CN1758523A - 磁致伸缩直线运动驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁致伸缩直线运动驱动器，技术特征在于：它由一个可产生变形的驱动机构C，和两个U型电磁铁箝位体A和B，一个铁磁体台面D和一个激励源E组成；其中，驱动机构C与箝位体A和B刚性连接；并且驱动机构C依靠箝位体A和B支撑置放于一个铁磁体台面D上；箝位体A和B的各两个轭铁端面保持与台面D同时接触。利用U型电磁铁箝位是基于器件整体尺寸有限条件下，产生双倍的箝位吸力，并且吸力大小可根据通入电流大小来调整。本发明所研制的驱动器具有单元体特性，体积微小、质量轻，驱动响应迅捷，驱动输出功率大，驱动位移精确，结构简单、易于制造的特点，可被广泛用于有轻质、小体积、大功率驱动，高精度定位要求的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩直线运动驱动器，主要是利用磁致伸缩材料进行位移驱动，利用U型电磁铁进行箝位/定位的一种直线运动磁致伸缩驱动器。潜在应用于定位、测量、机电一体化系统，微小机电系统或仪器及机器人的研制。
背景技术：近些年来，一些如压电陶瓷、磁致伸缩材料、形状记忆合金、电流变液等智能材料的研制和应用得到了迅速的发展，一些基于这些材料的机电系统和仪器相应问世。如美国Etrema公司和PI公司已利用磁致伸缩材料和压电陶瓷开发出了可用于精密驱动、精密定位或用于精密测量的系列驱动器产品。由于这些产品所产生的微应变或微驱动性能是直接基于智能材料的精密/精确的微形变而得到的，因此这类系列驱动器多具有超高精度驱动位移和定位性能，可达纳米精度定位。但是，由于智能材料的应变性能有限，如目前微应变效果最佳的Etrema公司的Terfenol-D材料静态最大磁致应变为1800个微应变(一米长的Terfenol-D材料可获得最大1.8毫米的伸长量)，所以基于智能材料研制的驱动定位器件有一个共同缺陷就是定位、驱动位移行程有限，特别是一些小尺寸器件，只限于微米范围驱动或位移。因而，如果能够解决运用智能材料开发的器件驱动位移范围有限的问题，而开发出基于智能材料的既具有定位精度高又具有大行程能力的驱动器技术对扩大智能材料的应用领域并研发出新型精密器件具有很积极的意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁致伸缩直线运动驱动器，基于尺蠖运动机理，利用可产生伸缩形变的智能材料作位移驱动，利用U型电磁铁的电磁吸力进行箝位来实现驱动器自身的整体移动。本发明研制的驱动器将具有驱动行程大(行程大小可无限制)，可前后双向驱动，箝位机构简单，驱动负载能力较大且可调，体积小，定位精度较高的特点。
技术方案
本发明的技术特征在于：它由一个可产生变形的驱动机构C，和两个U型电磁铁箝位体A和B，一个铁磁体台面D和一个激励源E组成；其中，驱动机构C与箝位体A和B刚性连接；并且驱动机构C依靠箝位体A和B支撑置放于一个铁磁体台面D上；箝位体A和B的各两个轭铁端面保持与台面D同时接触。利用U型电磁铁箝位是基于器件整体尺寸有限条件下，产生双倍的箝位吸力，并且吸力大小可根据通入电流大小来调整。
由上述特征刚性联结而成的物体，可以产生如图2所示的一个向左(前)的单步位移，该位移过程分4步：
箝位体B箝位(使固定不动)，箝位体A处于释放状态(可动)；
驱动机构C伸长，因箝位体B固定，箝位体A随驱动机构C的伸长向左移动；
箝位体A箝位，释放箝位体B；
驱动机构C复原(收缩)，因箝位体A固定，驱动机构C整体向左移动；箝位体B随驱动机构C也向左移动；
至此，箝位体A、B以及驱动机构C三部分均向左移动，从而运动物体整体向左移动了一步，移动位移量理论上与驱动机构C的伸长量相同。重复以上步骤便可实现该运动物体的自右向左运动(向前运动)；同样改变箝位体B和箝位体A的箝位顺序可实现该运动物体自左向右的运动(向后运动)。
铁磁体台面D可为一个“凹”型框架16，在该框架两个内侧壁，驱动器运动方向上开出两个槽型轨道17；导向杆2两端装配有轴承3，并且该轴承3可置于轨道17中。
一对箝位体A和B通过其4个轭铁10的端面同时与导向框架16的其中一个内侧壁接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的导向杆2连接。
在导向框架16的另一个内侧壁或下底面还可以接触放置一对箝位体A和B，并通过各对箝位体的4个轭铁10的端面同时与导向框架16的另一个内侧壁或下底面接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的导向杆2或移输出顶杆13连接。
在导向框架16的第三个内壁，即另一侧壁或下底面，还可以接触放置一对箝位体A和B，并通过各对箝位体的4个轭铁10的端面同时与导向框架16的其中一个内壁接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的移输出顶杆13或导向杆2连接。
在箝位体A、B和台面D之间加一层防止剩磁的非导磁材料膜18，可以采用铜皮或电镀铜膜。
有益效果
本发明的有益效果是：目前在国际及国内的精密制造、机器人、精密测量等领域的器件研发中有：相关研究及器件开发着眼于微小型化；注重应用智能材料科学的研究成果开发新型功能器件两个发展趋势。
本发明正是结合这两个发展趋势，针对精密制造、机器人、精密测量领域的潜在和未来应用而实施的。所研制驱动器具有体积微小、质量轻，驱动响应迅捷，驱动输出功率大，驱动位移精确，结构简单、易于制造的特点。该驱动器具有单元体特性，可被作为单元部件广泛用于有轻质、小体积、大功率驱动，高精度定位要求的应用场合。
附图说明
图1：运动物体示意图
图2：运动物体的尺蠖运动示意图
图3：电磁式箝位运动平台/线性电机示意图
图4：凹型框架与箝位体相对(可能的相对)位置示意图
图5：无导向槽U型电磁铁箝位磁致伸缩直线驱动器结构及说明三视图
图6：有导向槽U型电磁铁箝位磁致伸缩直线驱动器结构及说明二视图
1-连接杆 2-导向杆 3-轴承 4-驱动器客体 5-磁致伸缩材料体 6-励磁线圈7-碟形弹簧 8-旋紧盖板 9-旋紧孔/导线孔 10-轭铁 11-挡板1 12-挡板213-位移输出顶杆 14-紧固螺栓 15-线圈 16-导向框架 17-导向槽 18-非导磁材料膜
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
实施例1：无导向槽体驱动器结构及说明
一个可产生伸长变形的驱动机构C，两个U型电磁铁箝位爪A和B，一个铁磁体台面D，C的驱动位移激励源，和产生A、B的电磁力电源。利用U型电磁铁箝位是基于器件整体尺寸有限条件下，产生双倍的箝位吸力，并且吸力大小可根据通入电流大小来调整。
所述的驱动机构C由一个磁致伸缩材料体5，一个励磁线圈6，两个中心开孔的碟形弹簧7，两个位移输出顶杆13，一个刚性的驱动器壳体4，两个中心开孔的旋紧盖板8，以及两个导向杆2组成；其中磁致伸缩材料体5置于励磁线圈6的中轴位置，磁致伸缩材料体5两个长度方向端面分别与两个位移输出顶杆13连接，顶杆可由旋紧盖板8中心孔伸出，输出顶杆13上在接触磁致伸缩材料5的一端有一突台，碟形弹簧7可置于该突台和旋紧盖板8之间，端盖8可通过螺纹在驱动器壳体4轴向旋进或旋出；两个导向杆2在旋紧盖板8外侧分别紧固于两个输出顶杆13上，并且导向杆2的轴向应与输出顶杆13垂直并与台面D平行。
驱动机构C的位移输出杆13与箝位体A和B上的连接杆1通过紧固螺栓14连接；箝位体A和B相对台面D的位置可以进行上下或360度范围内的位置旋转调整，调整后，并由紧固螺栓14固定。
如图5及结合图2尺蠖运动描述，U型电磁箝位爪A、B和磁致伸缩驱动器C交替作用，可实现该驱动器的前后运动，运动行程大小只取决于电磁输入系统的控制和平台D的尺寸。
具体实现时过程：
1、先给A通电产生电磁吸力吸附于台面D，C与A相固连端因该吸力而箝位不动；
2、给驱动器内线圈6通电，线圈6产生励磁场使驱动器(磁致伸缩材料棒体5)伸长ΔL，此时B未通电，没有电磁吸力而处于自由状态，B将随C的伸长而产生距离为ΔL的移动；
3、给B通电产生电磁吸力吸附于D，C与B相固连端因该吸力而箝位不动，然后给A中线圈15断电消除A和D间的磁吸力，使A处于自由状态，再给C中线圈6断电，消除励磁场，C的伸长将会复原，此时由于B处于箝位状态，则C因长度复原而带动A及C自身向靠近B的方向移动一个收缩量ΔL；
4、最后给B中线圈15断电，消除B与D间的磁吸力。至此B、A、C都分别向同一方向移动了一个距离为ΔL的位移量，即BAC整体移动了ΔL的位移。
5、改变以上通断电顺序，使A和B中的线圈15通断电次序交换，即改变过程“A通-C通-B通-A断-C断-B断”为过程“B通-C通-A通-B断-C断-A断”，则BAC整体将反方向移动，从而产生-ΔL的位移。
6、重复以上过程，则单步位移累积，而实现大运动行程。
另外，平台D的材料选择以不产生剩磁现象的软磁材料为宜，如果选择一般的铁磁材料，则要考虑在A、B和D之间加一层防止剩磁的非导磁材料膜18(如铜皮或电镀铜膜)。否则，剩磁现象将影响驱动器的前后运动效果。
实施例2：有导向槽体驱动器结构及说明
图5中所示导向杆是基于图6所示有框架和导向槽结构而设计的。图6所示结构中，除具有“凹”导向框架16和导向槽17以外，其它各部分均与图5相同(标注及说明略)。并且实际应用中的导向框架为可调节框架(未画出)，即框架间距(两平行导向槽间距)可根据导向杆长度调节，并紧固。该导向结构是为了确保驱动器运动为直线运动，改善运动定位精度而设计的。
如图6及结合图2尺蠖运动描述，U型电磁箝位爪A、B和磁致伸缩驱动器C交替作用，在导向槽17的限位下实现直线运动；具体实施过程与图5所示无槽情形相同；运动行程大小只取决于电磁输入系统的控制，导向框架16和导向槽17在运动方向上的长度尺寸。
另外，为了增加箝位吸力和运动的平稳性，还有以下几种情况：
1.一对箝位体A和B通过其4个轭铁10的端面同时与导向框架16的其中一个内侧壁接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的导向杆2连接，如图4(a)所示；
2.或在导向框架16的另一个内侧壁或下地面还可以接触放置一对箝位体A和B，并通过其4个轭铁10的端面同时与导向框架16的其中一个内侧壁或下底面接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的导向杆2或移输出顶杆13连接，如图4(b)(c)所示；
3.或在导向框架16的三个内壁(两侧壁和下底面)分别同时接触放置一对箝位体A和B，并通过各对箝位体的4个轭铁10的端面同时与导向框架16的其中一个内壁接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的移输出顶杆13或导向杆2连接，如图4(d)所示；。
运动始实施时，控制环节也相应变为控制一对箝位体或两对箝位体或三对箝位体。
Claims (8)
1、一种直线运动驱动器，其特征在于：它由一个可产生变形的驱动机构C，和两个U型电磁铁箝位体A和B，一个铁磁体台面D和一个激励源E组成；其中，驱动机构C与箝位体A和B刚性连接；并且驱动机构C依靠箝位体A和B支撑置放于一个铁磁体台面D上；箝位体A和B的各两个轭铁端面保持与台面D同时接触。
2、根据权利要求1所述的直线运动驱动器，铁磁体台面D可为一个“凹”型框架(16)，在该框架两个内侧壁，驱动器运动方向上开出两个槽型轨道(17)；导向杆(2)两端装配有轴承(3)，并且该轴承(3)可置于轨道(17)中。
3、根据权利要求2所述的直线运动驱动器，其特征在于：一对箝位体A和B通过其4个轭铁(10)的端面同时与导向框架(16)的其中一个内侧壁接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的导向杆(2)连接。
4、根据权利要求2或3所述的直线运动驱动器，其特征在于：在导向框架(16)的另一个内侧壁或下底面还可以接触放置一对箝位体A和B，并通过各对箝位体的4个轭铁(10)的端面同时与导向框架(16)的另一个内侧壁或下底面接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的导向杆(2)或移输出顶杆(13)连接。
5、根据权利要求2或3或4所述的直线运动驱动器，其特征在于：在导向框架(16)的第三个内壁，即另一侧壁或下底面，还可以接触放置一对箝位体A和B，并通过各对箝位体的4个轭铁(10)的端面同时与导向框架(16)的其中一个内壁接触放置，并且箝位体A和B分别与就近的移输出顶杆(13)或导向杆(2)连接。
6、根据权利要求1所述的直线运动驱动器，其特征在于：所述的驱动机构C由一个磁致伸缩材料体(5)，一个励磁线圈(6)，两个中心开孔的碟形弹簧(7)，两个位移输出顶杆(13)，一个刚性的驱动器壳体(4)，两个中心开孔的旋紧盖板(8)，以及两个导向杆(2)组成；其中磁致伸缩材料体(5)置于励磁线圈(6)的中轴位置，磁致伸缩材料体(5)两个长度方向端面分别与两个位移输出顶杆(13)连接，顶杆可由旋紧盖板(8)中心孔伸出，输出顶杆(13)上在接触磁致伸缩材料(5)的一端有一突台，碟形弹簧(7)可置于该突台和旋紧盖板(8)之间，端盖(8)可通过螺纹在驱动器壳体(4)轴向旋进或旋出；两个导向杆(2)在旋紧盖板(8)外侧分别紧固于两个输出顶杆(13)上，并且导向杆(2)的轴向应与输出顶杆(13)垂直并与台面D平行。
7、根据权利要求1或6所述的直线运动驱动器，其特征在于：驱动机构C的位移输出杆(13)与箝位体A和B上的连接杆(1)通过紧固螺栓(14)连接；箝位体A和B相对台面D的位置可以进行上下或360度范围内的位置旋转调整，调整后，并由紧固螺栓(14)固定。
8、根据权利要求1所述的直线运动驱动器，其特征在于：在箝位体A、B和台面D之间加一层防止剩磁的非导磁材料膜(18)，可以采用铜皮或电镀铜膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |