專利名稱：擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及一種精密機(jī)械裝置，具體涉及一種基于智能材料磁流變彈性體的微位移促動(dòng)器，適用于天文望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦機(jī)構(gòu)、主動(dòng)光學(xué)鏡面控制、超精加工行業(yè)要求在毫米量級(jí)行程上進(jìn)行高分辨率的精密運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
背景技術(shù)：
精密測(cè)量和微尺度驅(qū)動(dòng)在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，特別是在光學(xué)領(lǐng)域。天文望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)一般包括主鏡、次鏡等光學(xué)元件，其中主鏡和次鏡的間距對(duì)望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量有很大影響，而主次鏡的間距會(huì)因?yàn)榘惭b誤差、溫度變化以及望遠(yuǎn)鏡在不同俯仰角位置時(shí)重力引起的彎沉導(dǎo)致改變，因此望遠(yuǎn)鏡次鏡一般都要求具有在微小尺度上自動(dòng)調(diào)整能力以適應(yīng)主次鏡間距的變化。另外主動(dòng)光學(xué)所用的薄鏡和自適應(yīng)光學(xué)所用的變形鏡，都需要在微小尺度控制鏡面的變形來適應(yīng)成像對(duì)鏡面面形的要求。在超精密檢測(cè)、超精加工行業(yè)也都有類似的需求。常用的精密驅(qū)動(dòng)裝置有磁致伸縮促動(dòng)器、壓電陶瓷促動(dòng)器和精密絲杠促動(dòng)器。磁致伸縮促動(dòng)器是利用鐵磁性材料在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生微伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)微位移，但由于鐵磁材料在磁場(chǎng)的作用下，除產(chǎn)生磁致伸縮外，還伴隨著受熱伸長(zhǎng)，因此其應(yīng)用受到了限制。壓電陶瓷促動(dòng)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積很小，無機(jī)械摩擦，無間隙，具有很高的微位移分辨率，但行程小(通常只有幾十微米)，負(fù)載能力低。精密絲杠促動(dòng)器可以同時(shí)滿足大行程、大負(fù)載的要求，同時(shí)其成本低，控制簡(jiǎn)單，但存在著間隙、傳動(dòng)誤差、摩擦損耗及爬行等現(xiàn)象，難以達(dá)到微納米分辨率要求。磁流變彈性體是一種新型的智能材料，它是在橡膠類彈性體中加入微米量級(jí)的鐵磁性顆粒制成，在不同的磁場(chǎng)下磁流變彈性體的彈性模量會(huì)發(fā)生變化，這種特殊的現(xiàn)象稱為磁流變效應(yīng)。因此磁流變彈性體可以用來做變剛度元件。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的行程小、行程不可調(diào)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微位移分辨率低的問題，本發(fā)明提出一種使用智能材料磁流變彈性體作為變剛度元件來實(shí)現(xiàn)大行程高分辨力的微位移促動(dòng)器。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器，包括下外殼、下導(dǎo)磁體、磁流變彈性體、勵(lì)磁線圈、上導(dǎo)磁體、擠壓盤、輸出桿、直線軸承、固定法蘭、預(yù)緊機(jī)構(gòu)和上外殼；下外殼和上外殼通過固定法蘭的法蘭盤外圈固定連接；下導(dǎo)磁體固定連接在外殼的底部；磁流變彈性體的下端固定在下導(dǎo)磁體上，勵(lì)磁線圈套在磁流變彈性體的外部；擠壓盤的下端固定在磁流變彈性體的上端；上導(dǎo)磁體套在擠壓盤外部，并置于勵(lì)磁線圈的上部；直線軸承上設(shè)有法蘭， 直線軸承穿過固定法蘭的法蘭孔并與固定法蘭法蘭連接；輸出桿的中部設(shè)有中擋圈，輸出桿的下端穿過直線軸承并與擠壓盤的上端固定連接；預(yù)緊機(jī)構(gòu)固定在上外殼的頂端，并套在輸出桿的上端外部。
本發(fā)明的微位移促動(dòng)器使用一根輸出桿作微位移輸出，輸出桿的一端和一個(gè)擠壓盤通過螺紋連接，擠壓盤的另一端和磁流變彈性體粘結(jié)在一起，而輸出桿的另一端由一個(gè)直線軸承固定保證輸出桿的直線運(yùn)動(dòng)，且輸出桿的頂端有一個(gè)預(yù)緊機(jī)構(gòu)。磁流變彈性體和下導(dǎo)磁體粘結(jié)在一起，磁流變彈性體處于一個(gè)由勵(lì)磁線圈、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體和擠壓盤構(gòu)成的一個(gè)完整勵(lì)磁磁路中。上述輸出桿的材質(zhì)需要由不導(dǎo)磁材料制作，且剛度要求高，可選用鋁合金之類材料制作。上述磁流變彈性體制作成圓柱形，擠壓盤和磁流變彈性體的上表面粘結(jié)，磁流變彈性體的受力狀態(tài)為擠壓形式。上述勵(lì) 磁磁路中的上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體和擠壓盤由導(dǎo)磁性好的材料制成，以避免磁路的磁場(chǎng)泄漏，可選用工業(yè)純鐵制作。上述磁流變彈性體和勵(lì)磁線圈之間留有縫隙，為磁流變彈性體受擠壓時(shí)留出一定的橫向變形空間。上述預(yù)緊機(jī)構(gòu)由碟簧組、擋圈和調(diào)整螺釘組成，其中調(diào)整螺釘和上外殼通過螺紋連接，當(dāng)旋動(dòng)調(diào)整螺釘時(shí)，調(diào)整螺釘壓縮碟簧組，從而對(duì)輸出桿施加壓力。本發(fā)明的促動(dòng)器工作時(shí)需使用調(diào)整螺釘對(duì)輸出桿施加壓力，使磁流變彈性體產(chǎn)生初始變形，即輸出桿端部初始位移。之后接通電路，磁流變彈性體在磁場(chǎng)作用下彈性模量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致磁流變彈性體的變形發(fā)生改變，即輸出桿端部位移改變。本發(fā)明的有益效果是行程大，基于磁流變彈性體促動(dòng)器的行程比壓電式和磁致伸縮式促動(dòng)器的行程大；行程可調(diào)，通過調(diào)節(jié)促動(dòng)器初始位移就可以調(diào)節(jié)促動(dòng)器的行程； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于行程大且可調(diào)節(jié)，因此無需位移放大機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器的原理示意圖。圖3為本發(fā)明磁流變彈性體的彈性模量隨磁場(chǎng)變化的曲線圖。圖中1、下外殼，2、下導(dǎo)磁體，3、磁流變彈性體，4、勵(lì)磁線圈，5、上導(dǎo)磁體，6、擠壓盤，7、輸出桿，8、直線軸承，9、固定法蘭，10、碟簧組，11、擋圈，12、調(diào)整螺釘，13、上外殼，14、 中擋圈，15、法蘭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器包括下外殼1、下導(dǎo)磁體2、磁流變彈性體3、勵(lì)磁線圈4、上導(dǎo)磁體5、擠壓盤6、輸出桿7、直線軸承8、固定法蘭9、 預(yù)緊機(jī)構(gòu)和上外殼13 ；輸出桿7的下端和擠壓盤6通過螺紋連接，擠壓盤6又與磁流變彈性體3用粘結(jié)劑粘接在一起，輸出桿7的上端由直線軸承8固定，輸出桿7的頂端和預(yù)緊機(jī)構(gòu)連接。磁流變彈性體3 —端和擠壓盤6粘結(jié)，另一端和下導(dǎo)磁體2粘結(jié)，下導(dǎo)磁體2又和下外殼1粘接在一起。磁流變彈性體3和勵(lì)磁線圈4、下導(dǎo)磁體2、上導(dǎo)磁體5、擠壓盤6 — 起構(gòu)成完整磁路。直線軸承8安裝在固定法蘭9上，下外殼1和上外殼13通過固定法蘭9的法蘭盤外圈用螺釘連接。預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括碟簧組10、擋圈11和調(diào)整螺釘12 ；其中碟簧組10 壓在輸出桿7的中擋圈14上，擋圈11壓在碟簧組10上，調(diào)整螺釘12 —端緊壓擋圈11，另一端通過螺紋和上外殼13連接。如圖2所示，本發(fā)明的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器在使用時(shí)，首先旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘12，對(duì)輸出桿7施加壓力Fl，輸出桿7受壓向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)擠壓盤6和磁流變彈性體3 發(fā)生擠壓作用，輸出桿7受到的磁流變彈性體3反作用力F2和預(yù)緊壓力Fl平衡，即Fl = F2 = F。此時(shí)磁流變彈性體3的變形也即輸出桿7端部的位移為ΔΖ1 = L · F/(Ji · r2 · E1)，(1)其中，L為磁流變彈性體3的圓柱體高度；r為磁流變彈性體3的圓柱體半徑；El 為此時(shí)磁流變彈性體3的彈性模量。當(dāng)勵(lì)磁線圈4通電以后，產(chǎn)生磁場(chǎng)通過磁流變彈性體3，磁流變彈性體3的彈性模量變大，由El變?yōu)镋2。此時(shí)輸出桿7端部的位移為Δ Z2 = L · F/ ( π ‘ r2 ‘ E2), (2)其中，E2為此時(shí)磁流變彈性體3的彈性模量。比較前后兩次輸出桿7端部的位移變化為Δ Z = ΔΖ1-ΔΖ2 = (L · F/ ( π · r2 · El)) · (1—E1/E2) = Δ Zl · (1—Ε1/Ε2)，(3)其中，ΔΖ 1為無磁狀態(tài)時(shí)輸出桿7端部的位移，它與壓力F成正比。從公式(3) 可以看出通電前后輸出桿7端部位移變化和磁流變彈性體3的彈性模量變化成正比，彈性模量變化越大輸出桿7端部位移變化就越大，整個(gè)調(diào)整過程可在圖2中看到。圖3給出一種磁流變彈性體的彈性模量隨磁場(chǎng)變化的典型曲線，從圖中可以看到當(dāng)勵(lì)磁磁場(chǎng)達(dá)到500mT 時(shí)，磁流變彈性體3的模量變化可以達(dá)到200%，也即E1/E2 = 0. 5，則此時(shí)輸出桿7端部位移變化為ΔΖ = 0.5ΔΖ1。而Δ Zl可以通過調(diào)整壓力F值來進(jìn)行調(diào)整，如果通過調(diào)整F值使Δ Zl為1mm，則Δ Z就為500 μ m,則促動(dòng)器的行程就為500 μ m。而勵(lì)磁磁場(chǎng)可以通過調(diào)整電流調(diào)整，因此調(diào)節(jié)精度可以很高，達(dá)到亞微米級(jí)。
權(quán)利要求
1.擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器，其特征在于該促動(dòng)器包括下外殼(1)、下導(dǎo)磁體O)、磁流變彈性體(3)、勵(lì)磁線圈0)、上導(dǎo)磁體(5)、擠壓盤(6)、輸出桿(7)、直線軸承 (8)、固定法蘭(9)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)和上外殼(13)；下外殼(1)和上外殼(13)通過固定法蘭(9) 的法蘭盤外圈固定連接；下導(dǎo)磁體( 固定連接在外殼(1)的底部；磁流變彈性體C3)的下端固定在下導(dǎo)磁體( 上，勵(lì)磁線圈(4)套在磁流變彈性體C3)的外部；擠壓盤(6)的下端固定在磁流變彈性體(3)的上端；上導(dǎo)磁體(5)套在擠壓盤(6)外部，并置于勵(lì)磁線圈(4) 的上部；直線軸承(8)上設(shè)有法蘭(15)，直線軸承(8)穿過固定法蘭(9)的法蘭孔并與固定法蘭(9)法蘭連接；輸出桿(7)的中部設(shè)有中擋圈(14)，輸出桿(7)的下端穿過直線軸承(8)并與擠壓盤(6)的上端固定連接；預(yù)緊機(jī)構(gòu)固定在上外殼(13)的頂端，并套在輸出桿(7)的上端外部。
2.如權(quán)利要求1所述的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器，其特征在于所述輸出桿 (7)為非導(dǎo)磁材料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器，其特征在于所述磁流變彈性體( 為圓柱形，所述擠壓盤(6)的下端粘結(jié)在磁流變彈性體(3)的上端。
4.如權(quán)利要求1或3所述的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器，其特征在于所述磁流變彈性體( 和勵(lì)磁線圈(4)之間留有縫隙。
5.如權(quán)利要求1所述的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器，其特征在于所述預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括碟簧組(10)、擋圈(11)和調(diào)整螺釘(1 ；調(diào)整螺釘(1 與上外殼(1 的頂端螺紋連接；碟簧組(10)、擋圈(11)和調(diào)整螺釘(1 順次套在輸出桿(7)的上端外部；碟簧組 (10)的下端頂在輸出桿(7)的中擋圈(14)上。
全文摘要
本發(fā)明的擠壓式磁流變彈性體微位移促動(dòng)器涉及精密機(jī)械裝置領(lǐng)域，該促動(dòng)器包括下外殼、下導(dǎo)磁體、磁流變彈性體、勵(lì)磁線圈、上導(dǎo)磁體、擠壓盤、輸出桿、直線軸承、固定法蘭、預(yù)緊機(jī)構(gòu)和上外殼。該促動(dòng)器使用一根輸出桿作微位移輸出，輸出桿的一端通過擠壓盤和磁流變彈性體連接，另一端由直線軸承定位，在輸出桿的頂端還通過一個(gè)預(yù)緊機(jī)構(gòu)施加壓緊力。工作時(shí)先施加壓緊力，使磁流變彈性體有初始變形，在通電后通過控制磁場(chǎng)使磁流變彈性體彈性模量發(fā)生變化，使彈性體變形發(fā)生變化，即輸出桿端部位移改變，從而達(dá)到微位移輸出的目的。本發(fā)明的微位移促動(dòng)器具有行程大，且行程可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到微納米分辨率要求。
文檔編號(hào)H02K44/00GK102437709SQ20111026108
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者李劍鋒, 王建立, 陳寶剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所