一種能量回饋型磁流變-氣浮復(fù)合執(zhí)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體傳動與運動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有獨立可調(diào)剛度和可控阻尼且具結(jié)構(gòu)緊湊的能量回饋型磁流變-氣浮復(fù)合執(zhí)行器。該執(zhí)行器不僅可用于機械、航空航天、車輛等領(lǐng)域中大行程、高精度、快響應(yīng)的精密運動場合，也可用于這些領(lǐng)域可變工況和干擾下的智能振動隔離和沖擊吸收。
【背景技術(shù)】
[0002]氣壓傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、操作安全、系統(tǒng)剛度與負(fù)載配重靈活可調(diào)等特點，因而氣缸執(zhí)行器在有一定動態(tài)和精度要求、承載適中、行程較大的低成本(萬元級)精密運動系統(tǒng)中具有較好的適用性。然而，普通氣缸因較大且突變的動靜摩擦力之差導(dǎo)致其在低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象而降低定位精度，在高速運動時又由于較大的摩擦力/驅(qū)動力之比限制了運動的平穩(wěn)性和快速性。而且，氣缸摩擦力與氣壓和運動狀態(tài)等都有關(guān)，具有非常復(fù)雜的動態(tài)特性，難以進行有效建模和補償控制。為避開復(fù)雜的氣缸摩擦力給精密運動控制帶來的問題，有必要引入無摩擦氣動技術(shù)。然而，若采用主動高增益來控制無摩擦系統(tǒng)，其本質(zhì)零阻尼特性將導(dǎo)致系統(tǒng)對外部干擾敏感而產(chǎn)生定位不穩(wěn)定。為此，在無摩擦氣動系統(tǒng)中需引入獨立的可控阻尼，通過剛度和阻尼的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)高速高精度的精密運動，同時保證整個系統(tǒng)具有較強的抗干擾性與振動抑制性能。
[0003]磁流變液是一種由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體，在零磁場下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性，而在磁場作用下呈現(xiàn)出高粘度、低流動的賓漢體特性(即磁流變效應(yīng))，且其從流體到半固體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程快速而可逆?；诖帕髯冃?yīng)的磁流變阻尼器因其可控的輸出力，較大的可調(diào)范圍，較快的響應(yīng)速度、較低的環(huán)境污染敏感度，以及低能耗等特點，近年來受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，在減隔振系統(tǒng)阻尼控制方面具有優(yōu)良性能。
[0004]現(xiàn)有的磁流變技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，大多采用將氣缸與磁流變阻尼/制動器直接串聯(lián)或并聯(lián)，或?qū)⒋帕髯冏枘崞髋c空氣彈簧相并聯(lián)安裝，運用于定位鎖緊、穩(wěn)定調(diào)速和減振隔振控制等方面。如美國專利US6302249B1 (linear- acting controllable pneumaticactuator and mot1n control apparatus including a field responsive medium andcontrol method therefor)、中國專利CN2900921Y (磁流變阻尼器及其磁流變氣動伺服系統(tǒng))涉及將氣缸執(zhí)行器與磁流變制動器/磁流變阻尼器串聯(lián)安裝來提高氣缸定位的精度。中國專利CN101865175A (內(nèi)置磁流變液制動器的擺動氣缸)涉及利用磁流變制動器內(nèi)嵌入擺動氣缸實現(xiàn)系統(tǒng)定位鎖死功能；中國專利CN202228470U(磁流變液氣液阻尼缸)涉及由外置式電磁線圈、氣缸缸筒和液壓缸缸筒串聯(lián)而成的磁流變液氣液阻尼缸實現(xiàn)氣缸運動速度的平穩(wěn)控制；美國專利 US7077226B2 (controlled truck cab suspens1n system)主要提供一種采用磁流變阻尼器-空氣彈簧的懸架系統(tǒng)來改善機械系統(tǒng)的減振性能和懸架系統(tǒng)中位移控制性能。但上述專利中并沒有考慮到氣缸摩擦力較大或摩擦力變化較大時，會使運動控制的平穩(wěn)性和有效力輸出性能大大降低，從而降低了高速快響應(yīng)應(yīng)用的實現(xiàn)性。另外，現(xiàn)有專利技術(shù)中氣缸執(zhí)行器和磁流變阻尼器往往進行簡單的外掛式串聯(lián)安裝，整體結(jié)構(gòu)過于冗余。更進一步地，現(xiàn)有氣缸執(zhí)行器運動時，機械能轉(zhuǎn)換為熱能被耗散掉，沒有進行有效回收從而實現(xiàn)節(jié)能效果。因而，現(xiàn)有技術(shù)不能有效應(yīng)用于空間或結(jié)構(gòu)限制、能實現(xiàn)高速、高精度、快響應(yīng)和節(jié)能要求的精密運動控制場合。
[0005]本發(fā)明將基于磁流變效應(yīng)的可控阻尼技術(shù)與基于氣浮效應(yīng)的無摩擦氣缸技術(shù)相結(jié)合，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的能量回饋型磁流變-氣浮復(fù)合執(zhí)行器，其能實現(xiàn)剛度、阻尼和行程大范圍獨立可調(diào)，且具有主動/半主動/被動等多種綜合控制模式以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，同時也可以通過運動能量回饋實現(xiàn)節(jié)能需求。該復(fù)合執(zhí)行器將在高端加工、航空航天、微電子制造和高精度測量等領(lǐng)域的高精度運動、減震隔振系統(tǒng)等場合具有較好的應(yīng)用前景。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有磁流變與氣動技術(shù)結(jié)合時存在的摩擦力影響高速高精度性能的實現(xiàn)以及其結(jié)構(gòu)緊湊型與功能擴展設(shè)計等的不足，提供一種能量回饋型磁流變-氣浮復(fù)合執(zhí)行器。
[0008]一種能量回饋型磁流變-氣浮復(fù)合執(zhí)行器，其特征在于，包括磁流變阻尼器、能量回饋組件、滑動導(dǎo)軌組件、中間連接組件、無摩擦氣缸；所述磁流變阻尼器、滑動導(dǎo)軌組件與能量回饋組件由內(nèi)向外同軸心安裝；所述無摩擦氣缸與磁流變阻尼器和能量回饋組件通過中間連接組件耦合為整體；
所述中間連接組件由中間端蓋、空氣軸承、液缸后直線軸承、氣缸前端口、液缸后端口、空氣軸承通氣口組成；
其中，所述中間端蓋中心開有開有階梯孔，階梯孔兩端分別安裝有空氣軸承和液缸后直線軸承；所述空氣軸承表面安裝有空氣軸承密封圈；所述中間端蓋的一側(cè)圓周上開有氣缸前端口和空氣軸承通氣孔，空氣軸承通氣孔與空氣軸承相通。
[0009]所述無摩擦氣缸包括后端蓋、氣缸后密封環(huán)、氣缸體、氣缸活塞組件、氣缸活塞桿、氣缸端面緩沖墊、氣缸前密封環(huán)、氣缸后端口 ；
其中，所述氣缸體兩端開口，分別被所述后端蓋和所述中間連接組件所封閉，形成無摩擦氣缸的內(nèi)部區(qū)域；所述無摩擦氣缸的內(nèi)部區(qū)域填充壓縮空氣，被氣缸活塞組件分隔成第一工作氣腔和第二工作氣腔；氣缸活塞組件與氣缸體同軸心安裝，且氣缸活塞組件外徑小于氣缸體內(nèi)徑，氣缸活塞組件與氣缸體之間形成氣浮間隙，第一工作氣腔和第二工作氣腔通過氣浮間隙相通；氣腔后端口開設(shè)于所述后端蓋上，且與所述第一工作氣腔相通；第二工作氣腔與所述氣缸前端口相通；所述后端蓋通過四個后端蓋固定螺栓與氣缸體末端連接；所述氣缸體與后端蓋之間安裝有氣缸后密封環(huán)；所述氣缸體與中間端蓋之間安裝有氣缸前密封環(huán)；所述氣缸體與中間端蓋末端之間安裝有氣缸端面緩沖墊；
所述氣缸活塞組件包括氣缸活塞后端蓋、活塞導(dǎo)向帶、節(jié)流孔部件、氣缸活塞缸、氣缸活塞前端蓋、單向閥部件、球型鉸鏈和鉸鏈座；所述氣缸活塞前端蓋和所述氣缸活塞后端蓋分別安裝在所述氣缸活塞缸的前后兩側(cè)；氣缸活塞缸的側(cè)面上前部和后部均開有環(huán)形凹槽，所述活塞導(dǎo)向帶嵌套在所述環(huán)形凹槽內(nèi)；所述氣缸活塞缸圓周表面均勻分布有從表面直至活塞內(nèi)腔的通孔，節(jié)流孔部件安裝在所述通孔內(nèi)，所述節(jié)流孔部件中心開有節(jié)流孔；所述單向閥部件包括單向閥閥體、單向閥固定件、膜片彈簧；所述單向閥部件均勻分布安裝在氣缸活塞前端蓋和氣缸活塞后端蓋上；所述氣缸活塞前端蓋與鉸鏈座之間通過球型鉸鏈連接。
[0010]所述磁流變阻尼器包括液缸前端蓋、液缸前直線軸承、液缸活塞桿、液缸活塞組件、液缸體、隔磁缸筒、液缸前密封環(huán)、液缸后密封環(huán)。其中，
所述液缸體兩端開口，一端與液缸前端蓋通過螺紋相連，另一端與中間連接組件通過液缸內(nèi)固定螺釘相連，液缸體與所述液缸前端蓋之間安裝有密封圈，液缸體與中間連接組件之間安裝有密封圈；所述液缸前端蓋中心開有通孔，液缸前直線軸承安裝在所述通孔內(nèi)；所述液缸體內(nèi)部填充磁流變液，被液缸活塞組件將液缸體分隔成第一工作液腔和第二工作液腔；液缸活塞組件與液缸體同軸心安裝，且液缸活塞組件外徑小于液缸體內(nèi)徑，液缸活塞組件和液缸體之間形成磁流變液間隙，第一工作液腔和第二工作液腔之間通過磁流變液間隙相通；所述隔磁缸筒同軸安裝在液缸體的外部。
[0011]所述液缸活塞桿兩側(cè)開有徑向孔，中心開有引線孔；兩側(cè)的徑向通孔與引線孔相通；液缸活塞桿穿過液缸活塞組件；所述液缸活塞組件包括液缸活塞、阻尼器線圈和線圈襯套；液缸活塞開有繞線槽，繞線槽與所述液缸活塞桿一側(cè)的徑向通孔相通；線圈襯套安裝在液缸活塞的繞線槽內(nèi)，所述阻尼器線圈圍繞在線圈襯套上；組成阻尼器線圈的銅導(dǎo)線穿過液缸活塞桿的引線孔，從液缸活塞桿另一側(cè)的銅導(dǎo)線引出端口伸出；
所述能量回饋組件包括發(fā)電定子組件和發(fā)電動子組件，發(fā)電動子組件與發(fā)電定子組件由外向內(nèi)同軸安裝；
其中，所述發(fā)電定子組件由定子缸體、發(fā)電線圈、外缸筒、前端蓋、前端蓋內(nèi)直線軸承組成；所述定子缸體為圓筒形結(jié)構(gòu)，外輪廓上開有均布的若干繞線槽；所述發(fā)電線圈圍繞在定子缸體外輪廓的繞線槽內(nèi)；所述外缸筒與定子缸體同軸安裝，所述外缸筒外輪廓為方形，內(nèi)輪廓為階梯圓柱，外缸筒的前端與所述前端蓋通過四套前端蓋固定螺栓連接，后端與中間連接組件固定連接；所述前端蓋中心開有通孔，前端蓋內(nèi)直線軸承安裝在所述通孔內(nèi)。
[0012]所述發(fā)電動子組件由動子缸體固定件、動子缸體、永磁體、磁極片和磁性部件固定件組成；所述動子缸體固定件與所述動子缸體通過四套固定件螺釘緊固；所述動子缸體內(nèi)壁套在滑動導(dǎo)軌組件的外圈上；所述動子缸體外壁為階