2)上设置有1个传动盘(3)，第1级的杠杆构件(2)之上的传动盘(3)的上端与励磁线圈(5)的下端定位接触；第2级的杠杆构件(2)之上的传动盘(3)的上端穿过第1级的杠杆构件(2)的支座(2-1)底部中心孔(2-1-2)与第1级的杠杆(2-2)的末端定位接触；第3级的杠杆构件(2)之上的传动盘(3)的上端穿过第2级的杠杆构件(2)的支座(2-1)底部中心孔(2-1-2)与第2级的杠杆(2-2)的末端定位接触；输出杆(9)的顶端穿过第3级的杠杆构件(2)的支座(2-1)底部中心孔(2-1-2)与第3级的杠杆(2-2)的末端定位接触。当取消第3级放大机构时则为2级放大机构的微位移机构。
本发明微位移机构的第1级放大机构的传动盘(3)的上部和上限位盘(7)的下部分别带有凹槽，磁致伸缩棒(6)的两端分别与传动盘(2)和上限位盘(7)的凹槽接触固定。
本发明的微位移机构安装时，从筒体(1)的下端依次放入上限位盘(7)、磁致伸缩棒(6)、励磁线圈(5)、下限位圈(4)、放大机构：传动盘(3)和杠杆构件(2)、输出杆(9)、复位弹簧(11)和底座(10)。用螺钉与筒体(1)上的螺钉孔(12)连接，将微位移机构紧固在工作面上，旋入调节螺钉(8)并施加一定预紧力使上限位盘(7)、磁致伸缩棒(6)、放大机构和输出杆(9)压紧。当励磁线圈(5)通电后，磁致伸缩棒(6)在电磁场的作用下迅速伸长，将力和位移传递到放大机构的传动盘(3)，传动盘(3)通过圆环凸棱(3-1)传递给杠杆(2-2)，由于圆环凸棱(3-1)的直径小于杠杆构件(2)的2个轴销(2-3)的中心距，杠杆(2-2)受力绕轴销(2-3)向下旋转并将力和位移传递到下一级放大机构的传动盘(3)。经过最下一级放大机构将力和位移传给输出杆(9)，复位弹簧(11)被压缩变形。当切断励磁线圈(5)电流后，磁致伸缩棒(6)回复到初始长度，在复位弹簧(11)的作用下，传动盘(3)、杠杆构件(2)和输出杆(9)都回复到初始位置。通过调节励磁线圈(5)的输入电流改变磁场强度，实现控制输出位移量的大小。圆环凸棱(3-1)的截面除如图1所示的角形以外，还可以圆弧形。传动盘(3)底部的圆环凸棱(3-1)与杠杆(2-2)的接触位置决定杠杆放大倍数。通过更换不同圆环凸棱直径的传动盘(3)改变单级杠杆的放大倍数。杠杆构件(2)的支座(2-1)及传动盘(3)均为同轴线圆盘结构，安装时可绕轴线自由旋动，装配简易方便。放大机构的叠加级数可根据应用场合选择，但是级数过多会导致传动效率降低。
本微位移机构中选择单级杠杆放大倍数和放大机构叠加级数均为3时，由磁致伸缩棒输出的微位移可实现27倍的位移放大效果。当磁致伸缩棒原始伸长量为50μm，理论上输出端就可得到1.3mm的位移量，可以满足众多微位移应用场合的要求。输出位移稳定、精确，调节方便，且线性可调，重复精度高。因此，它可作为一般的微位移机构应用于机床、仪器、仪表中，实现精确的位移控制。

Claims (8)

1.一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构，其特征在于：
A、其主要结构包括：筒体、杠杆结构、传动盘、下限位圈、励磁线圈、磁致伸缩棒、上限位盘、调节螺钉、输出杆、底座和复位弹簧；
B、设在磁致伸缩棒与输出杆之间的放大机构由杠杆构件和传动盘构成，传动盘设置在杠杆构件之上，杠杆构件由1个支座、2个杠杆和2个轴销构成，杠杆的定位端用轴销固定在支座的通孔中；
C、传动盘的底部带有圆环凸棱，圆环凸棱的直径小于杠杆构件的2个轴销的中心距；
D、输出杆上套有复位弹簧，复位弹簧置于底座中心的圆槽内，输出杆的上端与杠杆构件的2个杠杆的末端定位接触。
2.根据权利要求1所述的微位移机构，其特征在于：放大机构为1～3级。
3.根据权利要求2所述的微位移机构，其特征在于：放大机构为2级，2级放大机构串连在一起；第1级放大机构的传动盘的上端穿过下限位圈的中心孔与励磁线圈的下端定位接触；第2级放大机构的传动盘的上端穿过第1级放大机构的杠杆构件的支座底部中心孔与第1级放大机构的杠杆的末端定位接触；输出杆的顶端穿过第2级的杠杆构件的支座底部中心孔与第2级放大机构的杠杆的末端定位接触。
4.根据权利要求2所述的微位移机构，其特征在于：放大机构为3级，3级放大机构串联在一起；第1级放大机构的传动盘的上端穿过下限位圈的中心孔与励磁线圈的下端定位接触；第2级放大机构的传动盘的上端穿过第1级放大机构的杠杆构件的支座的底部中心孔与第1级放大机构的杠杆的末端定位接触；第3级放大机构的传动盘的上端穿过第2级放大机构的杠杆构件的支座底部中心孔与第2级放大机构的杠杆的末端定位接触；输出杆的顶端穿过第3级放大机构的杠杆构件的支座底部中心孔与第3级放大机构的杠杆的末端定位接触。
5.根据权利要求1、3或4所述的微位移机构，其特征在于：放大机构第1级传动盘的上部和上限位盘的下部分别带有凹槽，磁致伸缩棒的两端分别与传动盘和上限位盘的凹槽相接触固定。
6.根据权利要求1、3或4所述的微位移机构，其特征在于：传动盘底部的圆环凸棱的截面为角形或圆弧形。
7.根据权利要求1、3或4所述的微位移机构，其特征在于：杠杆的末端上侧带圆角。
8.根据权利要求1所述的微位移机构，其特征在于：筒体底部设有螺钉孔。
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