CN102306997B - 剪切式磁流变弹性体微位移促动器 - Google Patents

Abstract

本发明的剪切式磁流变弹性体微位移促动器涉及精密机械装置领域，该促动器包括下外壳、下导磁体、输出杆、磁流变弹性体、固定筒、励磁线圈、上导磁体、直线轴承、固定法兰、预紧机构和上外壳。该促动器使用一根输出杆作微位移输出，输出杆的一端与磁流变弹性体的圆筒内侧连接，另一端由直线轴承定位，在输出杆的顶端通过预紧机构施加压紧力。工作时先施加压紧力，使磁流变弹性体圆筒受剪切作用有初始变形，在通电后通过控制磁场使磁流变弹性体剪切模量发生变化，使弹性体的变形发生变化，从而使输出杆端部位移变化达到微位移输出的目的。本发明的促动器具有行程大，且行程可调，结构简单的优点。

Description

剪切式磁流变弹性体微位移促动器

技术领域

本发明涉及一种精密机械装置，具体涉及一种基于智能材料磁流变弹性体的微位移促动器，适用于天文望远镜的调焦机构、主动光学镜面控制、超精加工行业要求在毫米量级行程上进行高分辨率的精密运动驱动。

背景技术

精密测量和微尺度驱动在很多领域有广泛的应用，特别是在光学领域。天文望远镜的光学系统一般包括主镜、次镜等光学元件，其中主镜和次镜的间距对望远镜的成像质量有很大影响，而主次镜的间距会因为安装误差、温度变化以及望远镜在不同俯仰角位置时重力引起的弯沉导致改变，因此望远镜次镜一般都要求具有在微小尺度上自动调整能力以适应主次镜间距的变化。另外主动光学所用的薄镜和自适应光学所用的变形镜，都需要在微小尺度上控制镜面的变形来适应成像对镜面面形的要求。在超精密检测、超精加工行业也都有类似的需求。常用的精密驱动装置有：精密丝杠促动器、压电陶瓷促动器、磁致伸缩促动器和形状记忆合金促动器。精密丝杠促动器可以同时满足大行程、大负载的要求，同时其成本低，控制简单，但存在着间隙、传动误差、摩擦损耗及爬行等现象，难以达到微纳米分辨率要求。

压电陶瓷促动器的特点是结构紧凑，体积很小，无机械摩擦，无间隙，具有很高的微位移分辨率，但行程小(通常只有几十微米)，负载能力低。磁致伸缩促动器是利用铁磁性材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移，但由于铁磁材料在磁场的作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸长，因此其应用受到了限制。形状记忆合金促动器利用具有形状记忆功能的合金制成，它最大特点是输出变形大、动作柔软接近于人手动作，一般用于人脑血管瘤清除手术等医学领域，由于它承载能力小，且微位移分辨率不高，因此其他领域应用不多。在微位移应用领域急需一种行程大、高分辨率力的微位移促动器。

磁流变弹性体是一种新型的智能材料，它是在橡胶类弹性体中加入微米量级的铁磁性颗粒制成，在不同的磁场下磁流变弹性体的剪切模量会发生变化，这种特殊的现象称为磁流变效应。因此磁流变弹性体可以用来做变刚度元件。

发明内容

为了解决现有技术存在的行程小、行程不可调、结构复杂、微位移分辨率低的问题，本发明提出一种使用智能材料磁流变弹性体作为变刚度元件来实现大行程高分辨力的微位移促动器。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

剪切式磁流变弹性体微位移促动器，包括下外壳、下导磁体、输出杆、磁流变弹性体、固定筒、励磁线圈、上导磁体、直线轴承、固定法兰、预紧机构和上外壳；下外壳和上外壳通过固定法兰的法兰盘外圈固定连接；下导磁体固定连接在下外壳的底部；固定筒的下端固定在下导磁体上，励磁线圈套在固定筒的外部；固定筒套在磁流变弹性体的外部并与其侧壁固定连接，磁流变弹性体的内侧与输出杆固定连接；上导磁体置于磁流变弹性体、固定筒以及励磁线圈的上部；直线轴承上设有法兰，直线轴承穿过固定法兰的法兰孔并与固定法兰法兰连接；输出杆的中部设有中挡圈，输出杆的下端穿过直线轴承并插到磁流变弹性体的底端；下导磁体的上表面设有凹槽，该凹槽位于输出杆的底部和磁流变弹性体的底部；预紧机构固定在上外壳的顶端，并套在输出杆的上端外部。

本发明的微位移促动器使用一根输出杆作微位移输出，输出杆的一端和磁流变弹性体粘结在一起，另一端由一个直线轴承固定保证输出杆的直线运动，输出杆的顶端有一个预紧机构。磁流变弹性体和一个固定筒粘结在一起，固定筒和下导磁体连接。磁流变弹性体处于一个由励磁线圈、上导磁体和下导磁体构成的一个完整磁路中。

上述输出杆需要由不导磁材料制作，且刚度要求高，可选用铝合金之类材料制作。上述上下外壳和固定筒均由不导磁材料制作，可选用铝合金。

上述磁流变弹性体制作成圆筒形，输出杆和磁流变弹性体的内表面粘结，磁流变弹性体的受力状态为剪切形式。

上述励磁磁路中的上导磁体和下导磁体由导磁性好的材料构成，以避免磁路的磁场泄漏，可选用工业纯铁制作。

上述下导磁体上表面设置的凹槽是为输出杆移动和磁流变弹性体变形留出一定的空间。

上述预紧机构由碟簧组、挡圈和调整螺钉组成，其中调整螺钉和上外壳通过螺纹连接，当旋动调整螺钉时，调整螺钉压缩碟簧组，从而对输出杆施加压力。

本发明的促动器工作时，需使用调整螺钉对输出杆施压，使磁流变弹性体产生初始变形，之后接通电路，磁流变弹性体在磁场作用下剪切模量发生变化，从而导致磁流变弹性体的变形发生改变，即输出杆端部位移改变。

本发明的有益效果是：行程大，基于磁流变弹性体促动器的行程相比压电式和磁致伸缩式更大；行程可调，通过调节促动器初始位移就可以调节促动器的行程；结构简单，由于行程大且可调节，因此无需位移放大机构，结构更加简单。

附图说明

图1为本发明剪切式磁流变弹性体微位移促动器的结构示意图。

图2为本发明剪切式磁流变弹性体微位移促动器的原理示意图。

图3为本发明磁流变弹性体的剪切模量随磁场变化的曲线图。

图中：1、下外壳，2、下导磁体，3、输出杆，4、磁流变弹性体，5、固定筒，6、励磁线圈，7、上导磁体，8、直线轴承，9、固定法兰，10、碟簧组，11、挡圈，12、调整螺钉，13、上外壳，14、中挡圈，15、法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的剪切式磁流变弹性体微位移促动器包括：下外壳1、下导磁体2、输出杆3、磁流变弹性体4、固定筒5、励磁线圈6、上导磁体7、直线轴承8、固定法兰9、碟簧组10、挡圈11、调整螺钉12和上外壳13。

输出杆3的下端和磁流变弹性体4粘结在一起，输出杆3的上端由直线轴承8固定，输出杆3的顶端和预紧机构连接。磁流变弹性体4和固定筒5通过粘结剂粘接，固定筒5又和下导磁体2粘接在一起。磁流变弹性体4和励磁线圈6、下导磁体2、上导磁体7一起构成完整磁路。直线轴承8安装在固定法兰9上，下外壳1和上外壳13通过固定法兰9的法兰盘外圈用螺钉连接。预紧机构包括碟簧组10、挡圈11和调整螺钉12；其中碟簧组10压在输出杆3的中挡圈14上，挡圈11压在碟簧组10上，调整螺钉12一端紧压挡圈11，另一端通过螺纹和上外壳13连接。

本发明的剪切式磁流变弹性体微位移促动器工作时，首先旋动调节螺钉12，对输出杆3施加压力F1，输出杆3受压向下运动和磁流变弹性体4发生剪切作用，输出杆3受到的剪切力F2和预紧压力F1平衡，即F1＝F2＝F。此时磁流变弹性体4的变形也即输出杆3端部位移为：

ΔZ1＝k·(F·(r2-r1)/G1)，              (1)

其中，k为变形常数，与磁流变弹性体4的几何性质有关；r2和r1分别为磁流变弹性体4的外径和内径；G1为此时磁流变弹性体4的剪切模量。

当励磁线圈6通电以后，产生磁场通过磁流变弹性体4，磁流变弹性体4的剪切模量变大，由G1变为G2。此时输出杆3端部的位移为：

ΔZ2＝k·(F·(r2-r1)/G2)，               (2)

其中，G2为此时磁流变弹性体4的剪切模量。比较前后两次输出杆3端部的位移变化为：

ΔZ＝ΔZ1-ΔZ2＝k·(F·(r2-r1)/G1)·(1-G1/G2)＝ΔZ1·(1-G1/G2)，(3)

其中，ΔZ1为无磁状态时输出杆3端部的位移，它与压力F成正比。从公式(3)可以看出通电前后输出杆3端部位移变化和磁流变弹性体4的剪切模量变化成正比，剪切模量变化越大输出杆3端部位移变化就越大，整个调整过程可在图2中看到。图3给出一种磁流变弹性体的剪切模量随磁场变化的典型曲线，从图中可以看到当励磁磁场达到500mT时，磁流变弹性体4的剪切模量变化可以达到200％，也即G1/G2＝0.5，则此时输出杆3端部位移变化为：ΔZ＝0.5ΔZ1。而ΔZ1可以通过调整压力F值来进行调整，如果通过调整F值使ΔZ1为1mm，则ΔZ就为500μm，则促动器的行程就为500μm。而励磁磁场可以通过调整电流调整，因此调节精度可以很高，达到亚微米级。

Claims (4)

1.剪切式磁流变弹性体微位移促动器，其特征在于：该促动器包括下外壳(1)、下导磁体(2)、输出杆(3)、磁流变弹性体(4)、固定筒(5)、励磁线圈(6)、上导磁体(7)、直线轴承(8)、固定法兰(9)、预紧机构和上外壳(13)；下外壳(1)和上外壳(13)通过固定法兰(9)的法兰盘外圈固定连接；下导磁体(2)固定连接在下外壳(1)的底部；固定筒(5)的下端固定在下导磁体(2)上，励磁线圈(6)套在固定筒(5)的外部；固定筒(5)套在磁流变弹性体(4)的外部并与其侧壁固定连接，磁流变弹性体(4)的内侧与输出杆(3)固定连接；上导磁体(7)置于磁流变弹性体(4)、固定筒(5)以及励磁线圈(6)的上部；直线轴承(8)上设有法兰(15)，直线轴承(8)穿过固定法兰(9)的法兰孔并与固定法兰(9)法兰连接；输出杆(3)的中部设有中挡圈(14)，输出杆(3)的下端穿过直线轴承(8)并插到磁流变弹性体(4)的底端；下导磁体(2)的上表面设有凹槽，该凹槽位于输出杆(3)的底部和磁流变弹性体(4)的底部；预紧机构固定在上外壳(13)的顶端，并套在输出杆(3)的上端外部。

2.如权利要求1所述的剪切式磁流变弹性体微位移促动器，其特征在于：所述输出杆(3)为非导磁材料制成。

3.如权利要求1所述的剪切式磁流变弹性体微位移促动器，其特征在于：所述磁流变弹性体(4)的内侧与输出杆(3)粘接，磁流变弹性体(4)的外侧与固定筒(5)粘接。

4.如权利要求1所述的剪切式磁流变弹性体微位移促动器，其特征在于：所述预紧机构包括碟簧组(10)、挡圈(11)和调整螺钉(12)；调整螺钉(12)与上外壳(13)的顶端螺纹连接；碟簧组(10)、挡圈(11)和调整螺钉(12)顺次套在输出杆(3)的上端外部；碟簧组(10)的下端顶在输出杆(3)的中挡圈(14)上。

Images