CN104467527B - 稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工、精密控制领域，具体地说，涉及一种稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器。本发明包括机架，安装于机架上的稀土超磁致伸缩双向输出换能器、平面八连杆式全柔性微位移放大机构；本发明采用稀土超磁致伸缩换能器的双向输出设计，基本可以平衡换能器动态周期性轴向作用力，极大地消除了附加振动的产生，可有效提高换能器疲劳寿命和能量转换效率；另外采用了杠杆+机构型级联微位移柔性铰链运放机构,进行内外双级放大，运动灵敏度高、分辨率高。

Description

稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器

技术领域

本发明属于精密加工、精密控制领域，具体地说，涉及一种稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器。

背景技术

基于电—磁—力—热多物理场能量转换功能材料的换能器是目前电工学领域中最具科学意义和前景的换能器。其中最具活力与代表性的有：温控或磁控形状记忆合金换能器、压电陶瓷换能器、超磁致伸缩换能器。近几十年来，绝大多数的换能器都采用压电材料制成，压电材料具有较高的机电耦合系数、高频介电损失相对较小、成本低、制备容易等优点。然而与压电材料相比，稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)具有更为优异的特性：1)磁致伸缩应变值大，比镍大40—50倍，比压电陶瓷(PZT)大3-8倍。2)能量密度高，比镍大400-500倍，比压电陶瓷大10-14倍。3)机电耦合系数大，可利用换能器的宽带高效工作。4)输出力大、声速低，有利用小型化设计。5)居里点温度高，换能器可靠性高。6)响应速度极高，可重复性好。

基于上述的物理属性和性能特点，超磁致伸缩材料(Terfenol-D)在大功率换能器，声呐、液压元件、流体控制、精密位置伺服、主动减震、结构无损伤探伤和健康检查、能量采集、航空航天等多个工程领域显示出来了良好的应用前景。目前在国际上日本学者、美国Greatplians公司研制了稀土超磁致喷射阀，德国E.Qt.andt等人研制了悬臂梁式超磁致伸缩薄膜微型阀等都在实践应用中获得成功。在国内具有代表性的有气动喷嘴—挡板伺服阀、脉冲喷射开关阀等也都获得一定的认可。

现阶段国内外稀土超磁致伸缩换能器都是稀土超磁致材料的单端输出位移、力，而另一端用螺塞压紧固定，并通过螺塞调节预紧力，采用内置式杠杆放大机构进行位移放。这种构造虽然方便调节稀土超磁致伸缩棒的预紧力，微位移放大结构体积较小，但是最大的缺点的是稀土超磁致伸缩棒的预紧端会承受周期性载荷，产生附加振动，降低换能器效率和整机疲劳寿命,内置微位移放大机构放大系数普遍偏小，失效不易更换，内部单腔换热控温不稳等都极大地限制了换能器的实践应用与推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器，克服现有稀土超磁致伸缩换能器附加振动大、能量转化效率低、输出位移偏小、温控不稳定等缺陷。

本发明的技术方案：一种稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器，包括机架，安装于机架上的稀土超磁致伸缩双向输出换能器、平面八连杆式全柔性微位移放大机构；所述的稀土超磁致伸缩双向输出换能器包括壳体，在壳体的两端分别安装有左端盖、右端盖，左端盖、右端盖与壳体的连接处布置有预压力调整垫片，在左端盖、右端盖的中心通孔上分别设置有可滑动的推杆；在壳体内固定有一个“工字形”的中空线圈骨架，线圈骨架的中空部分布置有一个隔磁套，隔磁套与线圈骨架之间形成内侧环形油冷腔，同时两端的连接处分别布有两个反向放置的唇型密封圈，并辅以密封胶密封；在隔磁套内布置有一个稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒的两端分别设置一个永磁体，永磁体的外端布置有一变幅杆，在永磁体与变幅杆之间设置一个传力球，在变幅杆的外端布置有一杠杆式柔性铰链放大器，变幅杆通过预载弹簧与杠杆式柔性铰链放大器连接，左右两个杠杆式柔性铰链放大器外端分别与左右推杆的里端接触；在线圈骨架上布置有线圈，线圈的外侧绕制有外侧油冷环管，外侧油冷环管和内侧环形油冷腔分别与布置在壳体上的冷却进油管、冷却出油管连通；

所述的平面八连杆式全柔性微位移放大机构包括与稀土超磁致伸缩双向输出换能器的左端盖上的推杆连接的左输入杆、与稀土超磁致伸缩双向输出换能器的右端盖上的推杆连接的右输入杆，左输入杆、右输入杆的一端分别与第一柔性连接杆、第四柔性连接杆的一端铰接，第一柔性连接杆、第四柔性连接杆的另一端铰接于机架上，左输入杆、右输入杆的另一端分别与第二柔性连接杆、第三柔性连接杆的一端铰接，第二柔性连接杆、第三柔性连接杆的另一端与位移输出杆铰接。

所述的杠杆式柔性铰链放大器的结构为：在环型支架的径向均布四条悬臂式杠杆，杠杆与环型支架的连接为圆弧型柔性铰链连接，在每条杠杆上设置有一个受力支座，受力支座与杠杆连接处设置有预载弹簧卡口。

本发明采用稀土超磁致伸缩换能器的双向输出设计，基本可以平衡换能器动态周期性轴向作用力，极大地消除了附加振动的产生，可有效提高换能器疲劳寿命和能量转换效率。另外采用了杠杆+机构型级联微位移柔性铰链运放机构,进行内外双级放大，其中杠杆式柔性铰链放大器为内置放大机构，其工艺简单，加工方便，使用寿命长，易于更换；平面八连杆式全柔性微位移放大机构为外置放大机构，通过稀土超磁致伸缩双向输出换能器推动输入杆产生微位移，可在位移输出杆上产生准确的直线运动，从而可极大地扩大稀土超磁致伸缩换能器的输出位移；同时柔性铰链机构具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、分辨率高、加工简单等优点，能够实现高精度高分辨率位移输出与控制。为防止温度对稀土超磁致伸缩材料性能的影响，本发明通过采用内外管道复合式闭环温控系统，使油液同时从线圈骨架内侧空腔、外绕管道和线圈、隔磁套进行热交换，通过温度传感器时时监控系统温度，使温控效果更佳。本发明可作为声呐、液压元件、流体控制、精密位置伺服、主动减震、结构无损伤探伤和健康检查、能量采集、航空航天等多个工程领域的驱动器，可输出高精度、快响应、高可靠性的力和位移，并可直接联机实现数字控制，因此可广泛应用于高精度位移、力控制的精密机电控制元件和系统中。

附图说明

图1为本发明中稀土超磁致伸缩双向输出换能器剖视图。

图2为本发明中传力球及相邻件局部放大图。

图3为本发明结构示意图。

图4为本发明中杠杆式柔性铰链放大器主视图。

图5为图4左视图(剖视)。

图中：1左端盖，2推杆，3变幅杆，4杠杆式柔性铰链放大器，5冷却进油管，6冷却油分流口，7内侧环形油冷腔，8外侧油冷环管，9线圈，10油管接头，11冷却出油管，12预压力调整垫片，13冷却油汇合口，14永磁体，15预载弹簧，16右端盖，17唇型密封圈，18线圈骨架，19隔磁套，20稀土超磁致伸缩棒，21壳体，22传力球，23紧固螺钉，24机架，25第一柔性连接杆，26左输入杆，27第二柔性连接杆，28位移输出杆，29第三柔性连接杆，30右输入杆，31第四柔性连接杆，32稀土超磁致伸缩双向输出换能器，33环型支架，34受力支座，35杠杆，36预载弹簧卡口，37圆弧型柔性铰链。

具体实施方式

如附图所示，本发明主要由稀土超磁致伸缩双向输出换能器、平面八连杆式全柔性微位移放大机构两大部分组成。稀土超磁致伸缩双向输出换能器包括伸缩驱动、预压、冷却三部分，具体结构：在壳体21左右两端距端面30mm处周向开有6个通孔，用于线圈骨架18通过紧固螺钉23固定在壳体21内部。线圈骨架18的左右两端侧壁上分别设有一个含有螺纹的冷却油孔，在冷却油孔上距出口20mm处分别开设有冷却油分流口6和冷却油汇合口13，供冷却油液流入流出使用，上述冷却油孔上安装有油管接头10各一个；线圈骨架18的中间安装有一个隔磁套19(聚四氟乙烯)，一方面隔磁套19与线圈骨架18内壁形成一个空腔，供冷却油液流通，另一方面隔磁套19又可以起到隔磁作用，对稀土超磁致伸缩棒20起到一定的保护、隔热作用；同时两端的连接处应分别使用两个反向放置的唇型密封圈17密封，并辅以密封胶密封。隔磁套19内安装有稀土超磁致伸缩棒20(为减少动态交流励磁作用下稀土超磁致伸缩棒20产生过大的涡流损耗将其进行轴向和径向切片，再用树脂进行粘连，切片数越多效果越好),其左右各安装有一个圆柱型永磁体14(铷铁硼材料加工成型后充分磁化后制成)，以提供偏置磁场消除倍频现象，永磁体14与传力球22接触面为锥形。

永磁体14的左右两端分别通过圆锥面与传力球22连接，传力球22的另一端通过球面与设有内锥面的指数型变幅杆3连接，左右两个指数型变幅杆3分别通过预载弹簧15与杠杆式柔性铰链放大器4连接，左右两个杠杆式柔性铰链放大器4外端分别与左右推杆2的球形端面接触。

上述连接通过预紧力保持接触，通过传力球22与变幅杆锥面接触传递输出力，同时要充分保证稀土超磁致伸缩棒两端面的平行度和平面度，使得稀土超磁致伸缩棒20受力均匀，以保证其能够自由伸缩，不受弯矩。其中指数型变幅杆3由高磁导率的Ni50加工而成，从而形成封闭导磁回路，减少漏磁。预载弹簧15不仅起连接作用，同时也消除了由于杠杆式柔性铰链放大器4转角范围小，换能器收缩时杠杆式柔性铰链放大器4出现振动而导致变幅杆3与杠杆式柔性铰链放大器4间产生间隙的可能。

稀土超磁致伸缩双向输出换能器32固定在机架24上，左右推杆2通过螺钉与左输入杆26和右输入杆30连接，左输入杆26两端分通过第一柔性连接杆25、第二柔性连接杆27，右输入杆30两端分通过第三柔性连接杆29、第四柔性连接杆31与机架24和位移输出杆28相连接。

本发明在工作前，可以通过加减壳体21和左右端盖1间的预压力调整垫片12数量对稀土超磁致伸缩棒20进行预压。预压完成后，通过外部电路向线圈9中通交变电流，在壳体21内部产生交变电磁场，在偏置磁场和交变磁场中的稀土超磁致伸缩棒20开始周期性地进行伸缩运动，通过左右两侧的永磁体14和传力球22将力、位移传递给指数型变幅杆3进行振幅的放大，经过放大的位移，通过杠杆式柔性铰链放大器4进行一级位移放大，经放大的位移通过左右推杆2传递给左输入杆26和右输入杆30，最后通过第一柔性连接杆25、第二柔性连接杆27、第三柔性连接杆29、第四柔性连接杆31将力传递给位移输出杆28，通过位移输出杆28输出经过放大的力和位移。

本发明采用了杠杆+机构型级联微位移柔性铰链运放机构,进行内外双级放大。通过杠杆式柔性铰链放大器进行一级微位移放大，通过平面八连杆式全柔性微位移放大机构进行二级微位移放大。

采用稀土超磁致伸缩换能器的双向输出对称式设计。

通过采用内外管道复合式闭合温控系统，使油液同时从线圈骨架内侧空腔、外绕管道与线圈、隔磁套进行热交换，并通过温度传感器时时监控系统温度。

本说明书中未作详细描述之内容为本领域专业技术人员公知现有技术。

Claims (2)

1.一种稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器，其特征是：包括机架，安装于机架上的稀土超磁致伸缩双向输出换能器、平面八连杆式全柔性微位移放大机构；所述的稀土超磁致伸缩双向输出换能器包括壳体，在壳体的两端分别安装有左端盖、右端盖，左端盖与壳体、右端盖与壳体的连接处均布置有预压力调整垫片，在左端盖、右端盖的中心通孔上分别设置有可滑动的推杆；在壳体内固定有一个“工字形”的中空线圈骨架，线圈骨架的中空部分布置有一个隔磁套，隔磁套与线圈骨架之间形成内侧环形油冷腔，同时两端的连接处分别布有两个反向放置的唇型密封圈，并辅以密封胶密封；在隔磁套内布置有一个稀土超磁致伸缩棒，稀土超磁致伸缩棒的两端分别设置一个永磁体，两个永磁体的外端均布置有一变幅杆，在永磁体与变幅杆之间均设置一个传力球，在每个变幅杆的外端均布置有一杠杆式柔性铰链放大器，每个变幅杆分别通过预载弹簧与一个杠杆式柔性铰链放大器连接，左右两个杠杆式柔性铰链放大器外端分别与左右推杆的里端接触；在线圈骨架上布置有线圈，线圈的外侧绕制有外侧油冷环管，外侧油冷环管与布置在壳体上的冷却进油管、冷却出油管连通，内侧环形油冷腔与布置在壳体上的冷却进油管、冷却出油管连通；

所述的平面八连杆式全柔性微位移放大机构包括与稀土超磁致伸缩双向输出换能器的左端盖上的推杆连接的左输入杆、与稀土超磁致伸缩双向输出换能器的右端盖上的推杆连接的右输入杆，左输入杆的一端与第一柔性连接杆的一端铰接，右输入杆的一端与第四柔性连接杆的一端铰接，第一柔性连接杆、第四柔性连接杆的另一端铰接于机架上，左输入杆的另一端与第二柔性连接杆的一端铰接，右输入杆的另一端与第三柔性连接杆的一端铰接，第二柔性连接杆、第三柔性连接杆的另一端与位移输出杆铰接。

2.根据权利要求1所述的一种稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换能器，其特征是：所述的杠杆式柔性铰链放大器的结构为：在环型支架的径向均布四条悬臂式杠杆，杠杆与环型支架的连接为圆弧型柔性铰链连接，在每条杠杆上设置有一个受力支座，受力支座与杠杆连接处设置有预载弹簧卡口。