CN105162355A - 利用功能材料复合作用的非接触驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，包括非接触驱动构件，位移驱动系统，传感器系统以及控制系统；所述位移驱动系统上设置非接触驱动构件，非接触驱动构件之间设置传感器系统；所述非接触驱动构件和传感器系统分别与控制系统信号连接。

Description

利用功能材料复合作用的非接触驱动装置及方法

技术领域

本发明涉及非接触驱动领域，尤其涉及一种利用功能材料复合作用的非接触驱动装置。

背景技术

非接触驱动可以避免物体的表面力对操作过程的干扰，适用于微操作和精密制造技术环节；可以避免摩擦产生的粘滑运动，从而提高分辨率和运动精度；可以对不适于机械接触夹持的部件进行操作，比如易碎物，易变形的物体；可适用于表面敏感性物体以及表面具有微结构等物体的操纵，从而避免了对具有表面敏感特性器件的擦伤或出现划痕；避免末端执行器带来的污染；没有摩擦和损耗，不会产生颗粒和灰尘污染环境，适用于洁净的工作环境；避免互相接触带来的噪声。

当前，实现非接触驱动的物理方法有很多，非接触驱动的发展极为迅速，如磁悬浮驱动、静电悬浮驱动、光悬浮驱动、气动悬浮驱动、声悬浮驱动等。以上的这些方法，实现非接触驱动目前主要是利用单一的物理方法实现，大多消耗能量较多，支撑力大小不易调节，且使用环境较苛刻。

国内目前也有一系列的关于非接触驱动的专利，如中国实用新型ZL200920011045.3的说明书中提出了一种磁结合直线旋转驱动器，该实用新型采用在外管内、外分别安装磁块来实现之间的相互传动；还有一篇中国发明专利ZL201010252273.7的说明书中提出了一种用于加速器中法拉第筒的非接触驱动方法，该发明专利通过外部的磁环快速的带动磁柱上下运动，得到了用于加速器中法拉第筒等快速往复运动装置的非接触驱动方法。但是目前公开的以上专利文献和文章，均只适用于单一条件下固定对象的非接触驱动，耗能比较高且不易于控制，磁极之间的面面耦合也容易出现脱耦现象。

本发明所述的一种利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，克服了现有技术中的不足，提供了一种低功耗、操作简单，调整方便，适用范围广和响应快速的非接触驱动装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，包括非接触驱动构件，位移驱动系统，传感器系统以及控制系统；所述位移驱动系统上设置非接触驱动构件，非接触驱动构件之间设置传感器系统；所述非接触驱动构件和传感器系统分别与控制系统信号连接。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置的改进：所述位移驱动系统包括工字形支架和悬浮体；所述非接触驱动构件包括发力端和受力端；所述工字形支架的上横梁上、下侧面的左、右侧分别设置受力端；所述工字形支架竖梁顶端设置发力端；相对于上横梁的受力端和竖梁顶端的发力端，在悬浮体上相对位置分别设置发力端和受力端。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置的进一步改进：所述上横梁上、下侧面的受力端一一对应；所述上横梁左、右端的受力端均为水平布置；所述竖梁顶端的发力端设置为水平方向呈45度角倾斜向上；所述受力端和与其一一对应的发力端均设置为相互平行。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置的进一步改进：所述竖梁顶端的发力端纵向阵列布置；所述竖梁顶端的发力端的数量至少为两个；所述工字形支架的上横梁上、下侧面的左、右侧受力端长度与与其对应的发力端长度比与竖梁顶端发力端与受力端的数量比成正比。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置的进一步改进：所述发力端包括相互平行的超磁致伸缩薄片和永磁铁；所述超磁致伸缩薄片和永磁铁的左、右两端均通过夹紧机构夹紧；所述超磁致伸缩薄片的正、反两面分别设置有压电陶瓷薄片；所述超磁致伸缩薄片易极化轴与压电陶瓷薄片的伸缩方向相一致；所述正、反两面的压电陶瓷薄片上分别设置有电极。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置的进一步改进：所述控制系统包括信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器以及驱动电源；所述传感器系统经信号放大器依次与信号综合分析控制器和计算机相连接，所述计算机依次通过信号发生器、功率放大器与电极相连接；所述传感器系统包括上横梁上、下侧面左、右侧的受力端与相应发力端之间与竖梁顶端的发力端与对应的受力端之间设置的位移传感器；所述驱动电源提供电源。

利用功能材料复合作用的非接触驱动方法：所述上横梁上侧面的受力端对应于悬浮体的发力端施加向下的拉力F₄，所述上横梁下侧面的受力端对应于悬浮体的另外发力端施加向上的拉力F₅；通过对应的电极调整，使得F₄＝F₅+G；所述G为悬浮体产生的垂直向下重力；所述竖梁顶端的发力端产生垂直于45度斜面的推力F，该推力F在45度斜面上分解为向下的拉力F₂和水平的拉力F₁；通过调节向下的拉力F₄，使得此时F₄＝F₂+F₅+G；此时，由水平的拉力F₁驱动悬浮体水平位移。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动方法的改进：所述拉力F₄、拉力F₅、推力F的施加步骤如下：所述夹紧机构、磁致伸缩薄片、永磁铁之间形成回路a；所述夹紧机构、永磁铁、气隙、受力端之间形成回路b；通过改变回路a的磁通量大小，改变回路b的磁通量大小，继而使得气隙的大小发生变化；所述气隙为夹紧机构与受力端之间形成的空间。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动方法的进一步改进：所述回路a的磁通量大小通过如下的方法改变；通过电极输入电压，压电陶瓷薄片形变，带动超磁致伸缩薄片产生应力，继而使得超磁致伸缩薄片的磁化强度发生改变。

作为本发明所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动方法的进一步改进：水平的拉力F₁带动悬浮体水平位移，受力端向预定方向发生位移，当受力端与第二块发力端有相对面积接触时，第二块发力端通电，对受力端发生作用，第一块发力端断电。

本发明适用于非接触驱动的实验与应用研究，尤其是基于超磁致伸缩材料与压电陶瓷材料相耦合的非接触驱动。它具有操作简单，调整方便，适用范围广，可以根据需要测量不同大小的输出力对位移的作用影响，可灵活应用于不同尺寸的悬浮构件，从而达到非接触驱动和装配的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的主要结构示意图；

图2是图1中非接触驱动构件1的主要结构示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图2给出了一种利用功能材料复合作用的非接触驱动装置及方法。

该利用功能材料复合作用的非接触驱动装置包括非接触驱动构件1，位移驱动系统2，传感器系统以及控制系统。

控制系统包括信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器以及驱动电源；计算机分别与信号综合分析控制器、信号发生器相连接，信号放大器与信号综合分析控制器相连接，信号发生器与功率放大器相连接。而驱动电源提供所有的电源。传感器系统为位移传感器，该位移传感器提供位移驱动系统2的移动数据；该位移传感器与信号放大器相连接，并通过信号综合分析控制器进行信号的模数转换，并由计算机进行最终的数据处理，而处理后的数据通过信号发生器进行数模转换，并通过信号放大器与非接触驱动构件1进行信号的传递，而使用过程中的电源由驱动电源提供。

本发明中，其位移驱动系统2包括工字形支架21和悬浮体22；非接触驱动构件1包括发力端11和受力端12。

该发力端11包括相互平行的超磁致伸缩薄片111和永磁铁112；该超磁致伸缩薄片111和永磁铁112的左、右两端均通过夹紧机构113夹紧(夹紧机构113分为左部跟右部，通过左部跟右部分别将超磁致伸缩薄片111和永磁铁112夹紧，而从而在超磁致伸缩薄片111左部、永磁铁112和右部之间形成磁通回路)；而该超磁致伸缩薄片111的上、下两面分别设置有压电陶瓷薄片114，超磁致伸缩薄片111易极化轴与压电陶瓷薄片114的伸缩方向按一定要求粘合成一体，压电陶瓷薄片114通电时使超磁致伸缩薄片111产生应力，将导致超磁致伸缩薄片111内的磁化强度发生改变(逆磁致效应)。该正、反两面的压电陶瓷薄片114上分别设置有电极115，该电极115与驱动电源连接，通过信号放大器导入对应的电压进行控制。

而在工字形支架21上，其上横梁211上、下面上、下侧面分别设置受力端12(如图2所示，分别为其上的作用点Ⅰ31、作用点Ⅱ32、作用点Ⅲ33、作用点Ⅳ34设置受力端12)；工字形支架21竖梁212顶端设置发力端11(如图1所示，为其上的作用点Ⅴ35设置发力端11)；相对于上横梁211的受力端12和竖梁212顶端的发力端11，在悬浮体22上相对位置分别设置发力端11(如图1所示，分别为其上的作用点Ⅵ36、作用点Ⅶ37、作用点Ⅷ38、作用点Ⅸ39设置发力端11)和受力端12(如图1所示，在其上的作用点Ⅹ40设置受力端12)。以上所述的作用点Ⅰ31、作用点Ⅲ33和作用点Ⅱ32、作用点Ⅳ34均在同一中轴线上，所以该位置施加的作用力可以相互抵消。而在作用点Ⅰ31、作用点Ⅲ33和作用点Ⅱ32、作用点Ⅳ34位置设置的受力端12均为水平布置，相对应的，在作用点Ⅵ36、作用点Ⅶ37、作用点Ⅷ38、作用点Ⅸ39位置布置的发力端11与受力端12保持平行状态，而作用点Ⅴ35位置设置的发力端11呈水平45度角，该作用点Ⅹ40设置的受力端12与该水平45度角保持相应平行状态，这种状态在发力端11与受力端12之间形成作用力的时候，通过45度进行作用力分解后，可以形成相应的水平推力，最终实现水平方向的位移。

作用点Ⅴ35设置的发力端11纵向阵列布置，数量至少为两个(作用点Ⅹ40设置的受力端12数量只保持一个)，本实施例中，如图1所示，其数量为3个(数量越多，调节的水平位移越大)；而对应的，作用点Ⅰ31、作用点Ⅱ32、作用点Ⅲ33、作用点Ⅳ34的受力端12与作用点Ⅵ36、作用点Ⅶ37、作用点Ⅷ38、作用点Ⅸ39的发力端11之间的长度比与作用点Ⅴ35的发力端11跟作用点Ⅹ40的受力端12数量之比形成正比，即作用点Ⅴ35的发力端11数量为3个，则作用点Ⅰ31、作用点Ⅱ32、作用点Ⅲ33、作用点Ⅳ34的受力端12长度为作用点Ⅵ36、作用点Ⅶ37、作用点Ⅷ38、作用点Ⅸ39的发力端11长度的3倍。

以上所述的位移传感器分别设置在所有受力端12和发力端11之间用于检测受力端与发力端的相对位移量(具体的为作用点Ⅵ36、作用点Ⅶ37、作用点Ⅷ38、作用点Ⅸ39的发力端11和作用点Ⅹ40的受力端12)，持续的检测受力端12和发力端11之间形成的空隙长度，并将信号发送到计算机处理，而计算机通过该信号进行相应的数据输出，并通过电极115进行具体的控制。

本发明的具体使用步骤如下：

1、作用点Ⅰ31、作用点Ⅱ32的受力端12分别给作用点Ⅵ36、作用点Ⅶ37的发力端11施加向下的拉力，总称为F₄；

作用点Ⅲ33、作用点Ⅳ34的受力端12分别给作用点Ⅷ38、作用点Ⅸ39的发力端11施加向上的拉力，总称为F₅；

悬浮体22自身产生向下的重力G；

此时，F₄＝F₅+G；

2、作用点Ⅴ35的发力端11与作用点Ⅹ40的受力端12之间产生垂直于45度斜面(作用点Ⅴ35呈水平45度角，作用点Ⅹ40呈水平45度角，与作用点Ⅴ35保持相应平行状态)的推力F，该推力F在45度斜面上分解为向下的拉力F₂和水平的拉力F₁；

此时，由于产生了向下的拉力F₂，所以破坏了F₄＝F₅+G所产生的平衡，则悬浮体22产生向下运动的趋势，此时，作用点Ⅰ31、作用点Ⅱ32、作用点Ⅲ33、作用点Ⅳ34的受力端12中的位移传感器产生信息A反馈给计算机，通过计算机反馈命令B给相应的电极115,以控制相应电极115上的电压大小，使F₄增加F₂，使得F₄＝F₂+F₅+G；因而，工字形支架21和悬浮体22在纵向保持相对位置不变，而此时，由于存在水平的拉力F₁，因而，该悬浮体22在拉力F₁的作用下做相对的水平位移；

3、水平的拉力F₁带动悬浮体22水平位移，作用点Ⅹ40的受力端12向预定方向发生位移，当作用点Ⅹ40的受力端12与作用点Ⅴ35的第二块发力端11有相对面积接触时，相应的位移传感器产生信息C反馈给计算机，通过计算机反馈命令D给相应的电极115，以控制相应电极115上的电压大小,第二块发力端11通电，对受力端12发生作用，第一块发力端11断电。

发力端11施加拉力F₄、拉力F₅、推力F的步骤如下：

夹紧机构113、磁致伸缩薄片111、永磁铁112之间形成回路a；

夹紧机构113、永磁铁112、气隙、受力端12之间形成回路b；

通过改变回路a的磁通量大小，改变回路b的磁通量大小，继而使得气隙的大小发生变化；

所述气隙为夹紧机构113与受力端12之间形成的空间。

回路a的磁通量大小通过如下的方法改变；

通过电极115输入电压，压电陶瓷薄片114形变，带动超磁致伸缩薄片111产生应力，继而使得超磁致伸缩薄片111的磁化强度发生改变。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，包括非接触驱动构件，位移驱动系统，传感器系统以及控制系统；其特征在于：所述位移驱动系统上设置非接触驱动构件，非接触驱动构件之间设置传感器系统；

所述非接触驱动构件和传感器系统分别与控制系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，其特征是：所述位移驱动系统包括工字形支架(21)和悬浮体(22)；

所述非接触驱动构件包括发力端(11)和受力端(12)；

所述工字形支架(21)中上横梁(211)的上、下侧面的左、右侧分别设置受力端(12)；

所述工字形支架(21)中竖梁(212)的顶端设置发力端(11)；

相对于上横梁(211)的受力端(12)和竖梁(212)顶端的发力端(11)，在悬浮体(22)上相对位置分别设置发力端(11)和受力端(12)。

3.根据权利要求2所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，其特征是：所述上横梁(211)上、下侧面的受力端(12)一一对应；

所述上横梁(211)左、右端的受力端(12)均为水平布置；

所述竖梁(212)顶端的发力端(11)设置为水平方向呈45度角倾斜向上；

所述受力端(12)和与其一一对应的发力端(11)均设置为相互平行。

4.根据权利要求3所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，其特征是：所述竖梁(212)顶端的发力端(11)纵向阵列布置；

所述竖梁(212)顶端的发力端(11)的数量至少为两个；

所述工字形支架(21)中上横梁(211)上、下侧面的左、右侧受力端(12)长度与与其对应的发力端(11)长度比与竖梁(212)顶端发力端(11)与受力端(12)的数量比成正比。

5.根据权利要求4所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，其特征是：所述发力端(11)包括相互平行的超磁致伸缩薄片(111)和永磁铁(112)；

所述超磁致伸缩薄片(111)和永磁铁(112)的左、右两端均通过夹紧机构(113)夹紧；

所述超磁致伸缩薄片(111)的正、反两面分别设置有压电陶瓷薄片(114)；所述超磁致伸缩薄片(111)易极化轴与压电陶瓷薄片(114)的伸缩方向相一致；

所述正、反两面的压电陶瓷薄片(114)上分别设置有电极(115)。

6.根据权利要求5所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动装置，其特征是：所述控制系统包括信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器以及驱动电源；

所述传感器系统经信号放大器依次与信号综合分析控制器和计算机相连接，所述计算机依次通过信号发生器、功率放大器与电极(115)相连接；

所述传感器系统包括上横梁(211)上、下侧面左、右侧的受力端(12)与相应发力端(11)之间与竖梁(212)顶端的发力端(11)与对应的受力端(12)之间设置的位移传感器；

所述驱动电源提供电源。

7.利用功能材料复合作用的非接触驱动方法，其特征是：所述上横梁(211)上侧面的受力端(12)对应于悬浮体(22)的发力端(11)施加向下的拉力F₄；

所述上横梁(211)下侧面的受力端(12)对应于悬浮体(22)的另外发力端(11)施加向上的拉力F₅；

通过对应的电极(115)调整，使得F₄＝F₅+G；

所述G为悬浮体(22)产生的垂直向下重力；

所述竖梁(212)顶端的发力端(11)产生垂直于45度斜面的推力F，该推力F在45度斜面上分解为向下的拉力F₂和水平的拉力F₁；

通过调节向下的拉力F₄，使得此时F₄＝F₂+F₅+G；

此时，由水平的拉力F₁驱动悬浮体(22)水平位移。

8.根据权利要求7所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动方法，其特征是：所述拉力F₄、拉力F₅、推力F的施加步骤如下：

所述夹紧机构(113)、磁致伸缩薄片(111)、永磁铁(112)之间形成回路a；

所述夹紧机构(113)、永磁铁(112)、气隙、受力端(12)之间形成回路b；

通过改变回路a的磁通量大小，改变回路b的磁通量大小，继而使得气隙的大小发生变化；

所述气隙为夹紧机构(113)与受力端(12)之间形成的空间。

9.根据权利要求8所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动方法，其特征是：所述回路a的磁通量大小通过如下的方法改变；

通过电极(115)输入电压，压电陶瓷薄片(114)形变，带动超磁致伸缩薄片(111)产生应力，继而使得超磁致伸缩薄片(111)的磁化强度发生改变。

10.根据权利要求9所述的利用功能材料复合作用的非接触驱动方法，其特征是：水平的拉力F₁带动悬浮体(22)水平位移，受力端(12)向预定方向发生位移，当受力端(12)与第二块发力端(11)有相对面积接触时，第二块发力端(11)通电，对受力端(12)发生作用，第一块发力端(11)断电。