CN103302886B

CN103302886B - 微驱动装置及包含该装置的电磁控制驱动的微型冲压机

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Publication number: CN103302886B
Application number: CN201310263784.2A
Authority: CN
Inventors: 王传洋; 李知瑶; 钟康民
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou Su Robot Intelligent Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: CN103302886A

Abstract

本发明公开了一种电磁控制驱动的微型冲压机，包括微驱动装置和行程放大装置。微驱动装置包括弹性伸缩部件与驱动弹性伸缩部件变形的动力源两部分，弹性伸缩部件为电致伸缩部件或磁致伸缩部件。行程放大装置采用一种内回流差动面积效应行程放大装置。采用电致或磁致伸缩部件作为驱动，对应变的响应速度快，伸缩量可以利用电场或是磁场的强度调节。行程放大装置可以将伸缩部件产生的微量位移放大为显著位移，实现冲压功能，同时液体介质能够提供缓冲，达到柔性冲击的目的，提升操作安全性，延长设备的使用寿命。冲压机整体结构紧凑简洁，实现了微小型化，且能量转换环节少，能源的利用率较高，能提供小能量较高频率的冲击，适应于分析测试场合。

Description

微驱动装置及包含该装置的电磁控制驱动的微型冲压机

技术领域

本发明属于冲压测试技术领域，具体涉及一种微驱动装置及电磁控制驱动的微型冲压机。

背景技术

冲压机广泛应用于电子、通讯、家用电器、家具、交通工具、五金零部件等的冲压及成型。目前生产中常用的冲压机主要有机械式、气动式、液压式三类。

机械式冲压机由电动机与曲柄连杆机构连接，连杆机构带动冲头进行往复运动。气动式冲压机工作时需要压缩空气源或者配置空压机产生压缩空气，将压缩空气输送到气缸，推动气缸运动，实现冲压工作。液压式冲压机需要配置液压泵，利用液压缸的运动完成冲压过程。他们有着体积大，冲压力大，刚性冲击等特点。

目前生产中常用的机械式、气动式、液压式三类冲压机，它们分别存在一些缺陷。机械式冲压机主要的问题是：系统包含电动机、飞轮、离合器等部件，整体结构较复杂，很难实现微小型化；由于使用曲柄连杆机构，冲头上下往复运动过程中承受的周期性的水平侧向力较大，因此摩擦损耗大并且还会产生周期性的振动，降低设备的使用寿命；工作行程和频率一般不可调，而且产生的是刚性冲击，安全性低。

气动冲压机的主要缺点是：需要配置压缩空气源或者空压机，因此造价较高且装置体积较大；气动方式需要经过多个能量转换环节，能量损耗大，能源利用率较低；气体的密封性不容易保证。

液压式的冲压机也存在体积较大的问题，此外还有油液泄露的隐患，液压泵还会产生噪声污染。

但是现在有很多制造或分析测试场合，比如电子与信息产品的生产过程，以及对材料表面性能的测试过程，要求设备能够提供小能量高频冲击。这种情况下，传统的冲压机就不能够满足要求了。

此外，面积效应行程放大装置方面，传统的放大装置存在明显的缺点：当放大倍数一定时，如果限制驱动活塞尺寸，为了安放复位弹簧则必须牺牲输出活塞压杆的尺寸，这样就可能会造成活塞压杆因为尺寸过小、刚性较差而产生压杆失稳破坏；如果为了保证输出活塞压杆的刚度，就必须放大输出活塞的尺寸，继而会造成驱动活塞的尺寸增大，以致整个装置体积过大。

因此，鉴于以上问题有必要设计一种具有微小型化特点，且能提供小能量高频率柔性冲击的冲压机以满足使用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电磁控制驱动的微型冲压机，微驱动装置采用电致或磁致伸缩部件，并利用一种内回流差动面积效应行程放大装置实现微位移放大，使得冲压机具有微小型化，提供小能量高频率、柔性冲击的特点，以满足使用需求的目的。

根据本发明的目的提出的一种微驱动装置，包括弹性伸缩部件以及驱动所述弹性伸缩部件变形的动力源，所述弹性伸缩部件为电致伸缩部件或磁致伸缩部件，所述动力源为对应设置于所述电致伸缩部件外围的电场，或设置于所述磁致伸缩部件外围的磁场，所述弹性伸缩部件一端固定设置。

优选的，所述弹性伸缩部件采用压电陶瓷材料或超磁致伸缩材料。

一种电磁控制驱动的微型冲压机，包括所述的微驱动装置以及行程放大装置，所述行程放大装置包括驱动活塞、输出活塞与活塞杆，所述活塞杆上套设有复位弹簧；所述驱动活塞的一端与所述微驱动装置固定连接。

优选的，所述输出活塞上设置有至少一个或多个回流孔；通过设置回流孔，液体可以在输出活塞所在液压缸的有杆腔和无杆腔内互通，驱动活塞推动输出活塞的过程中，输出活塞所在液压缸有杆腔内的液体可以回流到无杆腔内实现面积差动。

优选的，所述驱动活塞与所述输出活塞共用一个液压缸，所述驱动活塞位于所述输出活塞的上方。

优选的，所述复位弹簧的外径靠近所述液压缸的内壁设置。

与现有技术相比，本发明公开的一种电磁控制驱动的微型冲压机的优点是：通过采用电致或磁致伸缩部件驱动，对应变的响应速度较快，电致或磁致伸缩部件的伸缩量可以利用所加的电场或是磁场的强度进行调节。行程放大装置可以将伸缩部件产生的微量位移进行放大，变为显著位移，实现冲压功能，液体介质对冲压过程提供缓冲，提升了操作安全性与设备的使用寿命。且冲压机的整体结构紧凑简洁，实现了微小型化，转换环节少，能源的利用率较高，可提供小能量较高频率的冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种电磁控制驱动的微型冲压机实施例1的结构示意图。

图2为本发明公开的一种电磁控制驱动的微型冲压机实施例2的结构示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、弹性伸缩部件2、驱动活塞3、输出活塞4、活塞压杆5、复位弹簧6、回流孔

具体实施方式

目前生产中常用的机械式、气动式、液压式三类冲压机，该类冲压机整体结构较复杂，体积较大，难以小型化；多为刚性冲击，安全性低；造价较高；气动方式需要经过多个能量转换环节，能源利用率较低，气体的密封性不容易保证；液压式冲压机存在油液泄露的隐患，液压泵还会产生噪声污染；且不适用于对小能量高频率冲击有要求的制造或分析测试场合。

本发明针对现有技术中的不足，提出了一种电磁控制驱动的微型冲压机，使用电致或磁致伸缩材料作为驱动部件，串联一种内回流面积差动液压行程放大装置，实现提供小能量多次冲击的技术要求，同时该冲压机具有微小型化、柔性冲击、响应快速、无污染、能源利用率高的特点。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的目的提出的一种电磁控制驱动的微型冲压机，包括弹性伸缩部件1，驱动弹性伸缩部件1变形的动力源，弹性伸缩部件1为电致伸缩部件或磁致伸缩部件，动力源为对应设置于电致伸缩部件上的电场，或设置于磁致伸缩部件上的磁场，弹性伸缩部件一端固定。弹性伸缩部件采用电致或磁致伸缩材料制作而成，通过调节电场或磁场的强度以调节弹性伸缩部件的伸长量与收缩量。

电致伸缩指由于电极化所引起的电介质弹性变形现象。此外，对于一些压电体，其在外电场中还有另一类逆压电效应产生的应变。逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩效应在所有的电介质晶体中都存在。通常情况下，电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小几个数量级。应变的公式如下：

ε=dE+ME²

其中，ε为应变量；d为压电系数，m/V；dE为逆压电效应；M为电致伸缩系数，m²/V²；ME²为电致伸缩效应。

磁致伸缩指铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度的现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数λ来描述：

λ=(l_H-l_o)/l_o

l_o为原来的长度，l_H为物体在外磁场作用下伸长或者缩短后的长度。一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用ppm代表。传统磁致伸缩材料，其λ值在20～-80ppm之间。电致伸缩材料，比如压电陶瓷材料（PZT），其λ值大约为200～400ppm。稀土金属间化合物的超磁致伸缩材料，其λ值可以达到1500～2000ppm，效果非常可观。弹性伸缩部件材料可选用压电陶瓷材料或超磁致伸缩材料。

超磁致伸缩材料具有以下特点：应变时产生的推力大；能量转换效率高，可以达到70%；响应时间短，大约为百万分之一秒；并且超磁致伸缩材料的伸缩尺寸可随外加磁场成正比变化，因此可以对其进行调控；可靠性高，不会产生疲劳和过热失效问题。

实施例1

如图1所示，一种电磁控制驱动的微型冲压机，包括微驱动装置以及行程放大装置，行程放大装置包括驱动活塞2、输出活塞3与活塞压杆4，活塞压杆4上套设有复位弹簧5；驱动活塞2的一端与微驱动装置固定连接。

输出活塞上设置有至少一个或多个回流孔6。驱动活塞2与输出活塞3共用一个液压缸，驱动活塞2位于输出活塞3的上方。

电场或磁场作用于弹性伸缩部件时，使得伸缩部件伸长，伸缩量可以利用所加的电场或是磁场的强度调节。利用行程放大装置可以将伸缩部件产生的微量位移进行放大，变为显著位移，实现冲压功能。当电场或磁场强度变弱或取消时，弹性伸缩部件收缩，带动驱动活塞复位、输出活塞、活塞杆在复位弹簧的作用下逐渐复位，完成一次冲压过程。

通过在输出活塞上设置回流孔，液体可以在有杆腔和无杆腔内互通，驱动活塞推动输出活塞的过程中输出液压缸有杆腔内的液体可以回流到无杆腔内实现面积差动，行程放大系数的计算公式如下：

i = \frac{Δ l_{o}}{Δ l_{i}} = \frac{S_{i}}{S_{r}} = \frac{S_{i}}{S_{r}} = \frac{D^{2}}{d^{2}}

式中S_i为驱动活塞的横截面积，S_o为输出活塞的有效作用面积S_o=S_r，S_r为活塞压杆的横截面积，D为驱动活塞的直径，d为输出活塞压杆的直径，这是与传统面积行程放大装置不同之处，因此同等条件下，内回流面积差动行程放大装置的放大系数大大增加。所以在放大倍数确定时，内回流面积差动放大装置的输出活塞是不受尺寸约束的，则活塞压杆的刚度可以得到保证，这样就解决了传统面积效应液压行程放大装置存在的问题。

当给电致或磁致伸缩材料加上电场或者磁场后，伸缩材料会自动伸长，从而推动与其连接的驱动活塞产生向下的位移Δl_i。行程放大装置利用面积效应，将此微位移通过液体介质传递给输出活塞，并放大为输出活塞的位移Δl_o，输出活塞与活塞压杆相连，即带动活塞压杆向下运动位移Δl_o，完成冲压工作。其行程放大倍数可以由公式计算得到。

i = \frac{Δ l_{o}}{Δ l_{i}} = \frac{S_{i}}{S_{o}} = \frac{S_{i}}{S_{r}} = \frac{D^{2}}{d^{2}}

式中S_i为驱动活塞的横截面积，S_o为输出活塞的有效作用面积S_o=S_r，S_r为活塞压杆的横截面积。

例如，已知一种伸缩材料的伸缩系数λ为1000ppm，伸缩材料的原始长度l_o为200mm，驱动活塞与输出活塞压杆的横截面积之比当加上电场或磁场后，伸缩材料的长度变化Δl_i=λl_o=1000ppm×10^-6×200mm=0.2mm，通过行程放大装置最终的输出位移通过本例可以看出所设计的冲压机，能够将伸缩材料形变产生的不易察觉的微量位移0.2mm，进行行程放大后输出为显著位移20mm。

撤销电场或磁场后，伸缩材料由伸长状态恢复原始长度，即带动驱动活塞向上移动复位，同时输出活塞在复位弹簧的作用下也向上运动，最终整个装置恢复原始的平衡位置，完成一个完整的冲压和复位过程。

复位弹簧5的外径靠近液压缸的内壁设置，在冲压的过程中速度相对较大，通过将复位弹簧靠近液压缸内壁设置，以保证活塞压杆的稳定性。

本实施例的有益效果如下：

1、该冲压机将微小位移放大为显著位移的效果明显，能提供小能量高频率的冲击，适应很多传统冲压机力所不能及的制造或分析测试场合。

2、提供可调控的柔性冲击；由于使用电致与磁致伸缩材料作为驱动，电致与磁致伸缩材料对于应变的响应快速，材料的伸缩量可以利用所加电场和磁场强度进行调节；同时，由于液体介质能够提供缓冲，避免了机械式冲床刚性冲击的缺陷，提升了操作安全性，延长了设备使用寿命。

3、整体结构紧凑简洁，实现了微小型化；与传统驱动装置相比，电致与磁致伸缩材料驱动由于不需使用电动机、泵、气缸等部件，因此体积较小，结构与制造过程简单；同时，改进后增加回流孔的行程放大装置，采用一体式的缸体，将驱动活塞与输出活塞设置于同一液压缸内，结构与制造过程简单、结构紧凑。

4、可以将电场能或磁场能直接转换为机械能，能量转换的环节少，能源的利用率高。

实施例2

如图2所述，其余与实施例1相同，不同之处在于，驱动活塞2所在的液压缸与行程放大装置相串接。

本发明公开了一种电磁控制驱动的微型冲压机，通过采用电致或磁致伸缩部件作为驱动，对应变的响应速度较快，电致或磁致伸缩部件的伸缩量可以利用所加的电场或是磁场的强度进行调节，且液体介质能够提供缓冲，提升了安全性与设备的使用寿命。且冲压机的整体结构较紧凑简洁，实现了微小型化，且转换环节少，能源的利用率较高。此外，通过采用行程放大装置实现位移的显著放大，可提供小能量较高频率的冲击，适应于分析测试场合。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种电磁控制驱动的微型冲压机，其特征在于，包括微驱动装置以及行程放大装置，所述微驱动装置包括弹性伸缩部件以及驱动所述弹性伸缩部件变形的动力源，所述弹性伸缩部件为电致伸缩部件，所述动力源为对应设置于所述电致伸缩部件外围的电场，所述弹性伸缩部件一端固定设置；所述弹性伸缩部件采用压电陶瓷材料；所述行程放大装置包括驱动活塞、输出活塞与活塞杆，所述活塞杆上套设有复位弹簧；所述驱动活塞的一端与所述微驱动装置固定连接。

2.如权利要求1所述的一种电磁控制驱动的微型冲压机，其特征在于，所述输出活塞上设置有至少一个或多个回流孔；通过设置回流孔，液体可以在输出活塞所在液压缸的有杆腔和无杆腔内互通，驱动活塞推动输出活塞的过程中，输出活塞所在液压缸有杆腔内的液体可以回流到无杆腔内实现面积差动。

3.如权利要求1或2所述的一种电磁控制驱动的微型冲压机，其特征在于，所述驱动活塞与所述输出活塞共用一个液压缸，所述驱动活塞位于所述输出活塞的上方。

4.如权利要求1所述的一种电磁控制驱动的微型冲压机，其特征在于，所述复位弹簧的外径靠近液压缸的内壁设置。