CN101865175A - 内置磁流变液制动器的摆动气缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置磁流变液制动器的摆动气缸，包括主轴、左壳体、限位块、中壳体、右壳体、气缸叶片、键、转盘、挡圈；主轴与气缸叶片固连，中壳体与左壳体相互扣合连接在一起，气缸叶片轴向两面分别与左壳体的内表面、中壳体的内表面相配合形成气缸叶片的摆动腔，限位块固定于左壳体和中壳体之间，中壳体与右壳体相互扣合连接在一起，形成放置转盘和磁流变液的制动腔，驱动腔与制动腔共用主轴。本发明利用磁流变效应，可实现摆动气缸的定位死锁功能，可解决摆动气缸定位刚度低的问题，扩大摆动气缸的实际应用范围。

Description

内置磁流变液制动器的摆动气缸

技术领域

本发明涉及一种摆动气缸，特别是一种内置磁流变液制动器的摆动气缸。

背景技术

气动技术的执行元件有直线气缸、摆动气缸、气马达等主要几种。摆动气缸是一种在小于360°范围内作往复摆动的气动执行元件，常用于工件的翻转、分类、夹紧等作业，也用作气动机械手的指腕关节部，用途十分广泛。现阶段最广泛的应用方法仍是“两点式”，主要完成从起始角度到终止角度的摆动。如果中间设置档块，也可以完成在两个档块限定范围内的摆动。

在现代气动技术应用中，摆动气缸由于缺乏制动装置，在需要进行转角精确控制的场合，转角的定位精度容易受负载变化和气体压力波动影响，一直不能实现中间任意位置的可靠定位，限制了全气动技术在转角需要精确控制场合的应用。现在，对摆动气缸伺服控制方面的研究已经展开，目前研究大多集中在新型组件的研制和不同控制策略的探索上，多数研究者在特定的试验条件下，在一定程度上提高了摆动气缸的定位精度和定位刚度。如南京理工大学SMC技术中心的柏艳红对比例流量阀控制的摆动气缸位置伺服系统进行了研究，对系统非线性特性的补偿方法、线性化数学模型的建立方法以及控制策略等方面进行了深入的理论分析和实验研究。由于气体本身存在很大的压缩性，摆动气缸有死区，系统阻尼低，比例阀或伺服阀有死区，使得单纯的摆动伺服控制输出刚度低，定位精度容易受负载影响，同时对外界的扰动(比如气源气压的不稳定，比例阀信号的扰动等)很难抑制。磁流变材料是近年国内外开始进行探索、研究的一种新型智能材料。它是由载液和磁性颗粒混合而成的浓稠流体，在磁场的作用下磁流变液可以在短时间内由流动良好的液体变为黏性流体，具有一定的屈服特性，其屈服强度随磁场强度的增加而增加。磁流变效应连续、可逆、迅速和易于控制的特点使得磁流变液装置能够成为电气控制与机械系统之间简单、安静而且响应快的中间装置。采用这种磁流变材料代替传统机械制动器的摩擦副，通过内部剪切应力产生制动力矩，控制磁场的强弱，就可以无级地改变制动力矩的大小，容易实现制动过程的自动化、智能化控制，是一种有发展前景的智能结构制动器，如中国专利申请03141793.0和200710192038.3等。但这些研究成果不能与摆动气缸构成一体，也尚未有将磁流变液制动器用于摆动气缸的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内置磁流变液制动器的摆动气缸，利用磁流变效应，得到可控的阻尼力矩，利用先进的控制策略可实现系统快速、高精度的位置控制，又可实现速度控制，提高气动伺服系统的快速响应性和位置控制精度，使系统具有更强的抗干扰能力，当外加磁场强度足够大时，利用流变效应实现系统的定位死锁功能，可解决摆动气缸定位刚度低的问题，扩大摆动气缸的实际应用范围。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种内置磁流变液制动器的摆动气缸，包括主轴、左壳体、限位块、中壳体、右壳体、气缸叶片、键、转盘、弹性挡圈；主轴与气缸叶片固连，中壳体与左壳体相互扣合连接在一起，气缸叶片轴向两面分别与左壳体的内表面、中壳体的内表面相配合形成气缸叶片的摆动腔，限位块固定于左壳体和中壳体之间，该限位块与气缸叶片将摆动腔的进气腔和出气腔分开，中壳体与右壳体相互扣合连接在一起，形成放置转盘和磁流变液的制动腔，驱动腔与制动腔共用主轴，转盘放置于制动腔中部，主轴上嵌有键连接转盘来限制转盘与主轴的周向转动，主轴在转盘两端面的轴向位置上一处设置轴肩，另一处开有挡圈槽，槽上设有挡圈，通过轴肩和挡圈限制转盘的轴向移动，使转盘固定在主轴上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明提供了一种集成磁流变液制动器的制动摆动气缸，整体结构完整一体且尺寸合理，利用磁流变技术的优点来弥补气动摆动伺服系统的缺点，利用磁流变效应，得到可控的阻尼力矩，通过协调控制气压驱动与磁流变液制动，可实现系统快速、高精度的位置控制，使摆动气缸在中间任意位置的可靠定位成为可能，且由于定位是由磁流变液制动器实现的，所以定位刚度很高，抗干扰能力强，上述优势表明相比传统的摆动气缸，制动摆动气缸在位置伺服方面优势明显，扩大了摆动气缸的实际应用范围。

附图说明

图1为本发明内置磁流变液制动器的摆动气缸的结构剖面示意图。

图2为本发明内置磁流变液制动器驱动部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明内置磁流变液制动器的摆动气缸，主要包括主轴1，第一轴承2，第一O型密封圈3，左壳体4，限位块5，第二O型密封圈6，第三O型密封圈7，第一轴承座8，中壳体9，第四O型密封圈10，线圈套11，电磁线圈12，右壳体13，第五O型密封圈14，第六O型密封圈15，第二轴承座16，气缸叶片17，第七O型密封圈18，第二轴承19，第一油封20，键21，第一油封定位块22，转盘23，第二油封定位块25，弹性挡圈26，第二油封27，电磁线圈出线口28，第三轴承29，轴承盖30。

本发明内置磁流变液制动器的摆动气缸，主轴1与气缸叶片17固连，中壳体9与左壳体4相互扣合连接在一起，气缸叶片17轴向两面分别与左壳体4的内表面、中壳体9的内表面相配合形成气缸叶片17的摆动腔，限位块5固定于左壳体4和中壳体9之间，该限位块5与气缸叶片17将摆动腔的进气腔和出气腔分开，中壳体9与右壳体13相互扣合连接在一起，形成放置转盘23和磁流变液的制动腔，驱动腔与制动腔共用主轴1，转盘23放置于制动腔中部，主轴1上嵌有键21连接转盘23来限制转盘23与主轴1的周向转动，主轴1在转盘23两端面的轴向位置上一处设置轴肩，另一处开有挡圈槽，槽上设有挡圈26，通过轴肩和挡圈26限制转盘23的轴向移动，使转盘23固定在主轴1上。

主轴1伸入到轴承腔内的部分覆有一圈硫化橡胶，第一轴承座8嵌入中壳体9中间，第一轴承座8内圆面与中壳体9内圆面同心，第一轴承座8左端面与中壳体9左内表面在同一平面上，第一轴承2的外圆面与左壳体4的内圆面紧配合，第一轴承2的左端面与左壳体4与之配合的内圆面端面在同一平面上，第二轴承19的外圆面与第一轴承座8的内圆面紧配合，且第二轴承19的右端面与第一轴承座8的内左端面在同一平面上，第一O型密封圈3、第三O型密封圈7与主轴1上的硫化橡胶相配合，第二O型密封圈6置于左壳体4和中壳体9之间，第六O型密封圈15置于右壳体13和第二轴承座16之间，以防止磁流变液沿右壳体13与第二轴承座16配合的缝隙泄露，第七O型密封圈18置于中壳体9与第一轴承座8之间，以限制摆动腔中气体的泄露。

线圈套11内缠绕电磁线圈12并置于中壳体9与右壳体13之间，线圈套11内径与两壳体间采用紧配合，磁流变液充满于中壳体9、右壳体13和转盘23中间，第一油封20、第二油封27安装在转盘23两侧的主轴1与第一轴承座8、第二轴承座16之间，以防止磁流变液在轴向的泄露，第一轴承座8、第二轴承座16和第一油封定位块22、第二油封定位块25限制第一油封20、第二油封27的轴向移动；第二轴承座16嵌入右壳体13中间，第二轴承座16内圆面与右壳体13内圆面同心，第二轴承座16右端面与右壳体13右端面在同一平面上，第四O型密封圈10、第五O型密封圈14置于线圈套11两侧与中壳体9和右壳体13间，以防止磁流变液沿径向泄露，电磁线圈线头由电磁线圈出线口28引出，第三轴承29与第二轴承座16的最小内圆面紧配合，通过主轴1的轴肩和轴承盖30限制第三轴承29的轴向移动，轴承盖30与第二轴承座16连接，且两者同心。

本发明的工作原理如下：整个制动摆动气缸分为两大部分，一部分为制动摆动气缸的驱动部分，另一部分为制动部分，两部分共用一根主轴1。摆动驱动部分的作用是实现摆动运动。摆动驱动部分主要由缸体、叶片、轴、密封圈、限位块、轴承组成。左壳体4和中壳体9相互扣合在一起，通过螺栓连接，形成气缸叶片17的摆动腔。限位块5固定于左壳体4和中壳体9两个壳体之间与叶片17把摆动腔的进气腔和出气腔分开，轴1伸入到轴承腔内的部分覆有一圈硫化橡胶，第一O型密封圈3、7与轴上的硫化橡胶相配合，O型密封圈6置于左壳体4和中壳体9之间，O型密封圈18置于中壳体9与轴承座8之间，以限制摆动腔中气体的泄露。通过控制两腔的气体流量和压力来驱动叶片17在一定角度范围内作往复回转运动，叶片17和主轴1在结构上一体化，因此叶片转动带动主轴转动。中壳体9与右壳体13相互扣合在一起，通过螺栓连接，形成放置制动盘23和磁流变液24的制动腔。转盘23通过平键21来限制它与轴1的周向转动，通过轴肩和挡圈26限制它的轴向移动，使其固定在轴1上；

电磁线圈12在电流作用下在空间形成磁场，由中壳体9与左壳体4，制动盘23，磁流变液24组成有效磁路，非导磁材料制作的线圈套11，轴承座8、轴承座16起隔磁作用以保证电磁线圈产生的磁力线基本沿着设计的磁路分布。在有电流作用电磁线圈情况下，磁流变液体中的磁性固体粒子被磁化，并沿着磁力线方向呈链状分布，制动盘要剪切磁流变液中的链状结构，从而加大转动的阻力，起到了制动的作用，制动力矩根据供给电流可在一定范围内连续可调。

线圈套11内缠绕电磁线圈12构成一体置于中壳体9与右壳体13只间，线圈套11内径与两壳体间采用紧配合。磁流变液充满于中壳体9和右壳体13与转盘23中间，油封20，油封27安装在转盘23两侧的轴1与轴承座8、16之间，以防止磁流变液在轴向的泄露。轴承座结构和油封定位块22、25限制油封20、27的轴向移动。O型密封圈10、14置于线圈套11两侧与中壳体9和右壳体13间，以防止磁流变液沿径向泄露。通过轴肩和轴衬盖30限制轴承29的轴向移动。电磁线圈线头由电磁线圈出线口28引出。线圈套11由非导磁材料制成，起到隔磁以及保护电磁线圈的作用。电磁线圈通以直流电产生磁场，壳体与转盘作为导磁体应采用软磁材料，本制动摆动气缸使用的软磁材料为工业纯铁。为了有效防止电磁线圈产生的磁力线沿主轴与壳体形成回路，造成壳体与转盘间隙处没有最大有效磁力线通过，为此在转盘与主轴之间设计非导磁的轴承座，从磁路上保证间隙处最大有效磁场的产生。本制动摆缸使用的非导磁材料是铝合金。

通过调节制动摆动气缸两腔气压差来驱动摆缸，内置制动器在控制电流作用下提供可调力矩。该制动摆动气缸与比例阀或伺服阀、编码器、控制器构成新型伺服系统，利用一定的控制策略可实现系统快速、高精度的位置控制及速度控制，同时系统具有较强的抗干扰能力。

当线圈不通电时，磁流变液保持其流动性，不影响主轴的回转运动，壳体与转盘相分离，此时磁流变液制动器所能传递的力矩为很小的粘性阻力矩，制动摆动气缸同传统摆动气缸一样工作；当线圈通电后，在空间产生磁场，磁流变液体发生磁流变效应，磁流变液体中的磁性固体粒子被磁化，并沿着磁力线方向呈链状分布。这种链状结构使得磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特征，主轴带动转盘转动，要剪切磁流变液中的链状结构，从而加大转动的阻力，起到了制动的作用，此时磁流变洋人制动器所传递的力矩主要来源于由磁流变效应所引起的力矩，其大小远远超过粘性阻力矩，且可以通过调节磁场强度的大小来对其进行控制，为了增大有效的制动力矩，制动盘和壳体内侧都设计为凸齿形。

该制动摆动气缸与比例阀或伺服阀、编码器、控制器构成新型伺服系统，利用一定的控制策略可实现系统快速、高精度的位置控制及速度控制，同时系统具有较强的抗干扰能力。当流变效应足够大时，可实现系统的定位锁死功能，可解决摆动气缸定位刚度低的问题。该制动摆动气缸内置制动器使整体结构紧凑，尺寸合理。

现代工业生产中的很多场合，如自动化生产线上的分拣作业、机器人或者机械手摆动关节等，都要求摆动气缸能在中间位置可靠定位。传统摆动气缸配合比例阀或伺服阀、编码器、控制器构成的系统在现有的研究成果下很难达到上述要求，由该制动摆动气缸构成的系统，在一定的控制策略下可满足上述场合的要求。

Claims (4)

1.一种内置磁流变液制动器的摆动气缸，其特征在于：包括主轴(1)、左壳体(4)、限位块(5)、中壳体(9)、右壳体(13)、气缸叶片(17)、键(21)、转盘(23)、弹性挡圈(26)；主轴(1)与气缸叶片(17)固连，中壳体(9)与左壳体(4)相互扣合连接在一起，气缸叶片(17)轴向两面分别与左壳体(4)的内表面、中壳体(9)的内表面相配合形成气缸叶片(17)的摆动腔，限位块(5)固定于左壳体(4)和中壳体(9)之间，该限位块(5)与气缸叶片(17)将摆动腔的进气腔和出气腔分开，中壳体(9)与右壳体(13)相互扣合连接在一起，形成放置转盘(23)和磁流变液的制动腔，驱动腔与制动腔共用主轴(1)，转盘(23)放置于制动腔中部，主轴(1)上嵌有键(21)连接转盘(23)来限制转盘(23)与主轴(1)的周向转动，主轴(1)在转盘(23)两端面的轴向位置上一处设置轴肩，另一处开有挡圈槽，槽上设有挡圈(26)，通过轴肩和挡圈(26)限制转盘(23)的轴向移动，使转盘(23)固定在主轴(1)上。

2.根据权利要求1所述的内置磁流变液制动器的摆动气缸，其特征在于：还包括第一O型密封圈(3)、第二O型密封圈(6)、第三O型密封圈(7)、第六O型密封圈(15)、第七O型密封圈(18)、第一轴承(2)、第一轴承座(8)和第二轴承(19)，主轴(1)伸入到轴承腔内的部分覆有一圈硫化橡胶，第一轴承座(8)嵌入中壳体(9)中间，第一轴承座(8)内圆面与中壳体(9)内圆面同心，第一轴承座(8)左端面与中壳体(9)左内表面在同一平面上，第一轴承(2)的外圆面与左壳体(4)的内圆面紧配合，第一轴承(2)的左端面与左壳体(4)与之配合的内圆面端面在同一平面上，第二轴承(19)的外圆面与第一轴承座(8)的内圆面紧配合，且第二轴承(19)的右端面与第一轴承座(8)的内左端面在同一平面上，第一O型密封圈(3)、第三O型密封圈(7)与主轴(1)上的硫化橡胶相配合，第二O型密封圈(6)置于左壳体(4)和中壳体(9)之间，第六O型密封圈(15)置于右壳体(13)和第二轴承座(16)之间，以防止磁流变液沿右壳体(13)与第二轴承座(16)配合的缝隙泄露，第七O型密封圈(18)置于中壳体(9)与第一轴承座(8)之间，以限制摆动腔中气体的泄露。

3.根据权利要求1所述的内置磁流变液制动器的摆动气缸，其特征在于：还包括线圈套(11)、电磁线圈(12)、第二轴承座(16)、第一油封(20)、第一油封定位块(22)、第二油封定位块(25)、第二油封(27)、第四O型密封圈(10)、第五O型密封圈(14)和第三轴承(29)和轴承盖(30)，线圈套(11)内缠绕电磁线圈(12)并置于中壳体(9)与右壳体(13)之间，线圈套(11)内径与两壳体间采用紧配合，磁流变液充满于中壳体(9)、右壳体(13)和转盘(23)中间，第一油封(20)、第二油封(27)安装在转盘(23)两侧的主轴(1)与第一轴承座(8)、第二轴承座(16)之间，以防止磁流变液在轴向的泄露，第一轴承座(8)、第二轴承座(16)和第一油封定位块(22)、第二油封定位块(25)限制第一油封(20)、第二油封(27)的轴向移动；第二轴承座(16)嵌入右壳体(13)中间，第二轴承座(16)内圆面与右壳体(13)内圆面同心，第二轴承座(16)右端面与右壳体(13)右端面在同一平面上，第四O型密封圈(10)、第五O型密封圈(14)置于线圈套(11)两侧与中壳体(9)和右壳体(13)间，以防止磁流变液沿径向泄露，电磁线圈线头由电磁线圈出线口(28)引出，第三轴承(29)与第二轴承座(16)的最小内圆面紧配合，通过主轴(1)的轴肩和轴承盖(30)限制第三轴承(29)的轴向移动，轴承盖(30)与第二轴承座(16)连接，且两者同心。

4.根据权利要求1所述的内置磁流变液制动器的摆动气缸，其特征在于：中壳体(9)、右壳体(13)、转盘(23)采用软磁性材料制作，第一轴承座(8)、第二轴承座(16)、线圈套(11)采用非导磁性材料制作。

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