CN105156555B - 一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法，该方法采用轴对称设计，且转轴位于工作腔的部分设计为栅栏结构，利用栅栏结构速度的变化改变剪切增稠流体所承受的剪切力大小，进而影响流体的粘度，从而调整该装置的阻尼力大小；将传统的直线设计更改为轴对称旋转轴设计，不仅能够消除轴向与轴向的抖动和振动，还能保证装备的快速启动，从而提高了工作效率；本发明在转轴出现振动和抖动的情况下，能够产生大的阻尼力，达到减振的目的；在平稳运转情况下，保持较小的阻尼力，使得机构能够高速运动。因此，能够有效地解决减振过程中所需的大阻尼力与运动过程中所需的小阻力这对矛盾问题。

Description

一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法
技术领域
本发明涉及一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法。
背景技术
冲击与振动在工业生产中普遍存在，严重影响精密装备与机器人的定位、夹持与运转，严重时甚至会造成装备与机器人本身的破坏。在航天航空、汽车、机器人、加工装备等行业中早已应用各种各样的阻尼器来减振，阻尼器已成为现代工业中必不可少的一种关键功能部件。
由于最近几年机器人特别是轻载高速的3C机器人等的高速发展，对阻尼器提出了新的要求。在3C机器人中，大量采用轴向旋转机构来模拟实现人体手臂所能够执行的复杂运动。由于负载小，当机械臂大范围转动时，机器人的整体重心和惯性将发生重大改变，极易导致机器人手臂出现抖动，从而影响操作精度。且这类机器人具有高频往复工作的特点，要求阻尼器对机器人启动速度的影响尽可能小。
粘滞液体阻尼器是一种常用的减振装置。其粘滞介质一般为牛顿流体，即其粘度在任何情况下均为恒值。因此，一旦其结构尺寸设计完成后，其阻尼力和刚度等输出特性就限定为恒值。大的阻尼力在需要减速时可以快速地抑制振动，但是在运转过程中就会成为阻力，严重制约装备和机器人的运动速度。传统的弹簧减振阻尼器也存在同样的问题。减振过程中所需的大阻尼力与运动过程中所需的低阻力是这类恒定阻尼减振装置中不可调和的矛盾，亟需研发智能减振新方法与装置。
新型的主动或半主动智能材料如电流变液、磁流变液也被应用于减振中。在外部电场或磁场的控制下，阻尼力可以改变，因此能够适应不同的情况。但其需要附加的电场或磁场装置及控制模块，导致设备结构复杂、控制困难。
剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid,STF)是一种新型智能材料。在常态下，剪切增稠流体粘度低，阻尼力小；一旦遇到高速冲击、剪切或挤压，流体粘度迅速增加，使得阻尼力急剧增加。当外力激励消失后，流体又会恢复到它最初的低粘度状态。由于具有这种特殊的特性，剪切增稠流体目前广泛应用于防弹衣中。也有将其利用在阻尼器中，如发明专利CN101251163B提出了一种基于剪切增稠流体的抗冲击减振器，解决现有采用液压油的减震器减振和恢复不够理想的问题。这类型机构利用高速运动的活塞与腔体之间的间隙使得流体受到较大的剪切作用，使得流体增稠、阻尼力变大，并同时综合利用底部气体的可压缩性来缓冲冲击与振动。但是，这类阻尼器只能适用于传统高速直线运动执行机构的减振，不适用于当前飞速发展的3C机器人中广泛需求的旋转执行机构的减振。由于3C机器人刚刚起步，目前还没有基于剪切增稠流体的、阻尼力智能可调的旋转阻尼装置方面的相关文献与专利。
发明内容
本发明提出了一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法，利用转轴速度变化引起的剪切增稠流体剪切速率的改变来调节工作腔内流体的粘度及产生的阻尼力，进而改变机构运转时的阻力，达到智能减振的目。
一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法，采用一种阻尼力智能可调的阻尼装置，该装置包括工作腔(1)、左端盖(3)、左密封盖(4)、左导向轮(5)、右端盖(6)、右密封盖(8)、右导向轮(9)及转轴(10)，工作腔内充满剪切增稠流体(11)；
所述转轴(10)穿插在工作腔(1)内，且位于工作腔内的转轴部分为栅栏结构，并由固定在工作腔两端的左导向轮(5)和右导向轮(9)导向；
工作腔两端分别设有用于装配的左密封盖(4)和右端盖(6)；
转轴(10)两端与左端盖和右端盖之间分别设有左密封盖(4)和右密封盖(8)；
转轴(10)一端外接电机，由电机驱动；另一端连接执行部件；
在转轴的不同工况下，通过转轴的栅栏结构，改变对剪切增稠流体产生的剪切力大小，实现阻尼力智能可调。
具体工作过程如下：
转轴平稳转动时，剪切增稠流体在转轴上对称分布的栅栏中流动，转轴对剪切增稠流体产生的剪切力较小，使得剪切增稠流体处于初始低粘度状态，形成较小的阻尼力；
剪切增稠流体反向施加给转动轴的阻尼力小，不会增加转动轴运转的阻力，能够保证装备快速启动。
转轴在高速运转过程中出现振动与抖动时，转轴的轴向振动与抖动通过栅栏结构之间的间隙增大对剪切增稠流体的剪切作用，使得剪切增稠流体急剧变稠；转轴的轴向振动与抖动则通过栅栏结构的横截面对剪切增稠流体挤压，使得剪切增稠流体急剧变稠；急剧变稠的剪切增稠流体使得转轴受到的阻尼力急剧增加。
迅速变稠的流体旋转轴运动的阻尼力急剧增加，即转轴在振动与抖动的反方向受到流体施加的阻力，从而实现减振。
当转动轴的振动与抖动消失后，剪切增稠流体又恢复到它最初低粘度状态，使得转动轴运转的阻力减小，保证转动轴能够高速执行后续的动作。
所述左密封盖和右密封盖内侧分别设有左密封圈(2)和右密封圈(7)。
防止剪切增稠流体流出。
所述位于工作腔内的转轴部分为栅栏结构在轴向上呈对称分布。
由于栅栏的形状在轴向上对称，因此能够使得转轴在轴向受力均匀，避免轴向转动。
有益效果
本发明提出了一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法，该方法采用轴向转轴，且转轴位于工作腔的部分设置为栅栏结构，利用栅栏结构改变对剪切增稠流体的剪切力大小，从而调整改装置产生的阻尼力大小；与发明专利CN101251163B中所描述的装置相比，发明专利CN101251163B中传动轴上活塞与流体的接触面积始终恒定，导致活塞与腔体之间的缝隙也恒定，流体始终只能从活塞与腔体之间的恒定的缝隙中流动，增加了执行轴运动的阻力，使得装备的启动速度受限。而本装置将传统的直线设计更改为转轴设计，不仅能够消除径向与轴向的抖动和振动，还能保证装备的快速启动，从而提高了执行效率。
与牛顿粘滞液体阻尼器和弹簧减振阻尼器相比，本发明提出的减振装置的阻尼力在整个过程中不会维持恒定的阻尼力，不需要增加控制模块与人工干预，能够根据转动轴的抖动与振动情况自动调节阻尼力，能达到智能有需减振的目的。
本发明所述方法在转轴出现振动和抖动的情况下，产生大的阻尼力，达到减振的目的；在平稳运转情况下，保持较小的阻尼力，使得机构能够高速运动。因此，能够有效地解决减振过程中所需的大阻尼力与运动过程中所需的小阻力这对矛盾的问题。
此外，与磁流变液、电流变液减振装置相比，本发明提出的减振装置中不需要额外的电场或磁场装置和控制模块，结构简单、尺寸小、成本低，能够广泛应用于各类装备中。
附图说明
图1本发明的所采用的装置结构示意图；
图2本发明的装置结构减振效果图；
标号说明：1-工作腔，2-左密封圈，3-左端盖，4-左密封盖，5-左导向轮，6-右端盖，7-右密封圈，8-右密封盖，9-右导向轮，10-转轴，11-剪切增稠流体。
具体实施方式
以下将结合附图，对具体实施方式对本发明做进一步的说明：
一种基于旋转阻尼装置的阻尼力智能调整方法，采用一种阻尼力智能可调的旋转阻尼装置，如图1所示，该装置包括工作腔(1)、左端盖(3)、左密封盖(4)、左导向轮(5)、右端盖(6)、右密封盖(8)、右导向轮(9)及转轴(10)，工作腔内充满剪切增稠流体(11)；
所述转轴(10)穿插在工作腔(1)内，且位于工作腔内的转轴部分为栅栏结构，并由固定在工作腔两端的左导向轮(5)和右导向轮(9)导向；
工作腔两端分别设有用于装配的左密封盖(4)和右端盖(6)；
转轴(10)两端与左端盖和右端盖之间分别设有左密封盖(4)和右密封盖(8)；
转轴(10)一端外接电机，由电机驱动；另一端连接执行部件；
在转轴的不同工况下，通过转轴的栅栏结构，改变对剪切增稠流体产生的剪切力大小，实现阻尼力智能可调。
具体过程如下：
转轴平稳转动时，剪切增稠流体在转轴上对称分布的栅栏中流动，转轴对剪切增稠流体产生的剪切力较小，使得剪切增稠流体处于初始低粘度状态，形成较小的阻尼力；
剪切增稠流体反向施加给转动轴的阻尼力小，不会增加转动轴运转的阻力，能够保证装备快速启动。
转轴在高速运转过程中出现振动与抖动时，转轴的轴向振动与抖动通过栅栏结构之间的间隙增大对剪切增稠流体的剪切作用，使得剪切增稠流体急剧变稠；转轴的轴向振动与抖动则通过栅栏结构的横截面对剪切增稠流体挤压，使得剪切增稠流体急剧变稠；急剧变稠的剪切增稠流体使得转轴受到的阻尼力急剧增加。
迅速变稠的流体旋转轴运动的阻尼力急剧增加，即转轴在振动与抖动的反方向受到流体施加的阻力，从而实现减振。
当转动轴的振动与抖动消失后，剪切增稠流体又恢复到它最初低粘度状态，使得转动轴运转的阻力减小，保证转动轴能够高速执行后续的动作。
所述左密封盖和右密封盖内侧分别设有左密封圈(2)和右密封圈(7)。
防止剪切增稠流体流出。
所述位于工作腔内的转轴部分为栅栏结构在轴向上呈对称分布。
由于栅栏的形状在轴向上对称，因此能够使得转轴在轴向受力均匀，避免轴向转动。
如图2所示，为本发明的一种基于旋转阻尼装置的阻尼力智能调整方法的减振效果图。当给减振装置转轴(10)施加振幅为0.5mm的随机振动，测得执行部件的运动情况如图2所示。从图中可以看到，执行部件的振动与抖动幅度明显减小，能够保持平稳的运转。

Claims (3)

1.一种阻尼装置中阻尼力的智能调整方法，其特征在于，采用一种阻尼力智能可调的阻尼装置，该阻尼装置包括工作腔(1)、左端盖(3)、左密封盖(4)、左导向轮(5)、右端盖(6)、右密封盖(8)、右导向轮(9)及转轴(10)，工作腔内充满剪切增稠流体(11)；
所述转轴(10)穿插在工作腔(1)内，且位于工作腔内的转轴部分为栅栏结构，并由固定在工作腔两端的左导向轮(5)和右导向轮(9)导向；
工作腔两端分别设有用于装配的左密封盖(4)和右端盖(6)；
转轴(10)两端与左端盖和右端盖之间分别设有左密封盖(4)和右密封盖(8)；
转轴(10)一端外接电机，由电机驱动；另一端连接执行部件；
在转轴的不同工况下，通过转轴的栅栏结构，改变对剪切增稠流体产生的剪切力大小，实现阻尼力智能可调；
具体过程如下：
转轴平稳转动时，剪切增稠流体在转轴上对称分布的栅栏中流动，转轴对剪切增稠流体产生的剪切力较小，使得剪切增稠流体处于初始低粘度状态，形成较小的阻尼力；
转轴在高速运转过程中出现振动与抖动时，转轴的轴向振动与抖动通过栅栏结构之间的间隙增大对剪切增稠流体的剪切作用，使得剪切增稠流体急剧变稠；转轴的轴向振动与抖动则通过栅栏结构的横截面对剪切增稠流体挤压，使得剪切增稠流体急剧变稠；急剧变稠的剪切增稠流体使得转轴受到的阻尼力急剧增加。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述左密封盖和右密封盖内侧分别设有左密封圈(2)和右密封圈(7)。
3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，所述位于工作腔内的转轴部分为栅栏结构在轴向上呈对称分布。
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