CN105978398B - 具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，其包括一对棒式超磁致伸缩驱动器，槽钢形框架和半菱形二连杆位移输出机构；半菱形二连杆位移输出机构包括一对驱动杆、一对连杆支座、左连杆、右连杆和输出杆；本发明能实现器件的精密驱动；能够将水平方向的超磁致伸缩致动器输出位移转化为垂直方向，能够克服输出位移只有一个方向的缺陷，将超磁致伸缩致动器的适用范围有所拓展；能够对输出位移的大小进行调整；本发明可以用于小位移精密驱动场合，并且方便致动器位移的精确控制。
Description
技术领域
本发明属于小行程器件精密驱动控制技术领域，涉及一种具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置。
背景技术
超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）因其磁致伸缩系数远高于普通铁磁材料而得名，是继压电陶瓷材料之后又一类引起广泛关注的电能-机械能转换材料。超磁致伸缩材料具有驱动电压小、输出位移大、响应速度快且无疲劳失效等优点，在高精、高速以及重载驱动等方面具有广阔的应用前景。其中以棒型超磁致伸缩材料为核心的超磁致伸缩驱动器是该类型材料在机-电转换领域应用的最基本器件。
超磁致伸缩驱动器输出的位移虽然相对压电陶瓷驱动器等更大，但是其伸缩量仍然较小，输出位移量往往达不到理想要求。采用棒式超磁致伸缩材料只能实现轴向的位移输出，由于致动器体积的限制，使得超磁致伸缩致动器的应用场合有所限制。在实际条件下，100毫米的磁致伸缩棒伸缩量也只有100微米左右，虽然选择更长的GMM棒能够增大输出位移，但是这将导致驱动器体积过大。因此，如何尽可能地在保证一定输出精度的情况下同时放大超磁致伸缩输出位移，成为亟待解决的问题。
由于超磁致伸缩驱动器输出位移的限制，直接采用驱动器进行输出不能满足一定性能需求，通常采用一定的机构进行位移方向和大小的转化。常用的转化机构有杠杆机构和柔性铰链，它们通常用于位移的放大，但放大倍数较小，且一般很难实现方向的变化。开发新型的超磁致伸缩机构可实现更多的输出位移形式，可拓展超磁致伸缩驱动器的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能放大输出位移大小和改变输出位移方向的具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，其包括一对棒式超磁致伸缩驱动器，槽钢形框架和半菱形二连杆位移输出机构；
所述棒式超磁致伸缩驱动器通过螺栓对称地固定设置在所述槽钢形框架的左、右两个内侧壁上；
所述半菱形二连杆位移输出机构包括一对驱动杆、一对连杆支座、左连杆、右连杆和输出杆；
所述一对驱动杆和一对连杆支座分别对称；
所述连杆支座的下部设有水平阶梯孔；所述连杆支座的上端设有一对支耳；所述驱动杆的一端与所述棒式超磁致伸缩驱动器输出端固定连接；所述驱动杆的另一端插入所述水平阶梯孔，其端面上设有带内螺纹的盲孔，所述驱动杆通过调节螺栓与连杆支座连接；
所述左连杆和右连杆的上端分别通过轴承固定在第一销轴上；所述左连杆的下端通过轴承固定在第二销轴上；所述右连杆的下端通过轴承固定在第三销轴上；所述第二销轴通过轴承与左端的连杆支座的一对支耳铰接；所述第三销轴通过轴承与右端的连杆支座的一对支耳铰接；在所述第一销轴上设有径向孔，所述输出杆与所述径向孔过盈配合。
所述左连杆为一对对称的右端呈直角的连杆；所述右连杆为一对对称的直杆；一对右连杆的左端位于一对左连杆的右端两直角之间；所述径向孔位于所述一对右连杆的左端之间。
所述左连杆与右连杆等长。
所述插入水平阶梯孔的驱动杆的一端，其端面与水平阶梯孔内的竖壁之间设有2个以上的垫片。
本发明的有益效果是：本发明采用超磁致伸缩致动器作为二连杆机构的驱动元件，能够充分利用超磁致伸缩材料磁致伸缩应变大、输出力高、响应快和机电耦合系数高的优良特性，实现器件的精密驱动；本发明能够将水平方向的超磁致伸缩致动器输出位移转化为垂直方向，能够克服输出位移只有一个方向的缺陷，将超磁致伸缩致动器的适用范围有所拓展；通过调整左、右连杆与水平方向的夹角，本发明能够对输出位移的大小进行调整；本发明的输出位移与超磁致伸缩致动器的输出位移有一定的函数关系，通过调整输入信号驱动两个超磁致伸缩致动器，输出杆的输出位移可以得到控制，不同的输出位移能够适用于不同的输出情况，可以用于小位移精密驱动场合，并且输出特性能够按照驱动方案进行设计；本发明采用螺栓对超磁致伸缩致动器底端进行过固定，采用调节螺栓对连杆支座和超磁致伸缩致动器输出杆进行固定，可使超磁致伸缩致动器的驱动杆输出更加稳定，方便致动器位移的精确控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为半菱形二连杆位移输出机构主视图。
图3为半菱形二连杆位移输出机构俯视图。
图4为图2的A-A剖视图。
图5为图2的B-B剖视图。
图6为半菱形二连杆位移输出机构的放大原理图。
在图1-6中，1、输出杆；2、轴承，3、左连杆；4、驱动杆；4-1、盲孔；5、连杆支座；5-1、支耳；5-2、水平阶梯孔；6、调节螺栓；7-1、第二销轴；7-2、第三销轴；8、第一销轴；9、槽钢形框架；10、棒式超磁致伸缩驱动器；11螺栓；12、右连杆；13、垫片；
α为左连杆或右连杆与水平面之间的夹角；x为左连杆或右连杆向x轴的投影长度；Δx为驱动杆的位移；y为左连杆或右连杆向y轴的投影长度；Δy为输出杆的位移；l为左连杆或右连杆的长度。
具体实施方式
下面根据图1-6及实施例对本发明做进一步说明。
在图1-6所示的实施例中，其包括左侧棒式超磁致伸缩驱动器10、右侧棒式超磁致伸缩驱动器10、槽钢形框架9和半菱形二连杆位移输出机构；左侧棒式超磁致伸缩驱动器10和右侧棒式超磁致伸缩驱动器10通过固定螺栓11对称地固定设置在所述槽钢形框架9的两个内侧壁上，二者无相对位移，固定螺栓共有8个，两个棒式超磁致伸缩驱动器10各用4个固定螺栓进行固定，固定螺栓采用短螺栓，其型号为M6×16；两个棒式超磁致伸缩驱动器10对称设置，并且同时输出位移。
半菱形二连杆位移输出机构可实现输出位移方向及大小的变化，半菱形二连杆位移输出机构包括左侧驱动杆4、右侧驱动杆4、左侧连杆支座5、右侧连杆支座5、左连杆3、右连杆12和输出杆1；输出杆1的位移方向与棒式超磁致伸缩驱动器10的位移方向相互垂直；左连杆3和右连杆12的上端分别通过轴承固定在第一销轴8上；左连杆3的下端通过轴承2固定在第二销轴7-1上；所述右连杆12的下端通过轴承固定在第三销轴7-2上；所述第二销轴7-1通过轴承2与左侧连杆支座5上的一对支耳5-1铰接；第三销轴7-2通过轴承2与右侧连杆支座5上的一对支耳5-1铰接；连杆支座5与左连杆3或右连杆12之间通过销轴和轴承连接，二者可以发生相对转动；销轴采用弹性圆柱销，其型号为M8×18；轴承2型号为62208。
在所述第一销轴8上设有径向孔，所述输出杆1与所述径向孔过盈配合；两个左连杆3和或右连杆12之间通过长销和轴承连接，长销中间开孔，与输出杆1之间为过盈配合；长销采用弹性圆柱销，其型号为M8×25，此处用2个轴承，轴承型号为62208。
在左侧连杆支座5的下部设有水平阶梯孔5-2，左侧驱动杆4的右端插入所述水平阶梯孔5-2的左端的孔中，在左侧驱动杆4的右端设有带螺纹的盲孔4-1，左侧驱动杆4与左侧连杆支座5上通过调节螺栓6连接；左侧驱动杆4的左端与所述左侧棒式超磁致伸缩驱动器10的输出端固定连接， 超磁致伸缩驱动器10与驱动杆4之间为刚性连接，棒式超磁致伸缩驱动器10的输出位移直接传递给驱动杆4；右侧连杆支座5与左侧连杆支座5对称设置，且结构相同；右侧驱动杆4与左侧驱动杆4对称设置，且结构相同。
所述左连杆3为一对对称的右端呈直角的连杆；所述右连杆12为一对对称的直杆；一对右连杆12的左端位于一对左连杆3的右端两直角之间；所述径向孔位于所述一对右连杆12的左端之间。
所述左连杆3与右连杆12等长。
左侧驱动杆4的右端面与左侧连杆支座5的水平阶梯孔5-2的左端孔的竖壁之间设有2个以上的垫片13。
驱动杆4端部开有螺纹，连杆支座5开孔，二者通过调节螺栓连接并压紧，通过垫圈13可以调整二者之间的相对位置；调节螺栓6有2个，其型号为M8×20。
棒式超磁致伸缩驱动器10为一种高精度直线电机，其输出位移沿轴线方向，与水平面平行，将两个棒式超磁致伸缩驱动器10固定在支架上的同一高度，可实现水平方向位移的叠加，可进一步获得较大的位移输出。超磁致伸缩驱动器10的输出位移经半菱形二连杆位移输出机构的转化，水平位移变为竖直位移，输出杆1位移的大小也与驱动杆4位移大小不同；输出杆1位移的大小与左、右连杆的长度、左、右连杆与水平面的夹角有函数关系。输出杆1的位移方向与超磁致伸缩驱动器10的位移方向相互垂直。通过改变连杆支座5与驱动杆4之间的相对位置可以改变左、右连杆与水平面的夹角，进而调整输出杆1的输出位移大小。输出杆1与驱动杆4的位移比等于左或右连杆与水平面夹角的余切值。
超磁致伸缩致动器10通过螺栓固定在槽钢形框架9上。经过固定，超磁致伸缩致动器10的输出位移直接传递给驱动杆4。
半菱形二连杆位移输出机构可实现输出位移方向的调整。超磁致伸缩驱动器10输出位移为水平方向，与半个菱形的水平对角线重合，而整个半菱形二连杆位移输出机构的输出位移与半个菱形的竖直对角线重合，因此实现了输出位移方向的垂直转化。
连杆支座5和驱动杆4之间可以发生相对平移，并由调节螺栓连接。驱动杆4位置保持不变，通过改变连杆支座5的水平位置可以调整左或右连杆与水平面之间的夹角，进而改变输出杆1位移与驱动杆4位移之间的比值。
输出杆1位移与超磁致伸缩致动器10位移成正比例关系，且比例系数与左或右连杆长度、左或右连杆与水平面之间的夹角有关。
图6为半菱形二连杆位移输出机构的放大原理。水平方向设定为x轴，竖直方向设定为y轴，两个左、右连杆的长度设为l，左或右连杆与水平面之间的夹角设为α，α的取值范围是0~60°；两个左、右连杆向x轴和y轴的投影长度分别为x和y，驱动杆和输出杆的位移分别为Δx和Δy，根据菱形对角线垂直的性质可知， ，那么根据导数计算可知位移输出比为
。
因此输出杆与驱动杆的位移输出比为左、右连杆与水平夹角的正切值，通过调整该夹角可以调整输出位移的大小。
本发明克服了当前超磁致伸缩驱动器输出的限制，提供一种超磁致伸缩驱动器的位移调整方案。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，包括一对棒式超磁致伸缩驱动器（10），其特征在于：还包括槽钢形框架（9）和半菱形二连杆位移输出机构；
所述棒式超磁致伸缩驱动器（10）通过螺栓（11）对称地固定设置在所述槽钢形框架（9）的左、右两个内侧壁上；所述半菱形二连杆位移输出机构位于所述一对棒式超磁致伸缩驱动器（10）之间；
所述半菱形二连杆位移输出机构包括一对驱动杆（4）、一对连杆支座（5）、左连杆（3）、右连杆（12）和输出杆（1）；
所述一对驱动杆（4）对称；所述一对连杆支座（5）对称；
所述连杆支座（5）的下部设有水平阶梯孔（5-2）；所述连杆支座（5）的上端设有一对支耳（5-1）；所述驱动杆（4）的一端与所述棒式超磁致伸缩驱动器（10）输出端固定连接；所述驱动杆（4）的另一端插入所述水平阶梯孔（5-2），其端面上设有带内螺纹的盲孔（4-1），所述驱动杆（4）通过调节螺栓（6）与连杆支座（5）连接；
所述左连杆（3）和右连杆（12）的上端分别通过轴承固定在第一销轴（8）上；所述左连杆（3）的下端通过轴承固定在第二销轴（7-1）上；所述右连杆（12）的下端通过轴承固定在第三销轴（7-2）上；所述第二销轴（7-1）和第三销轴（7-2）分别通过轴承与对应连杆支座（5）上的一对支耳（5-1）铰接；在所述第一销轴（8）上设有径向孔，所述输出杆（1）与所述径向孔过盈配合。
2.根据权利要求1所述的具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，其特征在于：所述左连杆（3）为一对对称的右端呈直角的连杆；所述右连杆（12）为一对对称的直杆；一对右连杆（12）的左端位于一对左连杆（3）的右端两直角之间；所述径向孔位于所述一对右连杆（12）的左端之间。
3.根据权利要求1所述的具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，其特征在于：所述左连杆（3）与右连杆（12）等长。
4.根据权利要求1所述的具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，其特征在于：所述驱动杆（4）与所述连杆支座（5）的水平阶梯孔（5-2）之间为间隙配合。
5.根据权利要求1-4任何一项所述的具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置，其特征在于：插入水平阶梯孔（5-2）的驱动杆（4）的端面与水平阶梯孔（5-2）内的竖壁之间设有2个以上的垫片（13）。
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