CN104763703A - 一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体传动与运动控制技术，特别涉及一种具有独立可调刚度和可控阻尼且结构紧凑的能量回馈型磁流变-气浮复合执行器。有：磁流变阻尼器，发生磁流变效应形成可控阻尼；能量回馈组件，运动时产生电能回馈到装置的驱动电源中；滑动导轨组件，使磁流变阻尼器和能量回馈组件之间可以产生相对滑动；无摩擦气缸，发生气浮效应；中间连接组件，将各部分耦合为整体。本发明通过气浮效应、空气/直线轴承实现执行器的无摩擦和可调刚度，提高执行器的输出力和响应能力；通过磁流变效应实现快速响应和可调阻尼，提高定位运动的稳定性和抗干扰性；通过能量回馈降低能耗，提高系统的节能效率。本发明能应用于结构紧凑且需高速高精度快响应要求的场合。

Description

一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器

技术领域

本发明涉及流体传动与运动控制技术领域，特别涉及一种具有独立可调刚度和可控阻尼且具结构紧凑的能量回馈型磁流变-气浮复合执行器。该执行器不仅可用于机械、航空航天、车辆等领域中大行程、高精度、快响应的精密运动场合，也可用于这些领域可变工况和干扰下的智能振动隔离和冲击吸收。

背景技术

气压传动具有结构简单、维护方便、操作安全、系统刚度与负载配重灵活可调等特点，因而气缸执行器在有一定动态和精度要求、承载适中、行程较大的低成本（万元级）精密运动系统中具有较好的适用性。然而，普通气缸因较大且突变的动静摩擦力之差导致其在低速运动时易产生爬行现象而降低定位精度，在高速运动时又由于较大的摩擦力/驱动力之比限制了运动的平稳性和快速性。而且，气缸摩擦力与气压和运动状态等都有关，具有非常复杂的动态特性，难以进行有效建模和补偿控制。为避开复杂的气缸摩擦力给精密运动控制带来的问题，有必要引入无摩擦气动技术。然而，若采用主动高增益来控制无摩擦系统，其本质零阻尼特性将导致系统对外部干扰敏感而产生定位不稳定。为此，在无摩擦气动系统中需引入独立的可控阻尼，通过刚度和阻尼的协调控制来实现高速高精度的精密运动，同时保证整个系统具有较强的抗干扰性与振动抑制性能。

磁流变液是一种由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，在零磁场下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在磁场作用下呈现出高粘度、低流动的宾汉体特性（即磁流变效应），且其从流体到半固体状态的转变过程快速而可逆。基于磁流变效应的磁流变阻尼器因其可控的输出力，较大的可调范围，较快的响应速度、较低的环境污染敏感度，以及低能耗等特点，近年来受到广泛的关注和应用，在减隔振系统阻尼控制方面具有优良性能。

现有的磁流变技术与气动技术相结合，大多采用将气缸与磁流变阻尼/制动器直接串联或并联，或将磁流变阻尼器与空气弹簧相并联安装，运用于定位锁紧、稳定调速和减振隔振控制等方面。如美国专利US6302249B1 (linear- acting controllable pneumatic actuator and motion control apparatus including a field responsive medium and control method therefor)、中国专利CN2900921Y（磁流变阻尼器及其磁流变气动伺服系统）涉及将气缸执行器与磁流变制动器/磁流变阻尼器串联安装来提高气缸定位的精度。中国专利CN101865175A（内置磁流变液制动器的摆动气缸）涉及利用磁流变制动器内嵌入摆动气缸实现系统定位锁死功能；中国专利CN202228470U（磁流变液气液阻尼缸）涉及由外置式电磁线圈、气缸缸筒和液压缸缸筒串联而成的磁流变液气液阻尼缸实现气缸运动速度的平稳控制；美国专利US7077226B2（controlled truck cab suspension system）主要提供一种采用磁流变阻尼器-空气弹簧的悬架系统来改善机械系统的减振性能和悬架系统中位移控制性能。但上述专利中并没有考虑到气缸摩擦力较大或摩擦力变化较大时，会使运动控制的平稳性和有效力输出性能大大降低，从而降低了高速快响应应用的实现性。另外，现有专利技术中气缸执行器和磁流变阻尼器往往进行简单的外挂式串联安装，整体结构过于冗余。更进一步地，现有气缸执行器运动时，机械能转换为热能被耗散掉，没有进行有效回收从而实现节能效果。因而，现有技术不能有效应用于空间或结构限制、能实现高速、高精度、快响应和节能要求的精密运动控制场合。

本发明将基于磁流变效应的可控阻尼技术与基于气浮效应的无摩擦气缸技术相结合，提供一种结构紧凑的能量回馈型磁流变-气浮复合执行器，其能实现刚度、阻尼和行程大范围独立可调，且具有主动/半主动/被动等多种综合控制模式以适应不同的应用需求，同时也可以通过运动能量回馈实现节能需求。该复合执行器将在高端加工、航空航天、微电子制造和高精度测量等领域的高精度运动、减震隔振系统等场合具有较好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有磁流变与气动技术结合时存在的摩擦力影响高速高精度性能的实现以及其结构紧凑型与功能扩展设计等的不足，提供一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器。

一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器，其特征在于，包括磁流变阻尼器、能量回馈组件、滑动导轨组件、中间连接组件、无摩擦气缸；所述磁流变阻尼器、滑动导轨组件与能量回馈组件由内向外同轴心安装；所述无摩擦气缸与磁流变阻尼器和能量回馈组件通过中间连接组件耦合为整体；

所述中间连接组件由中间端盖、空气轴承、液缸后直线轴承、气缸前端口、液缸后端口、空气轴承通气口组成；

其中，所述中间端盖中心开有开有阶梯孔，阶梯孔两端分别安装有空气轴承和液缸后直线轴承；所述空气轴承表面安装有空气轴承密封圈；所述中间端盖的一侧圆周上开有气缸前端口和空气轴承通气孔，空气轴承通气孔与空气轴承相通。

所述无摩擦气缸包括后端盖、气缸后密封环、气缸体、气缸活塞组件、气缸活塞杆、气缸端面缓冲垫、气缸前密封环、气缸后端口；

其中，所述气缸体两端开口，分别被所述后端盖和所述中间连接组件所封闭，形成无摩擦气缸的内部区域；所述无摩擦气缸的内部区域填充压缩空气，被气缸活塞组件分隔成第一工作气腔和第二工作气腔；气缸活塞组件与气缸体同轴心安装，且气缸活塞组件外径小于气缸体内径，气缸活塞组件与气缸体之间形成气浮间隙，第一工作气腔和第二工作气腔通过气浮间隙相通；气腔后端口开设于所述后端盖上，且与所述第一工作气腔相通；第二工作气腔与所述气缸前端口相通；所述后端盖通过四个后端盖固定螺栓与气缸体末端连接；所述气缸体与后端盖之间安装有气缸后密封环；所述气缸体与中间端盖之间安装有气缸前密封环；所述气缸体与中间端盖末端之间安装有气缸端面缓冲垫；

所述气缸活塞组件包括气缸活塞后端盖、活塞导向带、节流孔部件、气缸活塞缸、气缸活塞前端盖、单向阀部件、球型铰链和铰链座；所述气缸活塞前端盖和所述气缸活塞后端盖分别安装在所述气缸活塞缸的前后两侧；气缸活塞缸的侧面上前部和后部均开有环形凹槽，所述活塞导向带嵌套在所述环形凹槽内；所述气缸活塞缸圆周表面均匀分布有从表面直至活塞内腔的通孔，节流孔部件安装在所述通孔内，所述节流孔部件中心开有节流孔；所述单向阀部件包括单向阀阀体、单向阀固定件、膜片弹簧；所述单向阀部件均匀分布安装在气缸活塞前端盖和气缸活塞后端盖上；所述气缸活塞前端盖与铰链座之间通过球型铰链连接。

所述磁流变阻尼器包括液缸前端盖、液缸前直线轴承、液缸活塞杆、液缸活塞组件、液缸体、隔磁缸筒、液缸前密封环、液缸后密封环。其中，

所述液缸体两端开口，一端与液缸前端盖通过螺纹相连，另一端与中间连接组件通过液缸内固定螺钉相连，液缸体与所述液缸前端盖之间安装有密封圈，液缸体与中间连接组件之间安装有密封圈；所述液缸前端盖中心开有通孔，液缸前直线轴承安装在所述通孔内；所述液缸体内部填充磁流变液，被液缸活塞组件将液缸体分隔成第一工作液腔和第二工作液腔；液缸活塞组件与液缸体同轴心安装，且液缸活塞组件外径小于液缸体内径，液缸活塞组件和液缸体之间形成磁流变液间隙，第一工作液腔和第二工作液腔之间通过磁流变液间隙相通；所述隔磁缸筒同轴安装在液缸体的外部。

所述液缸活塞杆两侧开有径向孔，中心开有引线孔；两侧的径向通孔与引线孔相通；液缸活塞杆穿过液缸活塞组件；所述液缸活塞组件包括液缸活塞、阻尼器线圈和线圈衬套；液缸活塞开有绕线槽，绕线槽与所述液缸活塞杆一侧的径向通孔相通；线圈衬套安装在液缸活塞的绕线槽内，所述阻尼器线圈围绕在线圈衬套上；组成阻尼器线圈的铜导线穿过液缸活塞杆的引线孔，从液缸活塞杆另一侧的铜导线引出端口伸出；

所述能量回馈组件包括发电定子组件和发电动子组件，发电动子组件与发电定子组件由外向内同轴安装；

其中，所述发电定子组件由定子缸体、发电线圈、外缸筒、前端盖、前端盖内直线轴承组成；所述定子缸体为圆筒形结构，外轮廓上开有均布的若干绕线槽；所述发电线圈围绕在定子缸体外轮廓的绕线槽内；所述外缸筒与定子缸体同轴安装，所述外缸筒外轮廓为方形，内轮廓为阶梯圆柱，外缸筒的前端与所述前端盖通过四套前端盖固定螺栓连接，后端与中间连接组件固定连接；所述前端盖中心开有通孔，前端盖内直线轴承安装在所述通孔内。

所述发电动子组件由动子缸体固定件、动子缸体、永磁体、磁极片和磁性部件固定件组成；所述动子缸体固定件与所述动子缸体通过四套固定件螺钉紧固；所述动子缸体内壁套在滑动导轨组件的外圈上；所述动子缸体外壁为阶梯圆柱状，末端交错固定永磁体和磁极片，每两个相邻的永磁体的极性排列相反，永磁体或磁极片的末端通过磁性部件固定件与动子缸体螺纹固定；所述永磁体和磁极片的外径小于定子缸体内径，永磁体和磁极片与定子缸体之间形成发电工作间隙。

所述液缸活塞杆外轮廓分二段阶梯圆柱形，在外径较大段适当位置开有径向通孔；所述液缸活塞杆依次穿过动子缸体固定件的中心孔、液缸前直线轴承的中心孔、第二工作液腔、液缸活塞的中心孔、第一工作液腔，末端与气缸活塞杆螺纹固定；液缸活塞杆前端与动子缸体固定件通过两端开口的圆柱销固定。

所述气缸活塞杆穿过第一工作液腔、液缸后线性轴承的中心通孔、空气轴承的中心通孔、第二工作气腔；所述气缸活塞杆前端连接液缸活塞杆的末端，后段连接铰链座的前端。

动子缸体固定件开有第一偏心通孔，液缸前端盖上开有第二偏心通孔，两个通孔之间使用液压软管相连，第二偏心通孔与所述第二工作液腔相通。

进一步地，气缸活塞杆与液缸活塞杆的直径一致。

进一步地，滑动导轨组件选自直线轴承、导轨/滑块机构。

本发明的有益效果是：1、采用的该能量回馈组件可以收集系统因运动而产生的电能，经过外部电路处理，直接输入液缸活塞的引出线圈上作为磁流变阻尼器的控制电流，从而回收运动能量，实现节能的效果。2、采用的该无摩擦气缸可以提供较大的行程并且有效地实现活塞杆与前端盖之间以及活塞与气缸壁之间的零摩擦，大幅度增加系统的有效输出力、提高工作效率并节约能耗、实现高加速快响应的精密运动控制效果。同时也能通过无摩擦气缸两腔的压力控制调节系统的刚度，适应不同的负载承载要求。3、采用的该磁流变阻尼器可以快速可变的调节系统运行中的阻尼，在高度运动控制时实现迅速的定位稳定和强鲁棒抗干扰性；4、采用的带能量回馈的磁流变阻尼器和无摩擦气缸耦合的复合执行器，在具有三者各自优点的前提下，还采用了空气轴承和滑动导轨以及线性轴承等减小摩擦的装置，最大可能地减小了由于自身摩擦对于执行器的影响，可以达到较高的控制性能。

附图说明

图1是本发明能量回馈型磁流变-气浮复合执行器的整体结构示意图；

图2是气缸活塞组件的结构示意图；

图3是中间连接组件的结构示意图；

图4是中间连接组件上各个端口的位置示意图；

图5和6是中间连接组件的剖视图；

图7是带能量回馈型型磁流变阻尼器的结构示意图；

图8是本发明能量回馈型磁流变-气浮复合执行器的3/4剖面示意图；

图中，1、后端盖；2、气缸后密封环；3、气缸体；4、气缸活塞后端盖；5、活塞导向带；6、节流孔部件；7、气缸活塞缸；8、气缸活塞前端盖；9、单向阀部件；91、单向阀阀体；92、单向阀固定件；93、膜片弹簧；10、球型铰链；11、铰链座；12、气缸活塞杆；13、气缸端面缓冲垫；14、气缸前密封环；15、空气轴承；16、空气轴承密封圈；17、中间端盖；18、液缸后直线轴承；19、液缸内固定螺钉；20、磁性部件固定件；21、滑动导轨组件； 22、永磁体；23、磁极片；24、动子缸体；25、发电线圈；26、定子缸体；27、前端盖内直线轴承；28、前端盖；29、前端盖固定螺栓；30、动子缸体固定件；31、圆柱销；32、液缸活塞杆；33、铜导线；34、液压软管；35、固定件螺钉；36、液缸前端盖；37、外缸筒；38、液缸前直线轴承； 39、液缸前密封环；40、隔磁缸筒；41、液缸体；42、液缸活塞；43、阻尼器线圈；44、线圈衬套；45、液缸后密封环；46、中间端盖前固定螺柱；47、中间端盖后固定螺柱；48、后端盖固定螺栓；110、气缸活塞组件；111、无摩擦气缸；112、中间连接组件；113、液缸活塞组件；114、磁流变阻尼器；115、能量回馈组件； 116、发电定子组件；117、发电动子组件

G1、第一工作气腔；G2、第二工作气腔；G3、第一工作液腔；G4、第二工作液腔；

X1、气体节流孔；X2、气浮间隙；X3、磁流变液间隙；X4、发电工作间隙；

Y1、气缸后端口；Y2、气缸前端口；Y3、液缸后端口；Y4、第二偏心通孔；Y5、第一偏心通孔；Y6、空气轴承通气孔；Y7、铜导线引出端口。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器，它包括磁流变阻尼器114、能量回馈组件115、滑动导轨组件21、中间连接组件112和无摩擦气缸111；

所述磁流变阻尼器114、滑动导轨组件21与能量回馈组件115由内向外同轴心安装；所述无摩擦气缸111与所述磁流变阻尼器114同轴心前后侧安装；所述无摩擦气缸111、磁流变阻尼器114和能量回馈组件115通过中间连接组件112耦合为整体。

如图1所示，所述无摩擦气缸111包括后端盖1、气缸后密封环2、气缸体3、气缸活塞组件110、气缸活塞杆12、气缸端面缓冲垫13、气缸前密封环14、气缸后端口Y1。

其中，所述气缸体3是外轮廓为方形，内轮廓为圆形，两端开口的圆筒；所述气缸体3分别被所述后端盖1和中间连接组件112所封闭，形成所述无摩擦气缸的内部区域；所述无摩擦气缸的内部空腔填充压缩空气，其被气缸活塞组件110分隔成第一工作气腔G1和第二工作气腔G2；气缸活塞组件110与气缸体3同轴心安装，且气缸活塞组件110外径小于气缸体3内径，气缸活塞组件110与气缸体3之间形成气浮间隙X2，第一工作气腔G1和第二工作气腔G2通过气浮间隙X2相通；所述气腔后端口Y1开设于所述气缸后端盖1上，且与所述第一工作气腔G1相通，为气缸体3通气。

所述气缸后端盖1通过四个后端盖固定螺栓48与气缸体3末端连接。

所述气缸体3与气缸后端盖1之间通过气缸后密封环2密封，与中间连接组件112之间通过气缸前密封环14密封，防止气缸体气体的外泄漏。所述气缸体3与中间端盖17末端之间设置有气缸端面缓冲垫13，为气缸活塞组件110运动时起缓冲作用。

如图2所示，所述气缸活塞组件110位于所述气缸体3的内侧，且与气缸体3的内壁同心，包括气缸活塞后端盖4、活塞导向带5、节流孔部件6、气缸活塞缸7、气缸活塞前端盖8、单向阀部件9、球型铰链10和铰链座11。其中，

所述气缸活塞缸7为圆筒形结构，前后两侧分别与所述气缸活塞前端盖8和气缸活塞后端盖4螺纹安装；

所述活塞导向带5嵌套在气缸活塞缸7的前后圆周凹槽内，使气缸活塞缸7运动平稳；

    所述节流孔部件6是中心有节流孔X1的圆柱形部件，均匀安装于气缸活塞缸7圆周表面上至活塞内腔的通孔中。

所述单向阀组件9包括单向阀阀体91、单向阀固定件92、膜片弹簧93；所述单向阀组件9均匀分布安装在气缸活塞前端盖8和气缸活塞后端盖4上，保证气体从气缸体3向气缸活塞组件110的单向流通。

所述气缸活塞前端盖8与铰链座11之间通过球型铰链10螺纹连接。

所述气缸活塞缸7的外壁与气缸体3的内壁之间保持一定间隙，能使气缸活塞组件110浮于气缸体3的内腔体中，形成气浮效应。

所述气缸活塞杆12依次同轴的穿过液缸后直线轴承18的中心孔、空气轴承15的中心孔、第二工作气腔G2，末端与铰链座11同轴心螺纹连接，前端与液缸活塞杆32同轴心螺纹连接。

如图3-6所示，中间连接组件112由中间端盖17、空气轴承15、液缸后直线轴承18、气缸前端口Y2、液缸后端口Y3、空气轴承通气口Y6组成。其中，

所述中间端盖17中心开有阶梯孔，阶梯孔两端分别安装有空气轴承15和液缸后直线轴承18；所述空气轴承15表面安装有空气轴承密封圈16；

所述中间端盖17后端圆周上开有气缸前端口Y2和空气轴承通气孔Y6；气缸前端口Y2与气缸体内部区域的第二工作气腔G2相通，为气缸体3通气；空气轴承通气孔Y6为空气轴承15通气。所述中间端盖17前端圆周上开有液缸后端口Y3，液缸后端口Y3与阻尼器内部区域的第一工作液腔G3相通，方便对液缸体41内部的压力等信息进行监测。

所述中间端盖17的后端通过四套中间端盖后固定螺柱47固定在气缸体3的前端；所述中间端盖17的前端内圈通过液缸内固定螺钉19与隔磁缸筒40和液缸体41相固定；所述中间端盖17的前端外圈通过四套中间端盖前固定螺柱46固定在外缸筒37的右端，从而实现磁流变阻尼器的液缸体41和能量回馈组件中外缸筒37之间的固定。

如图7所示，磁流变阻尼器组件114与所述无摩擦气缸111通过中间端盖17同轴前后连接；所述磁流变阻尼器组件114包括液缸前端盖36、液缸前直线轴承38、液缸活塞组件113、液缸活塞杆32、液缸体41、隔磁缸筒40、液缸前密封环39、液缸后密封环45和第二偏心通孔Y4。其中，

所述液缸体41两端开口，分别被所述液缸前端盖36、液缸前直线轴承38和中间连接组件112所封闭，形成所述磁流变阻尼器的内部区域。所述磁流变阻尼器的内部区域填充磁流变液，其被液缸活塞组件113分隔成第一工作液腔G3和第二工作液腔G4；液缸活塞组件113与液缸体41同轴心安装，且液缸活塞组件113外径小于液缸体41内径，液缸活塞组件113和液缸体41之间形成磁流变液间隙X3，第一工作液腔G3和第二工作液腔G4之间通过磁流变液间隙X3相通；所述液缸体41的前端内壁与液缸前端盖36之间装有液缸前密封环39，后端内壁与中间端盖17之间装有液缸后密封环45，用来防止液缸体41内液体的外泄漏。

所述液缸前端盖36中心开有通孔，通孔内安装有液缸前直线轴承38，减少液缸活塞杆32在运动时的摩擦阻力；

所述隔磁缸筒40紧固的套在液缸体41的外部，且与所述液缸体41同轴心，可使磁流变阻尼器114与能量回馈组件115之间实现磁场互不干扰；所述隔磁缸筒40一端与所述液缸前端盖36压紧，另一端通过液缸内固定螺钉19与中间端盖17固定。

所述第二偏心通孔Y4开设于所述液缸前端盖36上，且与所述第二工作液腔G4相通。

所述液缸活塞杆32两侧开有单侧径向孔，中心开有引线孔；两侧的径向孔与引线孔相通；液缸活塞杆32穿过液缸活塞组件113；所述液缸活塞组件113包括液缸活塞42、阻尼器线圈43和线圈衬套44；液缸活塞42开有绕线槽，绕线槽与所述液缸活塞杆32一侧的径向通孔相通；线圈衬套44安装在液缸活塞42的绕线槽内，所述阻尼器线圈43围绕在线圈衬套44上；组成阻尼器线圈43的铜导线33穿过液缸活塞杆32的引线孔，从液缸活塞杆32另一侧的铜导线引出端口Y7伸出。

所述液缸活塞组件113包含线圈绕组；所述液缸活塞42和所述液缸体41都具有导磁特性；所述液缸活塞42的外壁与液缸体41的内壁之间保持一定间隙，形成磁流变液间隙X3，使液缸活塞42浮于液缸体41的内腔中。在复合执行器运动时，若阻尼器线圈43中通入电流，则在液缸活塞42、磁流变液间隙X3和液缸体41之间形成主磁路并产生磁场，从而在磁流变液间隙X3中产生磁流变效应。

所述液缸活塞杆32外轮廓分二段阶梯圆柱形，在外径较大段适当位置开有径向通孔，用于固定两端开口销。所述液腔活塞杆32依次穿过动子缸体固定件30的中心孔、液缸前直线轴承38的中心孔、第二工作液腔G4、液缸活塞42的中心孔、第一工作液腔G3，末端与气缸活塞杆12固定。前端与动子缸体固定件30通过两端开口圆柱销31固定。

所述气缸活塞杆12穿过第一工作液腔G3、液缸后直线轴承18的中心通孔、中间端盖17的中心通孔、空气轴承15的中心通孔、第二工作气腔G2；所述气缸活塞杆12前端与液缸活塞杆32的末端螺纹连接，后段连接铰链座11的前端，保证液缸活塞组件、气缸活塞组件、气缸活塞杆12、液缸活塞杆32四者的运动是一致的。

所述液缸活塞杆32和气缸活塞杆12的直径相同。

所述滑动导轨组件21的内圈与隔磁缸筒40的外壁安装配合，所述滑动导轨组件21的外圈与动子缸体24的内壁安装配合；所述滑动导轨组件21可以是直线轴承，也可以是导轨/滑块机构；滑动导轨组件21使复合执行器在外部激励下运动时，动子缸体24相对于所述液缸体41能光滑移动。

所述能量回馈组件115与磁流变阻尼器114同轴心安装，且位于磁流变阻尼器114的外部；所述能量回馈组件115包括发电定子组件116和发电动子组件117。

所述发电动子组件117由动子缸体固定件30、动子缸体24、永磁体22、磁极片23和磁性部件固定件20组成；动子缸体24与滑动导轨组件21固定安装，随滑动导轨组件21的移动而移动；

所述动子缸体固定件30中心开口，位于磁流变阻尼器的前部，所述动子缸体固定件30被所述液缸活塞杆32穿过，与动子缸体24通过四套固定件螺钉35紧固；

所述动子缸体固定件30上开有偏心通孔，作为第一偏心通孔Y5；所述第一偏心通孔Y5与所述第二偏心通孔Y4通过液压软管34连接起来，为液缸体41内腔通气。

所述动子缸体24外壁上交错固定永磁体22和磁极片23，每两个相邻的永磁体的极性排列相反，保证各自的磁路独立，互不干扰，永磁体/磁极片的末端通过磁性部件固定件20螺纹连接，保证永磁体和磁极片的位置相对固定。

所述发电定子组件116与发电动子组件117同轴心，且位于发电动子组件117的外部：所述发电定子组件116由前端盖28、前端盖内直线轴承27、定子缸体26、发电线圈25和外缸筒37组成；

所述外缸筒37外轮廓为方形，尺寸与气缸体3外轮廓相同，内轮廓为阶梯圆柱，便于固定定子缸体26；所述外缸筒37、发电定子组件116、发电动子组件117、滑动导轨组件21、液缸体41、液缸活塞组件113、液缸活塞杆32由外到内同轴心安装。所述外缸筒37与所述前端盖28通过前端盖固定螺栓29固定连接。

所述定子缸体26为圆筒形结构，外轮廓上开有均布的若干锯齿结构绕线槽；所述发电线圈25围绕在定子缸体26外轮廓的绕线槽内。

所述外缸筒37、定子缸体26、动子缸体24都具有导磁性；所述定子缸体26包含发电线圈绕组；所述动子缸体24上包含环形永磁体22和高导磁的磁极片23；所述定子缸体26的内壁和动子缸体24的外壁之间留有间隙，形成发电工作间隙X4。在复合执行器运动时，外缸筒37、发电动子组件117、发电定子组件116和发电工作气隙X4中形成闭合磁路，通过发电线圈25的磁通量发生变化而在线圈中产生感应电动势，从而产生可用于能量回馈的电能。

本发明的工作过程如下：

以向右运动为正向，将复合执行器的气缸后端口Y1、气缸前端口Y2与外设的高速开关阀组或伺服阀组相连接，通过开关阀组的开启/关闭控制或伺服阀组的换向/阀芯位移控制，使通入气缸体3中的气体流量发生变化。通过电流驱动器调节输入到阻尼器线圈43的励磁电流。

一方面，将空气轴承通气孔Y6接入气源压力，气体通过空气轴承通气孔Y6导入到空气轴承15内，使其处于工作状态；正向工作时，通过控制阀的作用在气缸前端口Y2通入气体、在气缸后端口Y1排出气缸体3内的气体，使与气缸后端口Y1相通的第二工作气腔G2的压力比与气缸前端口Y2相通的第一工作气腔G1的压力要大；此时，气体经气缸活塞后端盖4上的单向阀部件9进入气缸活塞缸7的内腔，致使气缸活塞缸7的内部压力升高。高压气体从节流孔部件6中心的节流孔X1中喷出，进入气缸活塞缸7和气缸体3之间的气浮间隙X2内。气缸活塞组件110在气体作用下浮起，并在两气腔压差作用下向正方向运动；气缸活塞组件110带动球型铰链10运动；球型铰链10通过铰链座11带动气缸活塞杆12运动；气缸活塞杆12带动液缸活塞杆32运动，液缸活塞杆32带动液缸活塞42和动子缸体固定件30一起运动，从而使发电动子组件117随复合执行器的活塞杆一起运动。当需要实现反方向操作时，只需通过控制阀改变充气腔和排气腔中的气体流量大小或方向即可。由于本发明中气缸活塞组件110、液缸活塞组件113都是浮于各自的腔室中，与腔室内壁之间并没有滑动接触部件，故可实现复合执行器活塞杆相对缸体无摩擦的运动，大大提高了执行器的有效输出力，有利于实现高加速高动态的运动。同时，通过控制阀改变两腔的压力，可有效地改变复合执行器的系统刚度，以适应不同的应用要求。

另一方面，在阻尼器线圈43中通入直流电流，运动时液缸体41内的磁流变液由牛顿流体状态转化为半固体状态，产生屈服应力，在液缸活塞42的两端产生相应的压力差（该压力差的大小与输入到阻尼器线圈43中的电流大小有关），通过液缸活塞杆32输出表现为阻尼力，并且宏观表现为，阻尼力随着外部激励的变化而变化。

在复合执行器运动的同时，液缸活塞杆32带动动子缸体24运动，动子缸体24上的永磁体22、磁极片23和磁性部件固定件20也随之运动；定子缸体26及其上的发电线圈25、外缸筒37和中间端盖17固定连接，从而使永磁体22、磁极片23和磁性部件固定件20与定子缸体26及其上的发电线圈25产生相对位移，在发电线圈25中会产生感应电流，将感应电流通过电路转换变成电压。此电压接入阻尼器线圈43的铜导线两端和气腔的控制阀驱动电路两端，从而将运动能量回馈至驱动电源，实现节能效果。

Claims (3)

1.一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器，其特征在于，包括磁流变阻尼器（114）、能量回馈组件（115）、滑动导轨组件（21）、中间连接组件（112）、无摩擦气缸（111）等；所述磁流变阻尼器（114）、滑动导轨组件（21）与能量回馈组件（115）由内向外同轴心安装；所述无摩擦气缸（111）与磁流变阻尼器（114）和能量回馈组件（115）通过中间连接组件（112）耦合为整体；

所述中间连接组件（112）由中间端盖（17）、空气轴承（15）、液缸后直线轴承（18）、气缸前端口（Y2）、液缸后端口（Y3）、空气轴承通气口（Y6）组成；

其中，所述中间端盖（17）中心开有开有阶梯孔，阶梯孔两端分别安装有空气轴承（15）和液缸后直线轴承（18）；所述空气轴承（15）表面安装有空气轴承密封圈（16）；所述中间端盖（17）的一侧圆周上开有气缸前端口（Y2）和空气轴承通气孔（Y6），空气轴承通气孔（Y6）与空气轴承（15）相通；

所述无摩擦气缸（111）包括后端盖（1）、气缸后密封环（2）、气缸体（3）、气缸活塞组件（110）、气缸活塞杆（12）、气缸端面缓冲垫（13）、气缸前密封环（14）、气缸后端口（Y1）；

其中，所述气缸体（3）两端开口，分别被所述后端盖（1）和所述中间连接组件（112）所封闭，形成无摩擦气缸（111）的内部区域；所述无摩擦气缸（111）的内部区域填充压缩空气，被气缸活塞组件（110）分隔成第一工作气腔（G1）和第二工作气腔（G2）；气缸活塞组件（110）与气缸体（3）同轴心安装，且气缸活塞组件（110）外径小于气缸体（3）内径，气缸活塞组件（110）与气缸体（3）之间形成气浮间隙（X2），第一工作气腔（G1）和第二工作气腔（G2）通过气浮间隙（X2）相通；气腔后端口（Y1）开设于所述后端盖（1）上，且与所述第一工作气腔（G1）相通；第二工作气腔（G2）与所述气缸前端口（Y2）相通；所述后端盖（1）通过四个后端盖固定螺栓（48）与气缸体（3）末端连接；所述气缸体（3）与后端盖（1）之间安装有气缸后密封环（2）；所述气缸体（3）与中间端盖（17）之间安装有气缸前密封环（14）；所述气缸体（3）与中间端盖（17）末端之间安装有气缸端面缓冲垫（13）；

所述气缸活塞组件（110）包括气缸活塞后端盖（4）、活塞导向带（5）、节流孔部件（6）、气缸活塞缸（7）、气缸活塞前端盖（8）、单向阀部件（9）、球型铰链（10）和铰链座（11）；所述气缸活塞前端盖（8）和所述气缸活塞后端盖（4）分别安装在所述气缸活塞缸（7）的前后两侧；气缸活塞缸（7）的侧面上前部和后部均开有环形凹槽，所述活塞导向带（5）嵌套在所述环形凹槽内；所述气缸活塞缸（7）圆周表面均匀分布有从表面直至活塞内腔的通孔，节流孔部件（6）安装在所述通孔内，所述节流孔部件（6）中心开有节流孔（X1）；所述单向阀部件（9）包括单向阀阀体（91）、单向阀固定件（92）、膜片弹簧（93）；所述单向阀部件（9）均匀分布安装在气缸活塞前端盖（8）和气缸活塞后端盖（4）上；所述气缸活塞前端盖（8）与铰链座（11）之间通过球型铰链（10）连接；

所述磁流变阻尼器（114）包括液缸前端盖（36）、液缸前直线轴承（38）、液缸活塞杆（32）、液缸活塞组件（113）、液缸体（41）、隔磁缸筒（40）、液缸前密封环（39）、液缸后密封环（45）；其中，

所述液缸体（41）两端开口，一端与液缸前端盖（36）通过螺纹相连，另一端与中间连接组件（112）通过液缸内固定螺钉（19）相连，液缸体（41）与所述液缸前端盖（36）之间安装有密封圈（39），液缸体（41）与中间连接组件（112）之间安装有密封圈（45）；所述液缸前端盖（36）中心开有通孔，液缸前直线轴承（38）安装在所述通孔内；所述液缸体（41）内部填充磁流变液，被液缸活塞组件（113）将液缸体（41）分隔成第一工作液腔（G3）和第二工作液腔（G4）；液缸活塞组件（113）与液缸体（41）同轴心安装，且液缸活塞组件（113）外径小于液缸体（41）内径，液缸活塞组件（113）和液缸体（41）之间形成磁流变液间隙（X3），第一工作液腔（G3）和第二工作液腔（G4）之间通过磁流变液间隙（X3）相通；所述隔磁缸筒（40）同轴安装在液缸体（41）的外部；

所述液缸活塞杆（32）两侧开有径向孔，中心开有引线孔；两侧的径向通孔与引线孔相通；液缸活塞杆（32）穿过液缸活塞组件（113）；所述液缸活塞组件（113）包括液缸活塞（42）、阻尼器线圈（43）和线圈衬套（44）；液缸活塞（42）开有绕线槽，绕线槽与所述液缸活塞杆（32）一侧的径向通孔相通；线圈衬套（44）安装在液缸活塞（42）的绕线槽内，所述阻尼器线圈（43）围绕在线圈衬套（44）上；组成阻尼器线圈（43）的铜导线（33）穿过液缸活塞杆（32）的引线孔，从液缸活塞杆（32）另一侧的铜导线引出端口（Y7）伸出；

所述能量回馈组件（115）包括发电定子组件（116）和发电动子组件（117），发电动子组件（117）与发电定子组件（116）由外向内同轴安装；

其中，所述发电定子组件（116）由定子缸体（26）、发电线圈（25）、外缸筒（37）、前端盖（28）、前端盖内直线轴承（27）组成；所述定子缸体（26）为圆筒形结构，外轮廓上开有均布的若干绕线槽；所述发电线圈（25）围绕在定子缸体（26）外轮廓的绕线槽内；所述外缸筒（37）与定子缸体（26）同轴安装，所述外缸筒（37）外轮廓为方形，内轮廓为阶梯圆柱，外缸筒（37）的前端与所述前端盖（28）通过四套前端盖固定螺栓（29）连接，后端与中间连接组件（112）固定连接；所述前端盖（28）中心开有通孔，前端盖内直线轴承（27）安装在所述通孔内；

所述发电动子组件（117）由动子缸体固定件（30）、动子缸体（24）、永磁体（22）、磁极片（23）和磁性部件固定件（20）组成；所述动子缸体固定件（30）与所述动子缸体（24）通过四套固定件螺钉（35）紧固；所述动子缸体（24）内壁套在滑动导轨组件（21）的外圈上；所述动子缸体（24）外壁为阶梯圆柱状，末端交错固定永磁体（22）和磁极片（23），每两个相邻的永磁体的极性排列相反，永磁体（22）或磁极片（23）的末端通过磁性部件固定件（20）与动子缸体（24）螺纹固定；所述永磁体（22）和磁极片（23）的外径小于定子缸体（26）内径，永磁体（22）和磁极片（23）与定子缸体（26）之间形成发电工作间隙（X4）；

所述液缸活塞杆（32）外轮廓分二段阶梯圆柱形，在外径较大段适当位置开有径向通孔；所述液缸活塞杆（32）依次穿过动子缸体固定件（30）的中心孔、液缸前直线轴承（38）的中心孔、第二工作液腔（G4）、液缸活塞（42）的中心孔、第一工作液腔（G3），末端与气缸活塞杆（12）螺纹固定；液缸活塞杆（32）前端与动子缸体固定件（30）通过两端开口的圆柱销（31）固定；

所述气缸活塞杆（12）穿过第一工作液腔（G3）、液缸后线性轴承（18）的中心通孔、空气轴承（15）的中心通孔、第二工作气腔（G2）；所述气缸活塞杆（12）前端连接液缸活塞杆（32）的末端，后段连接铰链座（11）的前端；

动子缸体固定件（30）开有第一偏心通孔（Y5），液缸前端盖（36）上开有第二偏心通孔（Y4），两个通孔之间使用液压软管（34）相连，第二偏心通孔（Y4）与所述第二工作液腔（G4）相通。

2.根据权利要求1所述的一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器，其特征在于，气缸活塞杆（12）与液缸活塞杆（32）的直径一致。

3.根据权利要求1所述的一种能量回馈型磁流变-气浮复合执行器，其特征在于，滑动导轨组件（21）选自直线轴承、导轨/滑块机构。