CN103078553B

CN103078553B - 一种超磁致伸缩驱动装置

Info

Publication number: CN103078553B
Application number: CN201310005021.8A
Authority: CN
Inventors: 朱林剑; 吕辉龙; 包海涛; 徐志祥; 胡延平; 苏增荣; 杨桐桐; 魏越
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-01-07
Also published as: CN103078553A

Abstract

本发明一种超磁致伸缩驱动装置属于超磁致伸缩驱动装置领域，特别涉及一种采用封闭式液压微位移放大器作为位移放大机构的超磁致伸缩驱动装置。超磁致伸缩驱动装置由超磁致伸缩致动器和封闭式液压微位移放大器组成。超磁致伸缩致动器中的致动器圆壳体下端的外螺纹与封闭式液压微位移放大器中的放大器圆壳体上端的内螺纹连接锁紧。该装置位移输出量程大，温度变化时能自动补偿封闭式液压微位移放大器封闭腔内工质体积变化，而引起的输出端附加微位移，精度高。对超磁致伸缩棒采用简便易行的温控模式，不需要提供独立的温控系统，实现起来较为方便。

Description

一种超磁致伸缩驱动装置

技术领域

本发明属于超磁致伸缩驱动装置领域，特别涉及一种采用封闭式液压微位移放大器作为位移放大机构的超磁致伸缩驱动装置。

背景技术

利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性制成的超磁致伸缩致动器，具有响应速度快、输出力大、能量密度高、位移分辨率高等诸多优点，在超精密机床、精密仪器、声纳系统等领域有着广阔的应用前景。尽管超磁致伸缩致动器具有如上诸多优点，但仍存在不足：首先，输出位移小，不能满足大量程位移输出要求；其次，超磁致伸缩致动器驱动线圈通电产生的焦耳热量，导致超磁致伸缩棒热变形及磁致伸缩系数不稳定，最终影响致动器的位移输出精度。对于致动器输出位移，采用杠杆放大可实现致动器微位移放大要求，但当杠杆放大器的放大倍数较大时，杠杆的弹性变形对放大效果影响非常大，这一因素限制了杠杆位移放大器在超磁致伸缩致动器领域的应用。也有学者提出采用基于帕斯卡原理的封闭式液压微位移放大器，以实现大量程位移输出要求，但其放大率却受温度的强烈影响，温度变化将引起封闭腔内工质体积发生变化，导致输出端附加位移，影响位移输出精度。

对于超磁致伸缩棒的温升问题，可在线圈骨架与超磁致伸缩棒之间设置一个空腔，通过恒温冷却介质在空腔内的循环流动来对超磁致伸缩棒的温升进行控制。采用这种温控方式可以有效地控制超磁致伸缩棒的温升，但是需要提供独立的温控系统，实现起来较为麻烦。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种由超磁致伸缩致动器和封闭式液压微位移放大器组合而成的超磁致伸缩驱动装置，该驱动装置能够同时解决超磁致伸缩致动器输出位移小，封闭式液压微位移放大器温升影响位移输出精度，以及超磁致伸缩棒温控困难的技术难题。

本发明采用的技术方案是一种超磁致伸缩驱动装置，其特征是，超磁致伸缩驱动装置由超磁致伸缩致动器I和封闭式液压微位移放大器II组成，超磁致伸缩致动器I中的致动器圆壳体7右端的外螺纹与封闭式液压微位移放大器II中的放大器圆壳体6左端的内螺纹连接锁紧，通过封闭式液压微位移放大器II的位移放大作用实现超磁致伸缩致动器I的大量程位移输出要求；封闭式液压微位移放大器II的输入端大活塞4内腔设有微位移补偿机构，自动补偿封闭腔内由于温度变化所引起的输出端附加微位移；在超磁致伸缩致动器I内部与外界环境间设置一条气流通道F，通过内外温差在气流通道F中产生气流，带走致动器内累积的部分热量；在线圈骨架9和超磁致伸缩棒19之间设置一吸热介质填充空腔，该空腔装有吸热介质11，吸热介质11吸收驱动线圈10传递过来的部分焦耳热量；

所述的超磁致伸缩致动器I中，在致动器圆壳体7的阶梯内腔中，由右向左依次装有挡板24、预紧碟形弹簧23、内部中空的致动器输出轴22；穿过致动器输出轴22的右导磁体8安装在致动器圆壳体7的右部内腔中，吸热材料放置环21和装有第六O型圈20的线圈骨架9依次由右至左装在右导磁体8的内腔中；穿过超磁致伸缩棒19的驱动线圈10装在线圈骨架9上面，在线圈骨架9和超磁致伸缩棒19之间有一吸热介质填充空腔，该空腔装有吸热介质11，吸热介质11吸收驱动线圈10传递过来焦耳热量；第四O型圈12和第五O型圈17分别安装在密封挡圈16的内、外圆环中；导向杆18安装在超磁致伸缩棒19左端，左导磁体13装在导向杆18左端，安装在左导磁体13左端的拧紧螺塞14的外螺纹与致动器圆壳体7左部内腔的内螺纹连接，拧紧螺塞14的内螺纹和预紧螺钉15外螺纹连接锁紧；

所述的封闭式液压微位移放大器II中，放大器圆壳体6具有左内腔A、右内腔B、阶梯形的上内腔C；第三O型圈5安装在阶梯型的补偿活塞26的圆环中，在输入端大活塞4的内腔里由右向左依次装有垫环28、补偿杆27、补偿活塞26和左碟形弹簧25，致动器输出轴22通过右端螺纹部分与输入端大活塞4的内螺纹连接锁紧；第二O型圈3安装在输入端大活塞4的圆环中，输入端大活塞4安装在放大器圆壳体6的左内腔A中；由垫环28、补偿杆27、补偿活塞26和左碟形弹簧25构成微位移补偿机构；第一O型圈2安装在阶梯型螺塞1的圆环中，螺塞1安装在放大器圆壳体6的右内腔B中，螺塞1通过螺纹连接锁紧在放大器圆壳体6上；第七O型圈29安装在放大器圆壳体6阶梯型上内腔C的下圆环中，带有圆盘D的输出顶杆31安装在放大器圆壳体6上内腔C中，上碟形弹簧32和螺母30依次由下向上安装在输出顶杆31的圆盘D上，通过螺母30上的螺纹与放大器圆壳体6固定连接。

一种超磁致伸缩驱动装置，其特征是，预紧螺钉15、导向杆18、超磁致伸缩棒19和致动器输出轴22都具有中心通孔，即均采用空心结构，中心通孔的直径相同或接近，在超磁致伸缩致动器I内部形成一条自左而右的气流通道F，该气流通道F与致动器圆壳体7右部和致动器输出轴22上的垂直通孔相通，形成完整的内外气流通道。

一种超磁致伸缩驱动装置，其特征是，所述的补偿杆27采用高热膨胀系数材料，补偿杆27的端面制成锥形，其锥面分别与补偿活塞26和垫环28上的锥面配合，形成补偿腔H；补偿杆27的中间开有通油孔，输入端大活塞4的右端面中心和垫环28中心上加工有通油孔，输入端大活塞4和输出顶杆31之间的封闭腔内的工质通过输入端大活塞4右端面中心的通油孔、垫环28中心的通油孔以及补偿杆27中间的通油孔，进入到补偿腔H中。

本发明的显著效果是：位移输出量程大，可根据温度变化，自动补偿封闭式液压微位移放大器封闭腔内工质体积变化而引起的输出端附加微位移，从而可以有效地减小温度变化对封闭式液压微位移放大器位移输出精度的影响；对超磁致伸缩棒采用简便易行的温控模式，不需要提供独立的温控系统，实现起来较为方便。

附图说明

图1为超磁致伸缩驱动装置结构图。其中：1.螺塞，2.第一O型圈，3.第二O型圈，4.输入端大活塞，5.第三O型圈，6.放大器圆壳体，7.致动器圆壳体，8.右导磁体，9.线圈骨架，10.驱动线圈，11.吸热介质，12.第四O型圈，13.左导磁体，14.拧紧螺塞，15.预紧螺钉，16.密封挡圈，17.第五O型圈，18.导向杆，19.超磁致伸缩棒，20.第六O型圈，21.吸热材料放置环，22.致动器输出轴，23.预紧碟形弹簧，24.挡板，25.左碟形弹簧，26.补偿活塞，27.补偿杆，28.垫环，29.第七O型圈，30.螺母，31.输出顶杆，32.上碟形弹簧，A.左内腔，B.右内腔，C.上内腔，D.圆盘，F.气流通道，H.补偿腔，I.超磁致伸缩致动器，II.封闭式液压微位移放大器。

具体实施方式

下面依据技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式，如附图1所示，通过封闭式液压微位移放大器II的位移放大作用实现超磁致伸缩致动器I的大量程位移输出要求；封闭式液压微位移放大器II的输入端大活塞4内腔设有微位移补偿机构，自动补偿封闭腔内由于温度变化所引起的输出端附加微位移；在超磁致伸缩致动器I内部与外界环境间有一条气流通道F，通过内外温差在气流通道中产生气流，带走致动器内累积的部分热量；在线圈骨架9和超磁致伸缩棒19之间设置一吸热介质填充空腔，该空腔装有吸热介质11，吸热介质11吸收驱动线圈10传递过来的部分焦耳热量。

超磁致伸缩驱动装置工作时，通过预紧螺钉（15）对超磁致伸缩棒（19）施加预紧力，使超磁致伸缩棒工作在受压状态。对驱动线圈10通以一定电流，该电流在驱动线圈10内部产生的磁场导致超磁致伸缩棒19产生磁致伸缩变形，该变形推动致动器输出轴22以及输入端大活塞4产生相同的轴向位移，该轴向位移通过封闭式液压腔内的工质，将运动传递至输出顶杆31，由于输出顶杆31的有效截面积小于输入端大活塞4的有效截面积，位移便得到放大，其放大率即为输入端大活塞4右端面有效截面积与输出顶杆31下端面有效截面积的比值。通过控制输入电流的大小，可以控制该超磁致伸缩驱动装置的输出位移，实现超磁致伸缩致动器I的位移放大输出。

当温度上升时，导致封闭腔内的工质体积膨胀，与此同时，补偿杆27由于温升产生轴向和径向两个方向的热伸长变形，并且径向膨胀通过锥面转换为轴向伸长，该热伸长变形推动补偿活塞26向左移动，挤压左碟形弹簧25，封闭腔内的工质通过输入端大活塞4右端面中心上的通油孔进入补偿腔H，补偿温升导致的封闭腔内的工质体积变化，从而自动补偿温升产生的附加微位移。

当温度下降时，导致封闭腔内的工质体积收缩，与此同时，补偿杆27由于温降产生轴向和径向两个方向的热收缩变形，并且径向收缩通过锥面转换为轴向收缩，该热收缩变形使得左碟形弹簧25推动补偿活塞26向右移动，补偿腔H内的工质通过输入端大活塞4右端面中心上的通油孔进入到封闭腔中，补偿温降导致的封闭腔内的工质体积变化，从而自动补偿温降产生的附加微位移。

超磁致伸缩驱动装置工作时将会导致内部温升，由于内外温差将在图1所示气流通道F中产生气流，带走致动器内累积的部分热量。也可根据需要引入外部强制气流，强制气流流速根据工作状态而定：当驱动线圈10采用长时工作模式时，向气流通道F通以大流速气流；当驱动线圈10采用反复短时工作模式或短时工作模式时，向气流通道F通以中小流速气流。

同时，驱动线圈10产生的焦耳热量通过热传导传递至线圈骨架9和超磁致伸缩棒19之间设置的吸热介质填充空腔，吸热介质11吸收驱动线圈传递过来的部分焦耳热量。

本发明提出的超磁致伸缩驱动装置，位移输出量程大，可根据温度变化，自动补偿封闭式液压微位移放大器封闭腔内工质体积变化而引起的输出端附加微位移，从而可以有效地减小温度变化对封闭式液压微位移放大器位移输出精度的影响；对超磁致伸缩棒采用简便易行的温控模式，不需要提供独立的温控系统，实现起来较为方便。特别适用于大量程位移输出需求、环境温度变化大、工作时间长的工程应用场合。

Claims

1.一种超磁致伸缩驱动装置，其特征是，超磁致伸缩驱动装置由超磁致伸缩致动器（I）和封闭式液压微位移放大器（II）组成，超磁致伸缩致动器（I）中的致动器圆壳体（7）右端的外螺纹与封闭式液压微位移放大器（II）中的放大器圆壳体（6）左端的内螺纹连接锁紧；超磁致伸缩致动器（I）中的预紧螺钉（15）、导向杆（18）、超磁致伸缩棒（19）和致动器输出轴（22）都具有中心通孔，即均采用空心结构，在超磁致伸缩致动器（I）内部形成一条自左而右的气流通道（F），该气流通道（F）与致动器圆壳体（7）右部和致动器输出轴（22）上的垂直通孔相通，形成完整的内外气流通道；封闭式液压微位移放大器（II）的输入端大活塞（4）内腔设有微位移补偿机构，自动补偿封闭腔内由于温度变化所引起的输出端附加微位移；

在所述的超磁致伸缩致动器（I）中，在致动器圆壳体（7）的阶梯内腔中，由右向左依次装有挡板（24）、预紧碟形弹簧（23）、内部中空的致动器输出轴（22）；穿过致动器输出轴（22）的右导磁体（8）安装在致动器圆壳体（7）的右部内腔中，吸热材料放置环（21）和装有第六O型圈（20）的线圈骨架（9）依次由右向左装在右导磁体（8）的内腔中；穿过超磁致伸缩棒（19）的驱动线圈（10）装在线圈骨架（9）上面，在线圈骨架（9）和超磁致伸缩棒（19）之间有一吸热介质填充空腔，该空腔装有吸热介质（11）；第四O型圈（12）和第五O型圈（17）分别安装在密封挡圈（16）的内、外圆环中；导向杆（18）安装在超磁致伸缩棒（19）左端，左导磁体（13）装在导向杆（18）左端，安装在左导磁体（13）左端的拧紧螺塞（14）的外螺纹与致动器圆壳体（7）左部内腔的内螺纹连接，拧紧螺塞（14）的内螺纹和预紧螺钉（15）外螺纹连接锁紧；

所述的封闭式液压微位移放大器（II）中，放大器圆壳体（6）具有左内腔（A）、右内腔（B）、阶梯形的上内腔（C）；第三O型圈（5）安装在阶梯型的补偿活塞（26）的圆环中，在输入端大活塞（4）的内腔里由右向左依次装有垫环（28）、补偿杆（27）、补偿活塞（26）和左碟形弹簧（25），由垫环（28）、补偿杆（27）、补偿活塞（26）和左碟形弹簧（25）构成微位移补偿机构；致动器输出轴（22）通过右端螺纹部分与输入端大活塞（4）的内螺纹连接锁紧；第二O型圈（3）安装在输入端大活塞（4）的圆环中，输入端大活塞（4）安装在放大器圆壳体（6）的左内腔（A）中；第一O型圈（2）安装在螺塞（1）的圆环中，螺塞（1）安装在放大器圆壳体（6）的右内腔（B）中，螺塞（1）通过螺纹连接锁紧在放大器圆壳体（6）上；第七O型圈（29）安装在放大器圆壳体（6）阶梯型上内腔（C）的下圆环中，带有圆盘（D）的输出顶杆（31）安装在放大器圆壳体（6）上内腔（C）中，上碟形弹簧（32）和螺母（30）依次由下向上安装在输出顶杆（31）的圆盘（D）上，通过螺母（30）上的螺纹与放大器圆壳体（6）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩驱动装置，其特征是，所述的补偿杆（27）采用高热膨胀系数材料，补偿杆（27）的端面制成锥形，其锥面分别与补偿活塞（26）和垫环（28）上的锥面配合，形成补偿腔（H）；补偿杆（27）的中间开有通油孔，输入端大活塞（4）的右端面中心和垫环（28）中心上加工有通油孔。