CN2900921Y - 磁流变阻尼器及磁流变气动伺服系统 - Google Patents

Abstract

本磁流变阻尼器为分体式，充满MRF的阻尼阀内有线圈铁芯，为反并联的双线圈和三段式铁芯。阻尼缸为内有活塞的液压缸，阻尼阀和阻尼缸相连通。本阻尼器结构紧凑、重量轻、体积小、适用于气动伺服系统。本磁流变气动伺服系统采用本新型阻尼器，阻尼缸活塞和气缸活塞串联或并联，阻尼阀线圈连接电流控制器、单片机。压缩空气装置经换向阀接气缸两端进排气口。检测负载位置的位移传感器接单片机，单片机接计算机。单片机调节电流控制器将可调电流送入阻尼阀准确连续调节阻尼器的阻尼力，控制系统速度和定位精度。计算机根据位移信号运算输出电流控制信号，精确控制位置。本气动伺服系统可用廉价的普通换向阀和标准气缸实现快速精确的位置伺服控制。

Description

磁流变阻尼器及磁流变气动伺服系统

(一)技术领域

本实用新型涉及磁流变技术领域，具体为一种磁流变阻尼器及磁流变气动伺服系统。

(二)技术背景

气动技术因其一系列的优点在工业自动化生产中得到广泛应用。气动伺服系统中动力机构是其核心部件，动力机构的静、动态特性在很大程度上决定了整个系统的性能。由于气体介质的高压缩性和低粘性，目前常规气动伺服系统中，虽然使用了精密的气动伺服阀控气动缸动力机构仍很难实现较高的定位精度、频响及稳定性，限制了气动技术在一些工作性能要求较高的场合使用。

功能材料磁流变液(Magnetorheological Fluid，简称MRF)是细小磁性颗粒分散溶于绝缘载液中形成的悬浮液，是一种在磁场作用下，其流变学性能可作出迅速响应，且易于控制的新型智能材料。它在无外加磁场作用下表现为流动良好的液体状态，然而在外加磁场超过一临界值时，可在短时间(毫秒级)内，表观粘度增加两个数量级以上，并呈现类固体的力学性质，其强度由剪切屈服应力来表征。MRF粘度的变化可通过改变磁场的大小连续、精确、方便地加以控制，其液态和固态的转换具有可逆性。这种磁流变效应的磁性粒子还具有机电耦合效应、快速灵敏响应和良好稳定性，转换的能量消耗低，工作温度范围宽，不需高压电源，安全可靠，粘度可实现无级调控等特点，可与计算机控制结合，实现主动和半主动控制。

基于磁流变液在很小的磁场作用下(可由电磁铁和永磁铁产生)就能获得较高的屈服剪应力等一系列的优点，近年来许多专家研究基于磁流变液体的阻尼器，现有的磁流变阻尼器主要是用于抗震，如在建筑、桥梁、汽车领域的应用。现有的磁流变阻尼器多是整体式，体积较大。气动伺服系统中要求磁流变阻尼器的阻尼力并不很大，只需满足阻尼器的耗能等于气缸运动时动能的变化，但是要求阻尼器体积小、重量轻，所以，需根据气动伺服系统实际运动工况设计适用的磁流变阻尼器，以构成磁流变气动缸动力机构，实现较高的定位精度、频响及稳定性，现有磁流变阻尼器难以使用。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种适用于气动伺服系统的分体式磁流变阻尼器。

本实用新型的另一目的是设计一种应用该磁流变阻尼器的控制精度高、平稳性好的磁流变气动伺服系统。

本实用新型设计的磁流变阻尼器，包括充满磁流变液体的阻尼器腔体、其内有产生磁场的线圈和铁芯。本磁流变阻尼器为分体式，包括MRF阻尼阀和MRF阻尼缸，充满磁流变液体的MRF阻尼阀内有产生磁场的线圈和铁芯，充满磁流变液的MRF阻尼缸为内有活塞的液压缸，MRF阻尼阀和MRF阻尼缸相连通。

所述MRF阻尼阀内的线圈为反并联的双线圈，铁芯为三段式铁芯。

本磁流变阻尼器因采用分体式结构，其MRF阻尼器长度大大减小。且因MRF阻尼阀内的线圈为三段式铁芯上的反并联双线圈，所产生的磁场在中间部分强度增大，减少了漏磁。相对于同样的体积，产生了较大的阻尼力。本磁流变阻尼器结构紧凑、重量轻、体积小、动作灵敏，适合用于气动伺服系统。在本磁流变气动伺服系统中，由于采用本分体式磁流变阻尼器，只需配装普通的气动换向阀和气动缸，就能构成磁流变气动缸动力机构，实现运动部件速度和位置的精确控制。

本实用新型设计的磁流变气动伺服系统包括单片机、驱动负载的气缸、换向阀，所述系统内接有上述分体式磁流变阻尼器，该磁流变阻尼器包括MRF阻尼阀和MRF阻尼缸，充满磁流变液体的MRF阻尼阀内有产生磁场的线圈和铁芯，充满磁流变液的MRF阻尼缸为内有活塞的液压缸。MRF阻尼阀和MRF阻尼缸相连通，MRF阻尼缸内的活塞与气缸内的活塞串联或并联，构成磁流变气动缸动力机构。MRF阻尼阀的线圈与电流控制器相连接，单片机经信号线连接电流控制器。压缩空气装置经换向阀与气缸两端的进气口和排气口相连接，由压缩空气驱动气缸中的活塞往复运动。气缸或MRF阻尼缸的活塞杆上接有位移传感器，该传感器能实时检测负载运行的位移，位移传感器经信号线与单片机相连接，单片机经数据传输通道连接计算机。

本磁流变气动伺服系统的电流控制器将可调电流送入MRF阻尼阀线圈，产生不同的磁场强度，磁流变液的粘度和屈服应力随电流的增大而增大，甚至在外加磁场超过一临界值时，可在一瞬间变成类固体，而且这种变化是可逆的。在磁流变气动伺服系统中，通过单片机闭环反馈控制系统，精确控制电流控制器送出的电流，准确连续无级调节磁流变液的粘度，即准确连续无级控制磁流变阻尼器的阻尼力，从而控制系统的运行速度的平稳性和定位精度。

本磁流变气动伺服系统采用闭环控制，其位移传感器实时采集负载位移数据，采集的信号经处理后送入单片机，经换算得到实时运行速度，处理后的数据进入计算机后，计算机通过与设定量的运算比较输出相应的电流控制信号，送回到单片机，调节电流控制器输出，即调节磁流变阻尼器内磁流变液的粘性阻尼，以实现精确的位置控制并提高运动的平稳性。由于采用本磁流变阻尼器，本气动伺服系统的动力机构可以采用普通的气动换向阀，如三位五通电磁换向阀，气动执行元件可采用普遍使用的标准气缸，因此利用廉价的气源，简单的气动组件就能实现传统气压传动与伺服控制系统难以达到的动态和静态性能，使廉价的气动动力机构能实现快速、精确、位置伺服控制。

(四)附图说明

图1为本磁流变阻尼器实施例结构示意图。

图2为本磁流变气动伺服系统实施例1结构示意图。

图3为本磁流变气动伺服系统实施例2结构示意图。

(五)具体实施方式

实施例1

本磁流变阻尼器实施例1如图1所示，包括MRF阻尼阀1-1和MRF阻尼缸1-2，充满磁流变液体的MRF阻尼阀1-1内有产生磁场的线圈1-11和铁芯1-12，充满磁流变液体的MRF阻尼缸1-2为内有活塞的液压缸，MRF阻尼阀1-1和MRF阻尼缸1-2相连通。

所述MRF阻尼阀1-1内的线圈1-11为反并联的双线圈，铁芯1-12为三段式铁芯。

本磁流变气动伺服系统实施例1如图2所示，包括单片机6、驱动负载2的气缸3、换向阀4、磁流变阻尼器1，构成磁流变气动缸动力机构，该磁流变阻尼器1为上述本实用新型的分体式磁流变阻尼器。MRF阻尼缸1-2的活塞与气缸3的活塞及负载2串联，MRF阻尼阀1-1内的线圈1-11与电流控制器7相连接，单片机6经信号线连接电流控制器7。压缩空气装置经换向阀4与气缸3两端的进气口和排气口相连接，该换向阀4为普通电磁气动换向阀，由压缩空气驱动气缸3中的活塞往复运动，气缸3或MRF阻尼缸2-2的活塞杆上接有位移传感器5，位移传感器5经信号线与单片机6相连接，单片机6经数据传输通道连接计算机8。

磁流变阻尼器1消耗的能量，即制动能E_mrl为：

            E_mrl＝F_mrl(x_t-x_l)

式中：F_mrl为磁流变阻尼力；x_t为目标位移，x_l为施加控制时的位移，则x_t-x_l＝Δx调节时间。

运动部件的动能变化量ΔE_k为： ${\mathrm{\ΔE}}_k=\frac{1}{2}{\mathrm{m\Δv}}^2$

式中：m为运行部件的质量；Δv为速度偏差。

根据系统能量守恒定律则有：E_mrl＝E_k

即： $F_{\mathrm{mrl}}\mathrm{\Δx}=\frac{1}{2}{\mathrm{m\Δv}}^2$

当系统检测到目标位移时，控制系统发出信号控制换向阀4失电，处于中位，同时根据负载的运行速度，给阻尼器线圈1-11加载相应的电流，使负载2在规定的控制范围内停下来，实现系统的精确定位。

实施例2

本磁流变气动伺服系统实施例2如图3所示，其组成元件及连接方式与实施例1基本相同，但其MRF阻尼缸1-2的活塞与驱动负载2的气缸3的活塞并联，构成磁流变气动缸动力机构。

Claims (5)

1、一种磁流变阻尼器，包括充满磁流变液体的阻尼器腔体、其内有产生磁场的线圈和铁芯；其特征在于：

本磁流变阻尼器为分体式，包括MRF阻尼阀(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)，充满磁流变液体的MRF阻尼阀(1-1)内有产生磁场的线圈(1-11)和铁芯(1-12)，充满磁流变液体MRF阻尼缸(1-2)为内有活塞的液压缸，MRF阻尼阀(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)相连通。

2、根据权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

所述MRF阻尼阀(1-1)内的线圈(1-11)为反并联的双线圈，铁芯(1-12)为三段式铁芯。

3、一种磁流变气动伺服系统，包括单片机(6)、驱动负载(2)的气缸(3)、换向阀(4)，其特征在于：

系统中接有分体式磁流变阻尼器(1)，该磁流变阻尼器(1)包括MRF阻尼阀(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)，充满磁流变液体的MRF阻尼阀(1-1)内有产生磁场的线圈(1-11)和铁芯(1-12)，充满磁流变液体MRF阻尼缸(1-2)为内有活塞的液压缸，MRF阻尼阀(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)相连通；

MRF阻尼缸(1-2)的活塞与气缸(3)的活塞及负载(2)连接，MRF阻尼阀(1-1)内的线圈(1-11)与电流控制器(7)相连接，单片机(6)经信号线连接电流控制器(7)，压缩空气装置经换向阀(4)与气缸(3)两端的进气口和排气口相连接。

4、根据权利要求3所述的磁流变气动伺服系统，其特征在于：

所述气缸(3)或MRF阻尼缸(1-2)的活塞杆上接有位移传感器(5)，位移传感器(5)经信号线与单片机(6)相连接，单片机(6)经数据传输通道连接计算机(8)。

5、根据权利要求3所述的磁流变气动伺服系统，其特征在于：

MRF阻尼缸(1-2)的活塞与气缸(3)的活塞串联或并联，构成磁流变气动缸动力机构。