CN102739105A - 具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，具有底座，底座上安装有箱体，箱体的内腔底部安装有线圈套筒，线圈套筒的筒形部分外部具有驱动线圈，线圈套筒的筒形部分内部安装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒顶部具有顶杆，所述的顶杆上方设置有放大机构，放大机构上方连接有位移保持机构，位移保持机构上方设置压固套筒，压固套筒上方为与箱体连接的端盖，端盖内部安装有输出顶杆。本发明在输出位移的同时，将位移放大并保持住位移的输出，避免驱动线圈产生热量对超磁致伸缩棒的影响。

Description

具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器
技术领域
本发明涉及一种具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，它可以应用于机械加工和精密仪器等方面的位移控制。
背景技术
1840年焦尔就发现当磁性体被磁化时，其外型尺寸会发生变化，这就是人们通常所说的磁致伸缩效应，又称焦尔效应。到了20世纪40年代人们才开始使用Ni或Co晶体，它们的磁致伸缩系数只有40×10-6。60年代铁氧体材料等陆续被采用，它们的磁致伸缩最高可达110×10-6，并且它们的电-声转换效率是Ni等金属的2倍～5倍。这些材料的相继问世，虽然在当时取得了一定的成果，但由于它们有限的伸缩量以及较低的居里温度，应用仍受到一定的限制。到了70年代，A.E.Clark发现稀土-铁系化合物具有巨大的室温磁致伸缩效应，并且以其高的机电转换效率、大的发生应力、高的能量密度和快速的机械响应等优点，立即受到世界高技术领域专家们的极度关注。从此磁致伸缩材料出现了迅猛的发展，尤其是80年代美国、日本、瑞士等国家争先对其性能、成分掺杂、相结构和磁结构做了充分研究，并在此基础上开发了大量的实用器件。
超磁致伸缩驱动器是超磁致伸缩材料的主要应用形式之一。其基本工作原理为：以驱动线圈产生的磁场作为驱动磁场；在结构上由导磁材料制作的输出顶杆、外壳及底盖，与超磁致伸缩棒形成闭合磁路；当改变输入电流时，驱动线圈产生的磁场发生变化，由于超磁致伸缩棒的轴向磁致伸缩效应，超磁致伸缩棒即随之发生伸缩变形，即驱动器输出位移和力。通过控制输入电流则可以控制驱动器位移和力的输出。
微位移驱动器在超精密加工、机器人、宽带伺服阀、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；压电陶瓷驱动器近年来获得飞速发展，能够达到较大的位移和较高的频宽，压电驱动器虽然位移分辨率和频响均比较高，但输出力较小，易产生电击穿，并会产生漂移现象，易疲劳破损，工作电压高、安全性较差。
而超磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩效应，具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点，同时由其构成的微驱动器结构简单。因此，将超磁致伸缩材料引入微驱动器中，将在超精密机床、精密仪器及精密光学机械等领域有着广阔的应用前景。
但是超磁致伸缩驱动器工作时，驱动线圈的发热及超磁致伸缩棒的涡流与磁滞损耗均导致超磁致伸缩棒温度的升高。而工作温度对超磁致伸缩材料的伸缩特性有很大影响。另外，超磁致伸缩材料具有较大热膨胀系数，国产超磁致伸缩材料的热膨胀系数为12×10-6/℃，与磁致伸缩系数在同一个数量级，这表明温升导致超磁致伸缩棒的热伸长将严重影响驱动器的精度。由此可见，超磁致伸缩棒工作温度对驱动器的可控位移输出有较大的影响，而温升的控制对驱动器的输出精度有至关重要的作用。因此，在超磁致伸缩驱动器的设计中，必须采取措施消除或抑制由于温升带来的不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，在输出位移的同时，将位移放大并保持住位移的输出，避免驱动线圈产生热量对超磁致伸缩棒的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，具有底座，底座上安装有箱体，箱体的内腔底部安装有线圈套筒，线圈套筒的筒形部分外部具有驱动线圈，线圈套筒的筒形部分内部安装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒顶部具有顶杆，所述的顶杆上方设置有放大机构，放大机构上方连接有位移保持机构，位移保持机构上方设置压固套筒，压固套筒上方为与箱体连接的端盖，端盖内部安装有输出顶杆。
所述的放大机构包括安装在杠杆套筒上的用于位移放大的杠杆机构，杠杆机构包括至少2个交错接触的杠杆，杠杆机构最底层的杠杆与顶杆接触，杠杆机构最上层的杠杆与输出顶杆底面接触。
所述的位移保持机构包括位于杠杆套筒上方的保持套筒，保持套筒内腔底部为弹出弹簧，弹出弹簧上方为圆柱滚柱，圆柱滚柱上方为施压弹簧，施压弹簧连接有将施压弹簧向上拉的拉环，所述的圆柱滚柱与输出顶杆的侧面线接触。
进一步地，所述的驱动线圈外围设置有通过电流产生偏置磁场的偏置线圈，驱动线圈与偏置线圈通过导线接入口与外界相连。
进一步地，所述的输出顶杆顶端具有将输出顶杆向外拉伸的外拉孔。
进一步地，端盖内部设置有预压螺母，预压螺母通过预压弹簧与输出顶杆的横向杠杆接触。
进一步地，所述的杠杆机构包括依次交错接触形成杠杆推动的第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆，杠杆机构起到位移放大的作用，第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆依次交错与杠杆套筒连接。第一杠杆中部与顶杆接触，第三杠杆与输出顶杆底面接触。
进一步地，所述的第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆相互接触的端部设有凸起，第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆通过各自的凸起线接触。
进一步地，所述的输出顶杆底端为向下缩小的锥形体，所述的保持套筒内腔为向下缩小的锥形腔体，圆柱滚柱与输出顶杆的锥形体的外锥形面线接触。
或者，进一步地，所述的输出顶杆底端为向下缩小的四面体，四面体的四面均为梯形面，所述的保持套筒内腔具有四个圆周均匀分布的凸棱，每个凸棱开设有向下缩小的槽，槽内依次安装弹出弹簧、圆柱滚柱、施压弹簧，所述的圆柱滚柱与输出顶杆的梯形面线接触。
本发明的有益效果是：本发明增加了位移保持机构和放大机构，为解决温度对超磁致微位移致动器的影响提供了一种方案。位移保持机构的存在使得致动器在输出位移后能够保持住位移，不需要持续供电来维持位移的输出，避免了驱动线圈发热对输出顶杆位移的影响。同时放大机构的存在既扩大了致动器的位移输出范围，也使致动器在输出同样大小的位移时只需要较小的电流，这样也有助于减小驱动线圈的发热量。本发明在输出位移的同时，将位移放大并保持住位移的输出，避免驱动线圈产生热量对超磁致伸缩棒的影响。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中放大机构的结构示意图；
图3是图2的A-A剖视示意图；
图4是本发明中位移保持机构的结构示意图；
图5是图4的B-B剖视示意图；
其中：1.底座，2.导线接入口，3.偏置线圈，4.驱动线圈，5.放大机构，51.杠杆套筒，52.第一杠杆，6.弹出弹簧，7.圆柱滚柱，8.施压弹簧，9.箱体，10.端盖，11.预压螺母，12.输出顶杆，13.外拉孔，14.固定螺母，15.压固套筒，16.拉环，17.保持套筒，18.杠杆机构，19.线圈套筒，20.顶杆，21.超磁致伸缩棒。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，具有底座1，底座1上安装有箱体9，箱体9的内腔底部安装有线圈套筒19，线圈套筒19的筒形部分外部具有驱动线圈4，线圈套筒19的筒形部分内部安装有超磁致伸缩棒21，超磁致伸缩棒21顶部具有顶杆20，顶杆20上方设置有放大机构5，放大机构5上方连接有位移保持机构，位移保持机构上方设置压固套筒15，压固套筒15上方为与箱体9连接的端盖10，端盖10内部安装有输出顶杆12。
驱动线圈4外围设置有通过电流产生偏置磁场的偏置线圈3，驱动线圈4与偏置线圈3通过导线接入口2与外界相连。
如图2图3所示，放大机构5包括安装在杠杆套筒51上的杠杆机构18，杠杆机构18包括依次交错接触形成杠杆推动的第一杠杆52、第二杠杆、第三杠杆，杠杆机构18起到位移放大的作用，第一杠杆52、第二杠杆、第三杠杆依次交错与杠杆套筒51连接。第一杠杆52、第二杠杆、第三杠杆相互接触的端部设有凸起，第一杠杆52、第二杠杆、第三杠杆通过各自的凸起线接触。第一杠杆中部与顶杆接触，第三杠杆与输出顶杆底面接触。
放大机构的具体安装形式为：在杠杆套筒51上开三个圆孔，将第一杠杆52、第二杠杆、第三杠杆依次交错安装在杠杆套筒51上形成一个整体的放大机构5，然后将放大机构5塞入箱体9，方便加工和组装。
如图4图5所示，位移保持机构包括位于杠杆套筒51上方的保持套筒17，保持套筒17内腔底部为弹出弹簧6，弹出弹簧6上方为圆柱滚柱7，圆柱滚柱7上方为施压弹簧8，施压弹簧8连接有将施压弹簧8向上拉的拉环16，圆柱滚柱7与输出顶杆12的侧面线接触。
输出顶杆12顶端具有将输出顶杆12向外拉伸的外拉孔13。端盖10内部设置有预压螺母11，预压螺母11通过预压弹簧与输出顶杆12的横向杠杆接触。端盖10通过固定螺母14与箱体9固定，端盖10内部的预压螺母11通过预压弹簧向输出顶杆12、杠杆机构18、顶杆20施压达到向超磁致伸缩棒21施加预压力使其处于较佳的工作条件，输出顶杆12上的外拉孔13用于辅助输出顶杆12向外拉伸带动圆柱滚柱7向上滑动弹出时使用。
输出顶杆12底端为向下缩小的四面体，四面体的四面均为梯形面，保持套筒17内腔具有四个圆周均匀分布的凸棱，每个凸棱开设有向下缩小的槽，槽内依次安装弹出弹簧6、圆柱滚柱7、施压弹簧8，圆柱滚柱7与输出顶杆12的梯形面线接触。位移保持机构内部是四个圆柱滚柱7、四个弹出弹簧6和四个施压弹簧8，四个施压弹簧8分别拴在四个拉环16上；位移保持机构上方是压固套筒15。设计成梯形面有利于输出顶杆12返回时被圆柱滚柱7卡住，梯形面和4个圆柱滚柱7线接触，既有助于定位，又有助于减小磨损。
施压弹簧8将圆柱滚柱7向下压，卡住四面是梯形平面的输出顶杆12，阻止其向下运动，当输出顶杆12需要恢复原位时，由外部拉力将拉环16向上拉，施压弹簧8向上压缩，同时利用输出顶杆12上的外拉孔13帮助输出顶杆12向上运动带动圆柱滚柱7向上滑出，此时弹出弹簧6将圆柱滚柱7向上弹出，输出顶杆12可以向下恢复原位；位移保持机构上方的压固套筒15用于固定放大机构5和位移保持机构使其在箱体9内保持稳定。
位移保持机构的存在使超磁致微位移致动器能够在停止供电的情况下保持位移，避免了驱动线圈4产生热量对超磁致伸缩棒21的影响。
偏置线圈3通过电流产生偏置磁场使超磁致伸缩棒21工作在较佳条件下，驱动线圈4通过电流产生的磁场使超磁致伸缩棒21伸缩变形，驱动顶杆20运动，顶杆20的位移通过放大机构5放大驱动输出顶杆12最终输出。而位移保持机构阻止输出顶杆12自行返回，从而保持住位移，不需持续供电，解决散热问题。
本发明的驱动电流小，工作稳定，频率特性好，放大机构5的存在使同样大小的电流可以输出更大的位移，使位移输出与放大功能集成于一体；位移保持机构的存在使超磁致微位移致动器能够在不需要持续供电的情况下保持位移，避免了驱动线圈4产生热量对超磁致伸缩棒21的影响，有效抑制热误差输出，可广泛应用于机械加工和精密仪器等方面的位移控制。
本发明增加了位移保持机构和放大机构5，致动器在输出位移的同时，将位移放大并保持住位移的输出。位移保持机构的存在使得致动器在输出位移后能够保持住位移，不需要持续供电来维持位移的输出，避免了驱动线圈4发热对对超磁致伸缩棒21的影响。同时放大机构5的存在既扩大了致动器的位移输出范围，也使致动器在输出同样大小的位移时只需要较小的电流，这样也有助于减小驱动线圈4的发热量。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，具有底座，底座上安装有箱体，箱体的内腔底部安装有线圈套筒，线圈套筒的筒形部分外部具有驱动线圈，线圈套筒的筒形部分内部安装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒顶部具有顶杆，其特征在于：所述的顶杆上方设置有放大机构，放大机构上方连接有位移保持机构，位移保持机构上方设置压固套筒，压固套筒上方为与箱体连接的端盖，端盖内部安装有输出顶杆，
所述的放大机构包括安装在杠杆套筒上的用于位移放大的杠杆机构，杠杆机构包括至少2个交错接触的杠杆，杠杆机构最底层的杠杆与顶杆接触，杠杆机构最上层的杠杆与输出顶杆底面接触，
所述的位移保持机构包括位于杠杆套筒上方的保持套筒，保持套筒内腔底部为弹出弹簧，弹出弹簧上方为圆柱滚柱，圆柱滚柱上方为施压弹簧，施压弹簧连接有将施压弹簧向上拉的拉环，所述的圆柱滚柱与输出顶杆的侧面线接触。
2.根据权利要求1所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：所述的驱动线圈外围设置有通过电流产生偏置磁场的偏置线圈，驱动线圈与偏置线圈通过导线接入口与外界相连。
3.根据权利要求1所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：所述的输出顶杆顶端具有将输出顶杆向外拉伸的外拉孔。
4.根据权利要求1所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：端盖内部设置有预压螺母，预压螺母通过预压弹簧与输出顶杆的横向杠杆接触。
5.根据权利要求1所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：所述的杠杆机构包括依次交错接触形成杠杆推动的第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆，第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆依次交错与杠杆套筒连接，第一杠杆中部与顶杆接触，第三杠杆与输出顶杆底面接触。
6.根据权利要求5所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：所述的第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆相互接触的端部设有凸起，第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆通过各自的凸起线接触。
7.根据权利要求1所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：所述的输出顶杆底端为向下缩小的锥形体，所述的保持套筒内腔为向下缩小的锥形腔体，圆柱滚柱与输出顶杆的锥形体的外锥形面线接触。
8.根据权利要求1所述的具有位移放大和保持功能的超磁致伸缩微位移致动器，其特征在于：所述的输出顶杆底端为向下缩小的四面体，四面体的四面均为梯形面，所述的保持套筒内腔具有四个圆周均匀分布的凸棱，每个凸棱开设有向下缩小的槽，槽内依次安装弹出弹簧、圆柱滚柱、施压弹簧，所述的圆柱滚柱与输出顶杆的梯形面线接触。
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