CN107610876A

CN107610876A - 一种可以自锁的磁性夹紧器

Info

Publication number: CN107610876A
Application number: CN201710782801.1A
Authority: CN
Inventors: 王秀兰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-03
Filing date: 2017-09-03
Publication date: 2018-01-19

Abstract

一种可以在打开和关闭状态自锁的磁性夹紧器，其特征在于，包括一个外壳（3）、第一永磁铁（1）和第二永磁铁（2），永磁铁分别安装在外壳的两个腔体内，使得第一永磁铁（1）可以在打开和关闭的位置之间自由转动，第二永磁铁（2）相对于外壳（3）固定。永磁铁的下端用非导磁材料的底盖（4）封住。第一永磁铁（1）的转动可以通过旋转接头（8）、旋转连杆（9）、连杆（10）和驱动连杆（11）组成的四杆机构实现，通过0度和180度切换，实现磁性夹紧器的关闭和打开，并且通过让旋转连杆（9）和连杆（10）共线来实现在打开和关闭状态的自锁。

Description

一种可以自锁的磁性夹紧器

技术领域

本发明涉及一种可以打开和关闭的磁性夹紧器，其在打开和关闭位置都可以自锁。

背景技术

现有磁性夹紧设备有磁性表座、磁力吸盘、气磁铁等。而在自动化领域，迫切的需要有一种安全可靠可以自锁的磁性夹紧器。

一方面，目前基于类似磁性表座的被动关闭原理（passive shunt）的自动化磁性夹紧器由于磁块和外壳难以加工，使得设计上有很多困难无法实现自动化驱动和安全可靠的自锁，所以安全可靠的工业应用产品少之又少。

另一方面，如CN 1963962 B和CN 205016401 U专利基于主动关闭原理（activeshunt）的气动磁铁由于没有打开和关闭位置的自锁装置，从而使得产品的可靠性大大折扣。

此外，磁性夹紧器的设计还必须考虑自锁结构的简单易用和高度可靠性。既要保证对磁块加工精度的要求不高，还要保证自锁的可靠性。因此，本专利申请了一种基于主动关闭原理，采用连杆机构驱动的可以在打开和关闭状态下自锁的磁性夹紧器。

发明内容

除非另有表述，在本说明书和权利要求书中，使用了表述语“磁性夹紧器”，该表述语应理解为这样一个装置：它包括第一永磁铁和第二永磁铁，第一永磁铁在“关闭”和“打开”的位置之间相对外壳转动，在所述“关闭”状态中两个磁铁的姿态使得其呈现相对弱的外磁场，而在所述“打开”状态中两个磁铁的姿态使得其呈现相对较强的外磁场。而第一永磁铁由四杆机构驱动，使得其从“打开”到“关闭”的切换角度为180度，且在关闭的0度和打开的180度都是自锁的。

在第一方面，本发明提供一种这样的可打开和关闭的磁性夹紧器，它包括一个外壳、一个第一永磁铁、一个第二永磁铁，第一和第二永磁铁分别安装在外壳的两个圆柱腔体内，以使得第一永磁铁能在“打开”的位置与“关闭”位置之间相对外壳转动。在“关闭”位置，第一永磁铁的南极和北极与第二永磁铁的南极和北极平行但是反向，以使得磁性夹紧器在外壳内“关闭”呈现相对弱的外磁场；而在“打开”的位置，第一永磁铁的南极和北极与第二永磁铁的南极和北极平行但是同向，以使得磁性夹紧器无法在外壳内“关闭”，从而磁性夹紧器呈现相对强的外磁场。

在第二方面，由于第一永磁铁需要转动180度实现磁性夹紧器的打开和关闭，所以本发明通过设计一种四杆机构实现磁性夹紧器在打开和关闭状态下都是自锁的，不受外界磁力或者受力影响。

优选的是，两个磁铁采用圆柱形或者圆盘形的磁铁，并且有用于连接或者固定的两个通孔。

优选的是，外壳是等截面的低磁阻材料的单体（例如20号钢或者AISI1018钢），内部有两个圆柱形的腔体，且在壳体上有多对隔断磁路的通孔。

优选的是，该外壳采用对称的设计，在圆柱形壳体内设有约束磁块轴线方向运动的卡箍槽。外壳与两个低磁阻材料的极靴相配（例如20号钢或者AISI1018钢），极靴放置在磁铁打开状态的磁极方向，磁块通过极靴把磁性传导到待吸附工件上。

优选的是，由于极靴与被吸附工件表面相接触，可以通过磁块磁通截面积与极靴接触面积的比值来提高极靴接触面处的磁感应强度B_p，从而最大限度发挥磁性夹紧器的磁性吸力。

优选的是，通过四杆机构设计，使得第一永磁铁能在外壳内旋转180度。在第一永磁铁0度关闭的位置，第一永磁铁的南北极和第二永磁体的南北极在外壳和极靴的作用下，实现内部闭合，也就是所谓的主动关闭。而与磁性夹紧器极靴接触的物体处于短路状态，所以这时该磁性夹紧器对外显现较弱的磁性，也就是所谓的关闭状态。在第一永磁体180度的打开位置，由于隔断磁路通孔的作用，第一永磁铁的南北极和第二永磁铁的南北极必须通过极靴传导磁性到被接触工件才能闭合，此时该磁性夹紧器对外显现较强的磁性，也就是所谓的打开位置。

优选的是，四杆机构的驱动运动为直线运动或者旋转运动。

优选的是，外壳底部通过非导磁材料的底盖封闭，且两侧的极靴突出该底盖，从而保证在关闭状态时，较轻的被吸附工件不会因为真空还吸附在极靴上。

优选的是，底部的底盖可以通过销钉连接，约束第二永磁铁的旋转自由度；外壳上的卡箍凹槽通过安装卡箍约束第二永磁铁的轴向自由度，从而保证第二永磁铁相对于外壳固定。

优选的是，外壳的内部圆柱腔体与磁铁之间保证最小的间隙而不干涉，从而降低驱动磁铁的扭矩要求。

优选的是，通过在磁铁和圆柱形腔体之间增加润滑油来降低可能的因为磁铁和腔体加工误差引起的过大摩擦力。

优选的是，通过机械连接装置，使得磁铁可以绕轴承支撑的固定轴旋转，从而保证旋转角度的准确性和摩擦阻力最小。

优选的是，所有除去外壳、极靴的零件，都采用非导磁性材料，例如铝合金和304不锈钢。

优选的是，在底盖上增加降低与磁铁底面摩擦系数的止推衬套或者类似的降低摩擦系数的镀层。

优选的是，可以通过多杆机构提高驱动力的增益系数，方便更快速的打开第一永磁铁，且同时保证在打开状态下自锁。

优选的是，极靴可以设计为与被吸附物体相同的曲面来实现定位和夹紧。

优选的是，极靴可以设计为V形块形状来定位和夹紧圆柱形物体。

附图说明

尽管还有落入本发明范围内的其它的形式，但现将仅参照附图借助于实例来描述本发明的优选实施例：

图1给出了磁性夹紧器采用磁铁的结构；

图2给出了磁性夹紧器的基本结构;

图3A为磁性夹紧器关闭的状态时磁块的位置和磁路原理图；

图3B为磁性夹紧器打开状态时磁块的位置和磁路原理图；

图4A为四杆机构设计的原理中，磁性夹紧器为打开状态时，机构产生自锁的状态；

图4B为四杆机构设计的原理中，磁性夹紧器为关闭状态时，机构产生自锁的状态；

图5A为极靴与工件接触截面积S_p的示意图；

图5B为磁铁磁通截面积S_m的示意图。

具体实施方式

应该认识到，附图示出的是本发明的优选实施例。提供这些附图的目的在于说明本发明的优选实施例，所以，本发明不能认为局限于所示的具体的实施例。

如图1，所示的磁铁可以称为圆柱形磁铁。该磁铁在直径方向磁化，也就是说，磁铁1由中性面10平分，两端各显示北极和南极两种磁性。在中性面上，有一对通孔11和12用于连接和固定。

图1的磁铁1较佳的可以使用稀土类磁铁，比如钕铁硼磁铁。当然，本发明也可以采用其他类型的磁铁实现同样的功能。

如图2，磁性夹紧器包括磁铁1和磁铁2，磁铁1和磁铁2是大致的圆柱形或盘形磁铁，并类似于图1 所示在直径方向上磁化。磁铁1 和磁铁2容纳在外壳3内。外壳3较佳地由具有低磁阻的铁磁性材料制成。外壳3内有两个腔体，每个腔体都有一个可以放置卡箍7的卡箍槽特征35和34。外壳3上有多对隔断磁路的通孔30、31、32、33。在相对于这几对通孔连线的相同方向，外壳两边布置了一对极靴40和41。

外壳3内的第一个腔体可以让磁铁1在其内旋转，而第二个磁铁通过卡箍7与凹槽特征34配合把其轴线自由度约束。此外，再通过两个销钉60和61穿过磁铁2的两个孔21和20，与底盖5上的孔51和52相干涉配合约束磁铁的旋转自由度，这样磁铁2就相对于外壳3完全固定了。

为了便于磁铁1的旋转，磁铁1上有两个用于与旋转接头8连接的孔11和12，旋转接头8通过与旋转连杆9相连接使得磁铁1可以在轴线方向旋转，其中磁铁1、旋转接头8的旋转轴线在一条直线上，磁铁1、旋转接头8和旋转连杆9的旋转角度同步。

为了保护外壳3内部的磁铁1和磁铁2，需要底盖5与外壳3连接。较佳的，底盖5与磁铁1接触的表面50可以增加一层耐磨且摩擦系数低的镀层或者止推轴承的零件。且该底盖5和表面50的镀层或零件，较佳的都采用高磁阻，也就是非导磁性的材料，例如304不锈钢或者铝合金。

为了实现该磁性夹紧器在打开和关闭位置自锁，旋转连杆9与连杆10相连接，而连杆10与驱动连杆11相连接，从而构成由连杆11和10，以及旋转连杆也就是曲柄连杆9组成的四杆机构（驱动连杆11和旋转连杆9之间通过机架相连接，认为是另一个固定连杆），驱动连杆的动力可以是直线运动也可以是旋转运动，可以是气缸和电缸等设备，也可以是手柄、推杆等手动结构。

该磁性夹紧器关闭和打开状态的原理如图3A和3B所示。如图3A所示，当磁铁1的磁极N和S与磁铁2的磁极N和S相反时，磁性夹紧器对于工件12的吸力最弱，处于关闭状态。磁铁2的磁性从北极N出发，经过外壳3传导，通过极靴40返回外壳3与磁铁1南极S接近的区域，最后到达磁铁1的南极S形成一个闭环1020。同样的，磁铁1的磁性从北极N出发，经过外壳3传导，通过极靴41返回外壳3与磁铁2南极S接近的区域，最后到达磁铁2的南极S形成一个闭环1030。此时，磁性夹紧器内部主动关闭，工件12受到的磁性吸力最小。

如图3B所示，当磁铁1的磁极N和S与磁铁2的磁极N和S同向时，磁性夹紧器必须通过工件12传导磁性，从而形成由磁铁1和磁铁2的北极N出发，经过与外壳3相连接的极靴40，通过工件12，再经过极靴41，返回外壳3回归磁铁1和磁铁2南极S的闭合回路1010。

较佳的，外壳3上设计的通孔30、31、32和33，由于空气的磁阻巨大，在磁性夹紧器的打开状态可以阻断从磁铁1的N极通过外壳3到磁铁2的S极的路径，形成磁路隔断；同样其阻断了从磁铁2的N极通过外壳3到磁铁1的S极的路径，。这样，磁铁1和磁铁2的所有磁通量都从打开状态的闭合回路1010经过工件12，从而提高了工件12被吸附的磁力。

较佳的，极靴40和41的长度使得底盖5与工件12之间存在一定的空气间隙53，从而使得即使较轻的工件12被开启状态的磁力吸附而紧靠在极靴40和41上面，也不会因为没有空气间隙53产生真空，使得磁性夹紧器在3A的关闭状态也无法使得工件12脱离。

为了安全，磁性夹紧器的开启位置，必须让磁铁1不受外力影响，能够自锁停留在打开位置，从而让工件12一直吸附在磁性夹紧器的极靴40和41上；除非客观上需要关闭，工件12才会脱落。因此，如图4A所示，当旋转连杆9和连杆10 共线时，由于四杆机构的特性，连杆11把连杆9和10顶死在这个位置，形成死点。因此，即使磁块受外界冲击力或者磁力影响，也不会出现磁块自动关闭，使得工件12掉落的现象。同样的，也就是说，驱动力只负责把旋转连杆9和10推到共线位置，不需要持续输出力，就可以保证旋转连杆9保持在打开的位置自锁。因此，即使遇到驱动力丢失的情况，只要连杆9和连杆10被驱动到共线位置，磁性夹紧器的磁铁1就一直处于打开状态，不会自动转回关闭位置，除非客观上需要打开。

为了关闭磁性夹紧器，需要旋转连杆转动180度。由于常见的运动模式有直线运动和旋转运动两种，所以可以分别采用两种驱动运动实现连杆旋转180度。而且，为了磁性夹紧器的安全性，必须保证夹紧器在关闭的位置自锁，不受外界冲击力或者磁力影响误动作。同样的，如图4B所示，当旋转连杆9和连杆10 共线时，由于四杆机构的特性，连杆11把连杆9和10顶死在这个位置，形成死点。因此，即使磁铁受外界冲击力或者磁力影响，也不会出现磁铁自动打开，使得工件12被误吸附的状态。

为了便于提高磁性夹紧器的吸力，针对不同的材料工件12和其饱和磁感应强度B_w，本发明可以通过改变极靴的截面S_p提高工件12的吸力。如图5A是极靴的截面示意图，5B是磁铁的截面示意图，通过考虑磁铁的磁感应强度B_m，磁铁的磁通截面积S_m，由高斯定律得出2B_mS_m=B_wS_p，而工件12 的吸力F=B_w ²S_p/2u₀，所以极靴与工件12接触的面积符合S_p=2B_mS_m/B_w时，工件12的磁感应强度达到饱和值，因此工件12受到的吸力最大。

另一方向，由于磁性夹紧器的频繁开闭会对外壳3产生磁性处理，使得采用低磁阻材料的外壳3会越来越软。因此，本发明采用两个可以更换的极靴来代替外壳本体接触工件12，从而避免了因为外壳3受磁性处理影响变软容易被磨损，使得整个磁性夹紧器需要更换外壳的情况。

Claims

1.一种磁性夹紧器，其特征在于，包括一个外壳、第一永磁铁和第二永磁铁，永磁铁分别安装在外壳的两个腔体内，使得第一永磁铁可以在打开和关闭的位置之间自由转动，第二永磁铁相对外壳固定，第一和第二永磁铁的下端用非导磁材料的底盖封住，第一永磁铁通过0度和180度切换，实现磁性夹紧器的关闭和打开。

2.如权利要求1所述的磁性夹紧器，其永磁铁是圆柱形或盘形，在直径方向上被磁化，且有多个用于连接和固定的通孔。

3.如权利要求1和2所述的磁性夹紧器，第一永磁铁和外壳之间的间隙最小，使得第一永磁铁能够在外壳内自由旋转的同时保证旋转第一永磁铁所需要的扭矩最小。

4.如权利要求1到3所述的磁性夹紧器，通过四杆机构实现第一永磁铁可以旋转180度，实现打开和关闭，且在打开和关闭位置都自锁。

5.如权利要求1到4所述的磁性夹紧器，其外壳采用等截面的低磁阻材料，并且有隔断磁路的多对通孔。

6.如权利要求1到5所述的磁性夹紧器，该装置带有一对可更换的低磁阻材料的极靴，且通过极靴截面的设计S_p=2B_mS_m/B_w使得被吸附工件的吸力最大。

7.如权利要求1到6所述的磁性夹紧器，实现第一永磁铁旋转的驱动力可以由提供直线或者旋转运动的手动、电动、气动、液压驱动装置实现。

8.如权利要求1到7所述的磁性夹紧器，永磁铁可以是包含永磁铁的圆盘形或者圆柱形零件。

9.如权利要求1到8所述的磁性夹紧器，永磁铁可以是稀土类磁铁。

10.如权利要求1到9所述的磁性夹紧器，除去外壳、极靴以外的零件，其它零件都采用高磁阻的非导磁性材料。

11.如权利要求1到10所述的磁性夹紧器，底盖表面通过增加高磁阻、低摩擦系数、低磨损的材料镀层或者零件来减少第一永磁铁旋转时的摩擦力。

12.如权利要求1到11所述的磁性夹紧器，极靴长度突出底盖，使得底盖和被接触工件之间有一定的空气间隙。

13.如权利要求1到12所述的磁性夹紧器，两对极靴可以和外壳作为一体实现同样的功能。

14.如权利要求1到13所述的磁性夹紧器，两对极靴可以相对外壳旋转任意角度，且工作面的截面积可以按照S_p=2B_mS_m/B_w的同样原理进行设计。

15.如权利要求1到14所述的磁性夹紧器，第一永磁铁直接由旋转连杆驱动，实现磁性夹紧器的打开和关闭，旋转连杆的驱动源可以是手动、气动、电动、液压驱动。

16.如权利要求1到15所述的磁性夹紧器，第二永磁铁可以通过干涉配合压入、螺丝拧入，保持相对于外壳固定不动。

17.如权利要求1到16所述的磁性夹紧器，外壳有两个放置永磁铁的相同圆柱形腔体，使得两个永磁铁相互平行、左右放置。

18.如权利要求1到17所述的磁性夹紧器，磁性夹紧器的外壳内有用于固定永磁铁的卡箍凹槽，从而可以安装约束磁块的卡箍，实现永磁铁在轴线方向无法运动。

19.如权利要求1到18所述的磁性夹紧器，第一永磁铁可以通过轴承支撑的旋转连杆驱动，减少或者消除第一永磁铁与底盖之间的摩擦力。

20.如权利要求1到19所述的磁性夹紧器，磁性夹紧器可以作为独立单元，采用直线或者圆周阵列把多个磁性夹紧器安装于相同结构上，实现由一个驱动装置实现打开和关闭的更大的磁性夹紧器。

21.如权利要求1到20所述的磁性夹紧器，第一永磁铁和第二永磁铁可以采用尺寸相同，磁感应强度不同的磁块。

22.如权利要求1到21所述的磁性夹紧器，外壳可以由低磁阻的材料与高磁阻的材料或者孔组合成为一体，形成可以容纳两个磁铁的腔体。

23.如权利要求1到22所述的磁性夹紧器，底盖可以通过螺丝、销孔、粘结与外壳固定，也可以与外壳作为一体成形。

24.如权利要求1到23所述的磁性夹紧器，极靴与工件接触面可以设计为曲面、V形定位面。

25.如权利要求1到24所述的磁性夹紧器，通过多杆机构实现驱动力的增益，且在打开和关闭位置自锁。

26.如权利要求1到25所述的磁性夹紧器，外壳和磁铁之间可以增加润滑油，降低摩擦力。

27.如权利要求1到26所述的磁性夹紧器，固定的永磁铁可以是非圆柱形的永磁铁。

28.如权利要求1到27所述的磁性夹紧器，永磁铁可以通过两个销钉、卡箍约束，固定在外壳的腔体内。

29.如权利要求1到28所述的磁性夹紧器，极靴和底盖的底面通过增加镀层来产生空气间隙，使得空气间隙最小，但是不会产生真空。

30.如权利要求1到29所述的磁性夹紧器，旋转接头、旋转连杆、连杆、驱动连杆采用轴承降低摩擦力。

31.如权利要求1到30所述的磁性夹紧器，约束磁铁的卡箍表面可以增加低摩擦系数、低磨损和高磁阻的镀层或者零件。

32.如权利要求1到31所述的磁性夹紧器，外壳和极靴表面采用低摩擦系数、高磁阻、耐磨性的镀层。