CN101877550A - 基于磁流变与超磁致的蠕动式伸缩微进给装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置及方法。在主轴上从左至右依次装有后箝位机构、Terfenol-D伸缩机构和前箝位机构。利用磁流变液的流变特性，取代摩擦力驱动的箝位机构，并采用Terfenol-D超磁致伸缩材料进行伸缩驱动，从而提高了蠕动进给装置的推进力和负载能力。本发明综合利用了磁流变液和超磁致伸缩材料的优良特性，提供了一种敏捷、精确的大行程、高负载微进给技术。该技术不仅可以应用于精密测量等负载较小的场合，也可用于加工系统等负载较大的场合，在精密机构与精密仪器的大行程精确定位中具有重要的应用价值。

Description

基于磁流变与超磁致的蠕动式伸缩微进给装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微进给装置及方法，尤其涉及一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置及方法。

背景技术

微进给机构是指行程小、灵敏度和精度高的机构，是精密机构与精密仪器的重要组成部分之一，一般认为进给量在毫米以下的机构为微进给机构。它既是重要的进给元件，也是对工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键元件。微进给机构不仅广泛应用于各种精密测量仪器，而且在多种控制系统中充当作动器。如今微进给技术在精密机械工程(刀具微进给)、光学精密工程(自动调焦)、计算机及电子技术(芯片定位)、生物医学工程(微操作)等领域都有着广泛的应用背景。

目前常见的微进给机构一般是利用弹性变形、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料(压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩)等实现微进给。在这些机构中，智能材料微进给机构响应速度快，精度高，已经成为微进给系统的发展方向，如采用压电陶瓷、形状记忆合金以及磁致伸缩材料等实现微进给。但智能材料进给输出位移小，如果直接用它来驱动负载，则结构复杂、体积大，并且使响应特性变差。

为了克服智能材料行程小的缺点，可以采用宏微复合进给系统和蠕动进给系统的设计。宏微复合进给系统是采用旋转电机-滚珠丝杠与电/磁致伸缩元件相结合的复合进给方式，以宏量进给(旋转电机-滚珠丝杠)为基础，在宏量进给机构上搭载微量进给机构(电/磁致伸缩元件)。而蠕动进给机构是利用两个箝位夹紧机构与电/磁致伸缩元件相配合以不断伸缩来实现大位移进给。为了实现精确进给，宏微复合进给方式的控制方法非常关键，通常在微量进给机构工作时，先由电/磁致伸缩元件驱动负载做微量进给，当其输出位移达到满行程时，快速回退到起始位置，然后由宏量进给机构驱动微量进给机构和负载做相同距离的大步进给，到位后再由微进给部件工作。可以看出宏微复合进给过程实质也是由两种进给方式交替进行，相比之下蠕动进给机构在简化机构和控制上更具有优势。

蠕动进给机构在保持智能伸缩材料高位移分辨率的同时实现了大位移行程的优点。箝位夹紧机构是蠕动进给机构的关键部件，目前箝位夹紧机构的典型设计是基于压电陶瓷驱动进行设计，其实质均为电/磁致伸缩致动和摩擦力传递运动相结合进行蠕动进给。由于采用摩擦力进行运动传递，轴向进给刚度和输出推力较小是蠕动机构的不足之处，因此在负载较大的应用场合蠕动进给机构的应用存在限制。

从已有微进给机构的研究报道中可以发现，目前微进给机构仍不能很好地实现大行程高精度的微量进给。主要存在的问题有：

(1)在微进给机构中，采用智能材料进给存在许多优势，是今后的发展方向，但单独采用智能材料进给，往往不能满足大行程的需求；

(2)蠕动进给机构巧妙地解决了智能材料微进给行程小的缺陷，但其不足之处是箝位夹紧机构的推动力不够，因而负载受到限制。

为了开发一种大量程、高精度、大负载的微进给技术，为精密机械与仪器提供精确定位，进而促进和拓展精密机械的发展与应用，对于现有的蠕动进给技术进行改进是十分必要的。

发明内容

为了克服智能材料蠕动进给技术推力小的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置及方法。利用磁流变液的流变特性，取代摩擦力驱动的箝位装置，设计一种基于磁流变液的箝位装置，并采用Terfenol-D(铽镝铁磁致伸缩合金)超磁致伸缩材料进行伸缩驱动，从而提高了推进力和负载能力，提供一种大量程、高精度、大负载的蠕动式微进给装置。

本发明的基本原理是：

磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性。在磁场的作用下，可以由小粘度易流动的牛顿流体变为高粘度难流动的塑性宾汉Bingham流体，而且该转化是毫秒级的可逆转化。磁流变液的优良特性为制动器提供一种解决方案，在无磁场作用下，磁流变液呈流动状态，不影响机构运动，但在磁场作用下，磁流变液发生流变效应，磁性颗粒被磁化连结成链，磁流变液转化为“类固体”，对机构进动产生阻力，从而起到制动效果。而且只要调节磁场强度即可达到改变制动力矩的作用。

本发明也利用了磁流变液可以应用于制动器的特性，基于磁流变液为蠕动进给装置设计了一种筘位机构，通过控制磁场达到控制箝位机构的快速打开和闭合，并与Terfenol-D超磁致伸缩材料相配合，实现机构的快速蠕动进给。闭合，并与Terfenol-D超磁致伸缩材料相配合，实现机构的快速蠕动进给。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置：

在主轴上从左至右依次装有后箝位机构、Terfenol-D伸缩机构和前箝位机构；其中：

1)后箝位机构：后箝位机构支撑套安装在主轴左端，在后箝位机构支撑套内的主轴上安装后箝位机构线圈骨架，后箝位机构线圈骨架内孔与主轴间隙中充满后箝位机构磁流变液，后箝位机构线圈骨架上绕制后箝位机构励磁线圈，后箝位机构支撑套外安装后箝位机构密封盖，后箝位机构支撑套孔和后箝位机构密封盖孔与主轴间分别用后箝位机构密封圈密封；

2)前箝位机构：前箝位机构支撑套安装在主轴右端，在前箝位机构支撑套内的主轴上安装前箝位机构线圈骨架，前箝位机构线圈骨架内孔与主轴间隙中充满前筘位机构磁流变液，前箝位机构线圈骨架上绕制前箝位机构励磁线圈，前箝位机构支撑套外安装前箝位机构密封盖，前箝位机构支撑套孔和前筘位机构密封盖孔与主轴间分别用前箝位机构密封圈密封；

3)Terfenol-D伸缩机构：包括预紧弹簧、Terfenol-D驱动线圈、Terfenol-D伸缩棒和Terfenol-D线圈骨架；在Terfenol-D线圈骨架内安装Terfenol-D伸缩棒，Terfenol-D伸缩棒内孔两端分别与后箝位机构支撑套和前箝位机构支撑套外的凸台相配合，Terfenol-D线圈骨架上绕制Terfenol-D驱动线圈，后箝位机构支撑套和前箝位机构支撑套间用预紧弹簧相连。

二、一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置：

该方法包括以下各步骤：

1)后箝位机构励磁线圈通电，前箝位机构励磁线圈断电，Terfenol-D驱动线圈断电；

2)保持后箝位机构励磁线圈通电，保持前箝位机构励磁线圈断电，Terfenol-D驱动线圈通电，Terfenol-D伸缩棒伸长，推动前箝位机构前移；

3)保持Terfenol-D驱动线圈通电，后箝位机构励磁线圈断电，前箝位机构励磁线圈通电；

4)保持后箝位机构励磁线圈断电，保持前箝位机构励磁线圈通电，Terfenol-D驱动线圈(10)断电，Terfenol-D伸缩棒收缩，拉动后箝位机构前移；

5)保持Terfenol-D驱动线圈断电，后箝位机构励磁线圈通电，前箝位机构励磁线圈断电，至此机构完成一个运动循环回到步骤1)时的状态，重复以上步骤实现持续蠕动进给。

本发明具有的有益效果是：

本发明首次综合利用了磁流变液和超磁致伸缩材料的优良特性，设计了基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置，提供了一种敏捷、精确的大行程、高负载微进给技术。该技术不仅可以应用于精密测量等负载较小的场合，也可用于加工系统等负载较大的场合，在精密机构与精密仪器的大行程精确定位中具有重要的应用价值。

附图说明

图1是基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置示意图。

图2是基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置的闭环控制系统示意图。

图3是基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置的开环控制系统示意图。

图中：1.后箝位机构密封盖，2.后箝位机构磁流变液，3.后箝位机构密封圈，4.主轴，5.后箝位机构线圈骨架，6.后箝位机构支撑套，7.后箝位机构励磁线圈，8.后箝位机构密封圈，9.预紧弹簧，10.Terfenol-D驱动线圈，11.Terfenol-D伸缩棒，12.Terfenol-D线圈骨架，13.前箝位机构密封圈，14.前箝位机构励磁线圈，15.前箝位机构线圈骨架，16.前箝位机构磁流变液，17.前箝位机构密封圈，18.前箝位机构密封盖，19.前箝位机构支撑套。

具体实施方式

如图1所示，本发明在主轴上从左至右依次装有后筘位机构、Terfenol-D伸缩机构和前筘位机构；其中：

1)后箝位机构：后箝位机构支撑套6安装在主轴4左端，在后箝位机构支撑套6内的主轴上安装后筘位机构线圈骨架5，后箝位机构线圈骨架5内孔与主轴间隙中充满后箝位机构磁流变液2，后箝位机构线圈骨架5上绕制后箝位机构励磁线圈2，后箝位机构支撑套6外安装后箝位机构密封盖1，后箝位机构支撑套6孔和后箝位机构密封盖1孔与主轴间分别用后箝位机构密封圈3、8密封；

2)前箝位机构：前箝位机构支撑套19安装在主轴4右端，在前箝位机构支撑套19内的主轴上安装前箝位机构线圈骨架15，前箝位机构线圈骨架15内孔与主轴间隙中充满前箝位机构磁流变液16，前箝位机构线圈骨架15上绕制前箝位机构励磁线圈14，前箝位机构支撑套19外安装前箝位机构密封盖18，前箝位机构支撑套19孔和前箝位机构密封盖18孔与主轴间分别用前箝位机构密封圈13、17密封；

3)Terfenol-D伸缩机构：包括预紧弹簧9、Terfenol-D驱动线圈10、Terfenol-D伸缩棒11和Terfenol-D线圈骨架12；在Terfenol-D线圈骨架12内安装Terfenol-D伸缩棒11，Terfenol-D伸缩棒11内孔两端分别与后箝位机构支撑套6和前箝位机构支撑套19外的凸台相配合，Terfenol-D线圈骨架12上绕制Terfenol-D驱动线圈10，后箝位机构支撑套6和前箝位机构支撑套19间用预紧弹簧9相连。

前箝位机构中，前箝位机构磁流变液16与主轴4直接接触，前箝位机构支撑套19中的前箝位机构密封圈13以及前箝位机构密封盖18中的前箝位机构密封圈17对于前箝位机构磁流变液16起密封作用，前箝位机构励磁线圈14绕制在前箝位机构线圈骨架15上，其磁场穿过前箝位机构磁流变液16。后箝位机构中，后箝位机构磁流变液2与主轴4直接接触，后箝位机构支撑套6中的后箝位机构密封圈8以及后箝位机构密封盖1中的后箝位机构密封圈3对于后箝位机构磁流变液2起密封作用，后箝位机构励磁线圈7绕制在后箝位机构线圈骨架5上，其磁场穿过后箝位机构磁流变液2。Terfenol-D伸缩机构中，Terfenol-D伸缩棒11两端分别与前箝位机构支撑套19、后箝位机构支撑6通过过盈配合进行联接，预紧弹簧9两端分别固定于前箝位机构支撑套19、后箝位机构支撑套6，Terfenol-D驱动线圈10绕制在Terfenol-D线圈骨架12上，其磁场穿过Terfenol-D伸缩棒11。

本发明提出的基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置，包括前箝位机构、后箝位机构以及Terfenol-D伸缩机构，前后箝位机构的结构一致。

由于前后箝位机构的结构一致，以前箝位机构为例进行说明。前箝位机构磁流变液16与主轴4直接接触，没有磁场作用时，磁流变液呈流动状态，但在磁场作用下，磁液变液的流变作用将“夹紧”主轴，起到箝位作用。前箝位机构支撑套19中的前箝位机构1号密封圈13以及前箝位机构密封盖18中的前箝位机构2号密封圈17对于前箝位机构磁流变液16起密封作用。前箝位机构励磁线圈14绕制在前箝位机构线圈骨架15上，其磁场穿过前箝位机构磁流变液16，通过控制前筘位机构励磁线圈14的通电断电即可达到控制磁场的作用，进而控制箝位机构的开启和关闭。后筘位机构的实施方式与前箝位机构一致。

Terfenol-D伸缩机构中，Terfenol-D伸缩棒11采用中空的筒状伸缩棒，Terfenol-D伸缩棒11两端分别与前箝位机构支撑套19、后箝位机构支撑套6通过过盈配合进行联接，预紧弹簧9两端分别固定于前箝位机构支撑套19、后箝位机构支撑套6，Terfenol-D驱动线圈10绕制在Terfenol-D线圈骨架12上，其磁场穿过Terfenol-D伸缩棒11，通过控制Terfenol-D驱动线圈10的通电与断电即可达到控制磁场的作用，进而控制Terfenol-D伸缩棒11的伸长与收缩。

如图1所示，本发明提出的基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给方法的具体实施过程如下：

1)后箝位机构励磁线圈7通电，后箝位机构磁流变液2在磁场作用下产生流变效应，后箝位机构处于闭合夹紧状态，前箝位机构励磁线圈14断电，前筘位机构处于打开状态，Terfenol-D驱动线圈10断电，Terfenol-D伸缩棒11呈收缩状。

2)保持后箝位机构励磁线圈7通电，保持前箝位机构励磁线圈14断电，Terfenol-D驱动线圈10通电，Terfenol-D伸缩棒11在磁场作用下伸长，由于此时后箝位机构闭合夹紧，前箝位机构打开，因此前箝位机构在Terfenol-D伸缩棒11的推动下前移。

3)保持Terfenol-D驱动线圈10通电，后箝位机构励磁线圈7断电，前箝位机构励磁线圈14通电，在前后箝位机构励磁线圈通断电交替后，前箝位机构闭合夹紧，后箝位机构打开。

4)保持后箝位机构励磁线圈7断电，保持前箝位机构励磁线圈14通电，Terfenol-D驱动线圈10断电，磁场消失后Terfenol-D伸缩棒11收缩，由于此时前箝位机构闭合夹紧，后箝位机构打开，因此后箝位机构在Terfenol-D伸缩棒11的拉动下前移。

5)保持Terfenol-D驱动线圈10断电，后箝位机构励磁线圈7通电，前箝位机构励磁线圈14断电，至此机构完成一个运动循环回到步骤1)时的状态，重复以上步骤实现蠕动进给。

要实现相反方向的进给，只需将以上步骤中的前后箝位机构励磁线圈通断状态全部取反即可。

如图2和图3所示，对于基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给方法的控制可以通过控制器输出控制信号并经D/A转换卡以及功率放大器放大后作用于前、后箝位机构励磁线圈和Terfenol-D驱动励磁线圈。根据应用对象的不同，精度的要求不同，对于基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给机构可以采用通过位移传感器检测位移信号反馈至控制器的方法进行闭环控制或者开环控制。闭环系统和开环系统示意图如图2和图3所示。对于精度要求高的应用对象，可以采用闭环系统控制。

以上的控制器、D/A转换、功率放大器和位移传感器均可在市场上选购。

Claims (2)

1.一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置，其特征在于：在主轴上从左至右依次装有后箝位机构、Terfenol-D伸缩机构和前箝位机构；其中：

1)后箝位机构：后箝位机构支撑套(6)安装在主轴(4)左端，在后箝位机构支撑套(6)内的主轴上安装后箝位机构线圈骨架(5)，后箝位机构线圈骨架(5)内孔与主轴间隙中充满后箝位机构磁流变液(2)，后箝位机构线圈骨架(5)上绕制后箝位机构励磁线圈(2)，后箝位机构支撑套(6)外安装后箝位机构密封盖(1)，后箝位机构支撑套(6)孔和后箝位机构密封盖(1)孔与主轴间分别用后箝位机构密封圈密封；

2)前箝位机构：前箝位机构支撑套(19)安装在主轴(4)右端，在前箝位机构支撑套(19)内的主轴上安装前箝位机构线圈骨架(15)，前箝位机构线圈骨架(15)内孔与主轴间隙中充满前箝位机构磁流变液(16)，前箝位机构线圈骨架(15)上绕制前箝位机构励磁线圈(14)，前箝位机构支撑套(19)外安装前箝位机构密封盖(18)，前箝位机构支撑套(19)孔和前箝位机构密封盖(18)孔与主轴间分别用前箝位机构密封圈密封；

3)Terfenol-D伸缩机构：包括预紧弹簧(9)、Terfenol-D驱动线圈(10)、Terfenol-D伸缩棒(11)和Terfenol-D线圈骨架(12)；在Terfenol-D线圈骨架(12)内安装Terfenol-D伸缩棒(11)，Terfenol-D伸缩棒(11)内孔两端分别与后箝位机构支撑套(6)和前箝位机构支撑套(19)外的凸台相配合，Terfenol-D线圈骨架(12)上绕制Terfenol-D驱动线圈(10)，后箝位机构支撑套(6)和前箝位机构支撑套(19)间用预紧弹簧(9)相连。

2.按权利要1所述装置的一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给方法，其特征在于：在主轴上从左至右依次装有后箝位机构、Terfenol-D伸缩机构和前箝位机构；该方法包括以下各步骤：

1)后箝位机构励磁线圈(7)通电，前箝位机构励磁线圈(14)断电，Terfenol-D驱动线圈(10)断电；

2)保持后箝位机构励磁线圈(7)通电，保持前箝位机构励磁线圈(14)断电，Terfenol-D驱动线圈(10)通电，Terfenol-D伸缩棒(11)伸长，推动前箝位机构前移；

3)保持Terfenol-D驱动线圈(10)通电，后箝位机构励磁线圈(7)断电，前箝位机构励磁线圈(14)通电；

4)保持后箝位机构励磁线圈(7)断电，保持前箝位机构励磁线圈(14)通电，Terfenol-D驱动线圈(10)断电，Terfenol-D伸缩棒(11)收缩，拉动后箝位机构前移；

5)保持Terfenol-D驱动线圈(10)断电，后箝位机构励磁线圈(7)通电，前箝位机构励磁线圈(14)断电，至此机构完成一个运动循环回到步骤1)时的状态，重复以上步骤实现持续蠕动进给。

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