CN201118468Y - 半导体制冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种半导体制冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器。通过电流来控制输出位移的执行装置，通过线圈骨架两端的半导体制冷器实施温控，并用冷却水循环装置为半导体制冷器热端进行散热，实现抑制执行器温升和热变形误差输出，提高输出位移控制精度。本实用新型驱动器结构简单，驱动电流较小，工作稳定，频响特性好；采用半导体制冷温控技术，制冷迅速且能实施长时间温控，电气回路结构简单，性能温定并能及时相应执行器内部温度的变化，能有效抑制热误差输出，位移输出控制精度可达到亚微米级甚至更高。同时具有体积小、重量轻、输出力大、位移精度高，能抑制热变形对执行器输出位移的影响，可用于超精密加工、振动控制等领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及驱动装置，尤其是涉及一种半导体制冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器。
背景技术
微位移执行器在超精密加工、机器人、流体机械、振动控制、声纳系统等领域获得了广泛的应用，目前应用较多的类型主要有机械式、液压式和压电式等。机械式和液压式执行器频响较低，输出力较小，输出位移难以满足高精度要求；压电执行器虽然位移分辨率和频响均比较高，但出力较小，易产生电击穿，并会产生漂移现象。超磁致伸缩微位移执行器具有大位移、强力、快响应、高可靠性、低压驱动等优点；但作为一种电(磁)机换能器，超磁致伸缩微位移执行器能量利用率较低，除了一部分转化为机械能输出外，大部分能量以热能方式散发掉。由于执行器内部空间封闭，散热性能差，特别是在高频大电流工作状态下，温度将快速上升，热误差显著，但现有技术对执行器热误差补偿过于复杂，实现困难。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种半导体制冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器，通过电流来控制输出位移的执行装置，通过线圈骨架两端的半导体制冷器实施温控，并用冷却水循环装置为半导体制冷器热端进行散热，实现抑制执行器温升和热变形误差输出，提高输出位移控制精度。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是由机械结构和温控电气回路两部分组成，其中：
包括机械结构和温控电气回路两部分组成，其中：
1)机械结构：包括下冷却水室底座、下冷却水室端盖、线圈骨架、输出管、超磁致伸缩棒、驱动线圈、外壳、上冷却水室底座、上冷却水室端盖、上端盖、十字形输出顶杆、预压螺母、预压弹簧、输出管、水泵和水箱；在凸台形的下冷却水室底座台肩上装有下冷却水室端盖和第一半导体制冷器，下冷却水室底座与下冷却水室端盖间形成下环形通道，下冷却水室底座中心凸台从下至上依次装有超磁致伸缩棒和十字形输出顶杆，装有驱动线圈的线圈骨架纵向中点处装有铂电阻，并套在下冷却水室底座台肩、超磁致伸缩棒和十字形输出顶杆的下直杆外，第二半导体制冷器装在十字形输出顶杆的下直杆外并装在线圈骨架上端面，第一半导体制冷器、线圈骨架和第二半导体制冷器均装在外壳内，外壳下端面压在下冷却水室端盖上，装在十字形输出顶杆的下直杆外依装有凸台形上冷却水室底座和上冷却水室端盖，上冷却水室端盖并装在外壳上端面，凸台形上冷却水室底座和上冷却水室端盖间形成上环形通道，十字形输出顶杆外装有上端盖，十字形输出顶杆上有预压弹簧和预压螺母；水箱水管经水泵后分成二路，一路经第一输出管接下环形通道，一路经第一输出管接上环形通道，第三输出管与上环形通道和下环形通道连通后接入水箱。
2)温控电气回路：包括电气控制和主电路两部分，电气控制部分由铂电阻、第一电阻、第一可调电阻、第二电阻、第二可调电阻、第二电源、电压放大器和直流继电器组成，铂电阻装在线圈骨架纵向中点处，夹于超磁致伸缩棒和线圈骨架之间，铂电阻、第一电阻、第一可调电阻和第二电阻组成的惠斯登桥电路，在第一电阻和第一可调电阻之间接第二可调电阻，第二可调电阻接第二电源，第二电源接在铂电阻和第二电阻之间，在铂电阻和第一电阻之间接电压放大器的正接线柱，在第一可调电阻和第二电阻之间接电压放大器的负接线柱，电压放大器输出端接直流继电器；第一电源负端接第三可调电阻、直流继电器的触点、第一半导体制冷器和第二半导体制冷器，第二半导体制冷器再与第一电源正端相接，组成主电路部分。
本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：驱动器结构简单，驱动电流较小(2～4A)，工作稳定，频响特性好(可达2000Hz)；采用半导体制冷温控技术，制冷迅速且能实施长时间温控，温控电气回路结构简单，性能温定并能及时相应执行器内部温度的变化，能有效抑制热误差输出，位移输出控制精度可达到亚微米级甚至更高。本实用新型体积小、重量轻、输出力大、位移精度高，能抑制热变形对执行器输出位移的影响，可用于超精密加工、振动控制等领域。
附图说明
附图是本实用新型的结构原理示意图。
图中：1.下冷却水室底座，2.下冷却水室端盖，3.半导体制冷器，4.线圈骨架，5.输出管，6.超磁致伸缩棒，7.驱动线圈，8.外壳，9.上冷却水室底座，10.上冷却水室端盖，11.上端盖，12.十字形输出顶杆，13.预压螺母，14.预压弹簧，15.电压放大器，16.输出管，17.水泵，18.水箱，19.冷却水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如附图所示，本实用新型包括包括机械结构和温控电气回路两部分组成，其中：
1)机械结构：包括下冷却水室底座1、下冷却水室端盖2、线圈骨架4、输出管5、超磁致伸缩棒6、驱动线圈7、外壳8、上冷却水室底座9、上冷却水室端盖10、上端盖11、十字形输出顶杆12、预压螺母13、预压弹簧、输出管16、水泵17和水箱18；在凸台形的下冷却水室底座1台肩上装有下冷却水室端盖2和第一半导体制冷器3，下冷却水室底座1与下冷却水室端盖2间形成下环形通道，下冷却水室底座1中心凸台从下至上依次装有超磁致伸缩棒6和十字形输出顶杆12，装有驱动线圈7的线圈骨架4纵向中点处装有铂电阻Rf，并套在下冷却水室底座1台肩、超磁致伸缩棒6和十字形输出顶杆12的下直杆外，第二半导体制冷器3装在十字形输出顶杆12的下直杆外并装在线圈骨架4上端面，第一半导体制冷器3、线圈骨架4和第二半导体制冷器3均装在外壳8内，外壳8下端面压在下冷却水室端盖2上，装在十字形输出顶杆12的下直杆外依装有凸台形上冷却水室底座9和上冷却水室端盖10，上冷却水室端盖10并装在外壳8上端面，凸台形上冷却水室底座9和上冷却水室端盖10间形成上环形通道，十字形输出顶杆12外装有上端盖11，十字形输出顶杆12上有预压弹簧14和预压螺母13；水箱18水管经水泵17后分成二路，一路经第一输出管16接下环形通道，一路经第一输出管16接上环形通道，第三输出管5与上环形通道和下环形通道连通后接入水箱18。
2)温控电气回路：包括电气控制和主电路两部分，电气控制部分由铂电阻Rf、第一电阻R1、第一可调电阻R2、第二电阻R3、第二可调电阻R4、第二电源U2、电压放大器15和直流继电器P组成，铂电阻Rf装在线圈骨架4纵向中点处，夹于超磁致伸缩棒6和线圈骨架4之间，铂电阻Rf、第一电阻R1、第一可调电阻R2和第二电阻R3组成的惠斯登桥电路，在第一电阻R1和第一可调电阻R2之间接第二可调电阻R4，第二可调电阻R4接第二电源U2，第二电源U2接在铂电阻Rf和第二电阻R3之间，在铂电阻Rf和第一电阻R1之间接电压放大器15的正接线柱，在第一可调电阻R2和第二电阻R3之间接电压放大器15的负接线柱，电压放大器15输出端接直流继电器P；第一电源U1负端接第三可调电阻R5、直流继电器P的触点、第一半导体制冷器3和第二半导体制冷器3，第二半导体制冷器3再与第一电源U1正端相接，组成主电路部分。
所述的预压弹簧为圆柱形弹簧14或碟形弹簧。
通过调节由输出顶杆12、预压弹簧14、上端盖11和预压螺母13构成的组合预压装置，可对超磁致伸缩棒6施加不同的预压力，使超磁致伸缩棒6处于较佳的工作状态。在输入电流的作用下，驱动线圈7将产生驱动磁场，使超磁致伸缩棒6长度发生变化。由于下冷却水室底座1对超磁致伸缩棒6有支撑作用，所以超磁致伸缩棒6的长度变化量将通过输出顶杆13对外输出，表现为超磁致伸缩微位移执行器的位移输出。
在激励电流作用下，超磁致伸缩微位移执行器内部的温度将会迅速上升，热误差显著。由于影响超磁致伸缩微位移执行器热误差输出的主要原因是超磁致伸缩棒6的热变形，装在超磁致伸缩棒6与线圈骨架4中间的铂电阻Rf用来监控超磁致伸缩棒6周围的温度；若温度升高，则由铂电阻Rf、电阻R1、可调电阻R2和电阻R3组成的惠斯登桥电路将产生一个电压信号，该信号经电压放大器15放大并驱动直流继电器P工作，进而控制温控主电路的接通与断开，实现半导体制冷器断续制冷。半导体制冷器3工作时，按制冷原理可将其端面分为冷端和热端，其中冷端与线圈骨架4贴在一起，热端与上、下冷却水室贴在一起；当温控主电路接通时，半导体制冷器3开始工作，热量从冷端转移到热端，使得线圈骨架4温度降低；在温差的作用下，驱动线圈7和超磁致伸缩棒6散发的热量经线圈骨架4传递到半导体制冷器3的冷端，并由半导体制冷器3将其带到热端；冷却水19在水泵17的带动下，经输出管16进入冷却水室，通过室壁与半导体制冷器3的热端进行热交换，交换的热量通过水流被转移到外界环境，同时保持半导体制冷器3热端温度稳定，具有较高的制冷效率；重复上面这些步骤，可有效地保持超磁致伸缩微位移执行器的温度基本不变，实现抑制执行器温升和热变形误差输出，提高输出位移控制精度。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (2)
1. 半导体制冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器，其特征在于包括机械结构和温控电气回路两部分组成，其中：
1)机械结构：包括下冷却水室底座(1)、下冷却水室端盖(2)、线圈骨架(4)、输出管(5)、超磁致伸缩棒(6)、驱动线圈(7)、外壳(8)、上冷却水室底座(9)、上冷却水室端盖(10)、上端盖(11)、十字形输出顶杆(12)、预压螺母(13)、预压弹簧、输出管(16)、水泵(17)和水箱(18)；在凸台形的下冷却水室底座(1)台肩上装有下冷却水室端盖(2)和第一半导体制冷器(3)，下冷却水室底座(1)与下冷却水室端盖(2)间形成下环形通道，下冷却水室底座(1)中心凸台从下至上依次装有超磁致伸缩棒(6)和十字形输出顶杆(12)，装有驱动线圈(7)的线圈骨架(4)纵向中点处装有铂电阻(Rf)，并套在下冷却水室底座(1)台肩、超磁致伸缩棒(6)和十字形输出顶杆(12)的下直杆外，第二半导体制冷器(3)装在十字形输出顶杆(12)的下直杆外并装在线圈骨架(4)上端面，第一半导体制冷器(3)、线圈骨架(4)和第二半导体制冷器(3)均装在外壳(8)内，外壳(8)下端面压在下冷却水室端盖(2)上，装在十字形输出顶杆(12)的下直杆外依装有凸台形上冷却水室底座(9)和上冷却水室端盖(10)，上冷却水室端盖(10)并装在外壳(8)上端面，凸台形上冷却水室底座(9)和上冷却水室端盖(10)间形成上环形通道，十字形输出顶杆(12)外装有上端盖(11)，十字形输出顶杆(12)上有预压弹簧(14)和预压螺母(13)；水箱(18)水管经水泵(17)后分成二路，一路经第一输出管(16)接下环形通道，一路经第一输出管(16)接上环形通道，第三输出管(5)与上环形通道和下环形通道连通后接入水箱(18)；
2)温控电气回路：包括电气控制和主电路两部分，电气控制部分由铂电阻(Rf)、第一电阻(R1)、第一可调电阻(R2)、第二电阻(R3)、第二可调电阻(R4)、第二电源(U2)、电压放大器(15)和直流继电器(P)组成，铂电阻(Rf)装在线圈骨架(4)纵向中点处，夹于超磁致伸缩棒(6)和线圈骨架(4)之间，铂电阻(Rf)、第一电阻(R1)、第一可调电阻(R2)和第二电阻(R3)组成的惠斯登桥电路，在第一电阻(R1)和第一可调电阻(R2)之间接第二可调电阻(R4)，第二可调电阻(R4)接第二电源(U2)，第二电源(U2)接在铂电阻(Rf)和第二电阻(R3)之间，在铂电阻(Rf)和第一电阻(R1)之间接电压放大器(15)的正接线柱，在第一可调电阻(R2)和第二电阻(R3)之间接电压放大器(15)的负接线柱，电压放大器(15)输出端接直流继电器(P)；第一电源(U1)负端接第三可调电阻(R5)、直流继电器(P)的触点、第一半导体制冷器(3)和第二半导体制冷器(3)，第二半导体制冷器(3)再与第一电源(U1)正端相接，组成主电路部分。
2. 根据权利要求1所述的半导体制冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器，其特征在于：所述的预压弹簧为圆柱形弹簧(14)或碟形弹簧。
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