CN109039007B - 磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，包括运动平台和基座；基座具有基座底座和基座侧壁，基座底座和基座侧壁形成凹腔；运动平台配置在凹腔内；基座侧壁和运动平台之间配置第一磁流体，基座底座和运动平台之间配置第二磁流体；基座侧壁内配置有第一永磁体，第一永磁体用于吸附第一磁流体；基座底座内配置有第二永磁体，第二永磁体用于吸附第二磁流体。

Description

磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台

技术领域

本公开涉及微细加工及超精密加工、精密仪器仪表、精密测试与装配领域，尤其涉及一种磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台。

背景技术

随着科学技术的发展，现代机械加工工业已步入精密、超精密时代。在超精密测量和控制中，精密仪器的测量和控制精度不仅与仪器本身的精度有关，周围环境振动干扰的影响也是决定测量和控制精度的关键环节。由于环境振动的影响，在电镜类精密光学仪器中，设备受到的微振动都可能会导致测试结果出现误差，然而支撑基础的柔性导致这些电镜类精密光学仪器的振动隔离环境还不是很理想，因此开展对防微振技术的研究具有非常重要的理论意义和实用价值。

所谓防微振就是通过对精密设备(仪表)隔振及对精密设备(仪表)的微振动主动控制等措施，使振动值减少到低于精密设备(仪表)的容许振动值，使精密设备(仪表)正常工作。这些高精度的隔振平台不仅要求隔绝如机器运转、车辆行驶、人员走动等引起的宏观振动，而且还要求隔绝由于地球自转、空调气流等因素所引起的细微振动。精密仪器设备受到的来自地面、台面或地板干扰振动的频带范围很宽，难以用常规的隔振器将它们有效隔振。

磁流体也称磁性流体，简称磁液，它是一种具有随外加磁场而有可控流变特性的特殊智能材料，被广泛应用于环保、机械、医疗、化工、电子、印刷等行业。它是由直径为纳米量级的磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体，将固体的磁性和液体的流变性巧妙地结合起来，呈现出许多特殊的磁、光、电现象，具有特殊的理化特性。磁流体的磁性主要取决于磁性粒子，磁性粒子的磁化矢量处于不断地变化之中。当无外加磁场时，磁性粒子的磁化矢量互相抵消，系统磁矩的和变为零，磁流体无磁力；当外加磁场作用时，由于磁场力的作用，磁性粒子的磁化矢量迅速沿外磁场方向取向，从而表现出磁性，这便是磁流体的磁响应特性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供一种磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，该平台结构紧凑，成本低，可实现高精度定位及精密微动。

本公开的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台通过以下技术方案实现。

磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，包括运动平台和基座；

基座具有基座底座和基座侧壁，基座底座和基座侧壁形成凹腔；

运动平台配置在凹腔内；

基座侧壁和运动平台之间配置第一磁流体，基座底座和运动平台之间配置第二磁流体；

基座侧壁内配置有第一永磁体，第一永磁体用于吸附第一磁流体；

基座底座内配置有第二永磁体，第二永磁体用于吸附第二磁流体。

根据本公开的至少一个实施方式，运动平台包括运动平台端盖、运动平台台体和运动平台底座，运动平台台体配置在运动平台端盖和运动平台底座之间。

根据本公开的至少一个实施方式，运动平台台体和基座侧壁之间具有空隙；空隙能够适应第一磁流体在基座侧壁和运动平台之间的厚度变化。

根据本公开的至少一个实施方式，基座侧壁具有凹槽，第一永磁体配置在凹槽内，凹槽沿基座侧壁的周向配置。

根据本公开的至少一个实施方式，凹槽的数目为1个或2个以上，凹槽沿基座侧壁的高度方向配置。

根据本公开的至少一个实施方式，基座底座内还配置有导电线圈，导电线圈配置在第二永磁体的外周。

根据本公开的至少一个实施方式，通过控制通往导电线圈的电流，来控制第二磁流体所处的由导电线圈产生的电磁场和由第二永磁体产生的永磁场的耦合磁场。

根据本公开的至少一个实施方式，第二永磁体的厚度能够被耦合磁场控制，通过控制第二永磁体的厚度，从而控制运动平台在凹腔内上下运动。

根据本公开的至少一个实施方式，基座底座和运动平台之间具有间隙，第二磁流体配置在间隙内。

根据本公开的至少一个实施方式，导电线圈和第二永磁体嵌入在基座底座内。

本公开的调节平台利用磁流体特殊的磁响应特性，通过调节通往线圈的电流，改变电磁场和永磁场形成的耦合磁场的强弱，继而改变磁流体的表面张力，达到对磁流体所支撑的运动平台的微位移的控制。运动平台会受到来自地面、台面等振动的影响，本公开的调节平台使用了主动和被动两种消振方法来处理。主动消振是采用外部输入能量的方式，在线根据被控系统的振动响应来连续调整控制力，使被控系统实现减振。被动消振是指没有任何外部能量输入被控系统，只利用磁流体的弹性体特性和阻尼特性供给控制力。

主动消振的实现方法为：借助磁流体的磁响应特性，通过控制通往绕组的电流，来控制磁流体所处的由电磁场和永磁场耦合而成的磁场强弱，进而改变磁流体的厚度，实现与磁流体相接触的运动平台的微位移控制。基于此原理本公开的调节平台能够主动实现微位移的柔和、平稳和精准控制。

被动消振的实现方法为：永磁体吸附的磁流体类似于弹性体，对高频振动具有被动减振效果，从而减小共振，有效隔离大地等振动因素的干扰。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的整体结构示意图。

图2是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的具体结构示意图。

图3是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的磁场分布示意图。

图4是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的基座侧壁的磁流体分布示意图。

图5是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的平衡状态示意图。

图6是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的运动平台向上运动示意图。

图7是本公开至少一个实施方式的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台的运动平台向下运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

如图1和2所示，磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，包括运动平台和基座；

基座具有基座底座10和基座侧壁3,13，基座底座10和基座侧壁3,13形成凹腔；

运动平台配置在凹腔内；

基座侧壁3,13和运动平台之间配置第一磁流体4，基座底座10和运动平台之间配置第二磁流体；

基座侧壁3,13内配置有第一永磁体5,6,11,12，第一永磁体5,6,11,12用于吸附第一磁流体4；

基座底座10内配置有第二永磁体9，第二永磁体9用于吸附第二磁流体。

在本公开的至少一个实施方式中，运动平台包括运动平台端盖1、运动平台台体2和运动平台底座7，运动平台台体2配置在运动平台端盖1和运动平台底座之7间。

在本公开的至少一个实施方式中，运动平台台体2和基座侧壁3,13之间具有空隙；空隙能够适应第一磁流体4的厚度变化。

在本公开的至少一个实施方式中，基座侧壁3,13具有凹槽，第一永磁体5,6,11,12配置在凹槽内，凹槽沿基座侧壁3,13的周向配置。

在本公开的至少一个实施方式中，凹槽的数目为1个或2个以上，凹槽沿基座侧壁3,13的高度方向配置。

在本公开的至少一个实施方式中，基座底座10内还配置有导电线圈8，导电线圈8配置在第二永磁体9的外周。

在本公开的至少一个实施方式中，通过控制通往导电线圈8的电流，来控制第二磁流体所处的由导电线圈8产生的电磁场和由第二永磁体产生的永磁场的耦合磁场。

在本公开的至少一个实施方式中，第二永磁体的厚度能够被耦合磁场控制，通过控制第二永磁体的厚度，从而控制运动平台在凹腔内上下运动。

在本公开的至少一个实施方式中，基座底座和运动平台之间具有间隙，第二磁流体配置在间隙内。

在本公开的至少一个实施方式中，导电线圈8和第二永磁体嵌入在基座底座10内。

如图3所示，运动平台端盖1、第一磁流体4、运动平台台体2、运动平台底座7、第一永磁体5,6,11,12、导电线圈8和第二永磁体共同构成一个柔性微位移作动器，磁体周围的磁力线总是从N极出发，进入与其最邻近的S极，在磁体内部从S极到N极，由此可以绘出永磁体和导电线圈8形成的磁场情况。

如图4所示，磁流体在外加磁场的作用中，将流向并固定在磁场强度高的地方。根据电流的磁效应可知，通电导电线圈8的周围有磁场，磁场的方向跟电流的方向有关。当给导电线圈8通电流，导电线圈8就会产生与第二永磁体产生的永磁场方向相同或相反的电磁场，可以通过调控电流的方向来控制电磁场的方向，通过调控电流的大小来控制电磁场的强弱。根据磁流体的磁响应性，在永磁场和电磁场合成的耦合磁场作用下，第二磁流体被聚集在导电线圈8上方。第二永磁体产生的永磁场情况始终不变，耦合磁场的强弱取决于电磁场的情况。故可以通过改变电流的大小及方向来实现耦合磁场的强弱，继而影响磁流体张力的控制，实现对运动平台位移的控制。

如图5所示，当导电线圈8不通电流时，无电磁场，第二磁流体仅受永磁场的影响，此时第二磁流体的张力和运动平台施加给第二磁流体的重力相平衡。

如图6所示，当给导电线圈8通以一定的电流，使耦合磁场增强时，第二磁流体被聚集的作用增强，磁流体内产生的作用力增大，第二磁流体变窄变厚，在导电线圈上方形成一个环形的凸起，带动运动平台向上运动。

如图7所示，当给导电线圈8通以反向的电流，使第二磁流体被聚集的作用减弱，第二磁流体内产生的作用力减小，不足以平衡运动平台的重力，第二磁流体变宽变薄，运动平台向下运动。

由图6和图7可知，由于第二磁流体厚度的变化，运动平台发生相应的位移，使得运动平台上下运动。

由于基座和运动平台之间有一定的间隙，在基座中加入适量的磁流体，磁流体就会根据磁场的情况进行相应的分布。磁流体有如下作用：

一、产生对中效果。基座的四个侧壁(本实施方式中基座和运动平台均为长方体状，当然基座和运动平台也可以是圆筒状)是完全相同的，都有上下两个凹槽用来放置永磁体。同一侧壁的两个永磁体放置的极性方向可以相同或不同，如果相同，则上下两对永磁体产生的磁场方向相同。放置在基座和运动平台间隙的磁流体会在永磁场的作用下，流向并固定在磁场强度高的地方，如图3所示位置。磁流体与基座、运动平台贴合并在接触表面有力的相互作用，由于四个侧壁的对称性，运动平台四周受到磁流体的力大小相同，运动平台保持和基座同轴位置。如果运动平台偏离中心轴线，那么窄侧的磁流体产生的力会增加，而相对的另一侧产生的力则减小，进而运动平台将被推回中心轴线，始终和基座保持同轴，磁流体使运动平台浮在基座中心轴线位置。

二、具有润滑效果。在磁场作用下，磁流体内部会产生一定的张力。基座和运动平台间隙里的磁流体，将运动平台和基座隔离开，降低了因摩擦引起的能量消耗和磨损，形成连续的润滑。

三、具有防微振效果。永磁体吸附的磁流体类似于弹性体，对高频振动具有被动减振效果。

可见，通过控制通往线圈的电流大小及方向，即可调控磁流体所处的由永磁场和电磁场耦合而成复合磁场的强弱，继而改变磁流体的厚度，带动运动平台上下运动，实现对运动平台的主动控制。通过利用磁流体类似于弹性体，对高频振动具有被动减振效果这一特性实现对运动平台的被动控制。在主动控制和被动控制的作用下实现了磁流体的防微振柔性微位移操纵。

综上所述，所述运动平台通过主动和被动双重控制实现了微位移调节，所述运动平台由基座底部永磁体吸附的磁流体支撑，通过控制线圈电流大小产生电磁场，与永磁场叠加，改变磁场的强弱，继而改变磁流体的表面张力，驱动运动平台运动。所述运动平台还通过磁流体减小了摩擦，环绕运动平台四周的磁流体对运动平台的四壁产生张力，使得运动平台位于基座中间，不与基座的侧壁接触，极大的减小了摩擦力。本公开的调节平台是一种柔性调节，磁流体在磁场作用下相当于一个弹性体，通过改变磁场，能够改变磁流体的张力，产生推力，驱动所述运动平台运动，实现了调节平台的柔性微位移控制，控制平稳、精确。本公开的调节平台可以防微振，永磁体吸附的磁流体类似于弹性体，对高频振动具有被动减振效果，同时通过主动调节线圈电流大小，改变耦合磁场强弱，可以控制所述运动平台的位移，实现较低频率的主动消振，从而达到有效隔离来自底部的微位移振动的效果。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，包括运动平台和基座；

所述基座具有基座底座和基座侧壁，所述基座底座和所述基座侧壁形成凹腔；

所述运动平台配置在所述凹腔内；

所述基座侧壁和所述运动平台之间配置第一磁流体，所述基座底座和所述运动平台之间配置第二磁流体；

所述基座侧壁内配置有第一永磁体，所述第一永磁体用于吸附所述第一磁流体；

所述基座底座内配置有第二永磁体，所述第二永磁体用于吸附所述第二磁流体；以及

所述基座底座内还配置有导电线圈，所述导电线圈配置在所述第二永磁体的外周。

2.根据权利要求1所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述运动平台包括运动平台端盖、运动平台台体和运动平台底座，所述运动平台台体配置在所述运动平台端盖和所述运动平台底座之间。

3.根据权利要求1所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述运动平台台体和所述基座侧壁之间具有空隙；所述空隙能够适应所述第一磁流体的厚度变化。

4.根据权利要求1-3任一项所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述基座侧壁具有凹槽，所述第一永磁体配置在所述凹槽内，所述凹槽沿所述基座侧壁的周向配置。

5.根据权利要求4所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述凹槽的数目为1个或2个以上，所述凹槽沿所述基座侧壁的高度方向配置。

6.根据权利要求1所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，通过控制通往所述导电线圈的电流，来控制所述第二磁流体所处的由导电线圈产生的电磁场和由所述第二永磁体产生的永磁场的耦合磁场。

7.根据权利要求6所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述第二磁流体的厚度能够被所述耦合磁场控制，通过控制所述第二磁流体的厚度，从而控制所述运动平台在所述凹腔内上下运动。

8.根据权利要求5-7任一项所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述基座底座和所述运动平台之间具有间隙，所述第二磁流体配置在所述间隙内。

9.根据权利要求8所述的磁流体驱动的防微振柔性微位移调节平台，其特征在于，所述导电线圈和所述第二永磁体嵌入在所述基座底座内。

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