一種四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的磁致伸縮執(zhí)行器的制造方法
【專利摘要】一種四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的磁致伸縮執(zhí)行器，采用鐵鈷合金材料制成內(nèi)部鏤空的四桿結(jié)構(gòu)執(zhí)行器；電磁線圈驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，將磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得執(zhí)行器末端形成振動(dòng)輔助加工中所需的高頻振動(dòng)軌跡；通過調(diào)節(jié)控制信號(hào)的方式，對(duì)執(zhí)行器的末端振動(dòng)軌跡進(jìn)行精密控制；本執(zhí)行器選用螺紋連接安裝不同的加工頭，輸出執(zhí)行器所產(chǎn)生的高頻微振動(dòng)。
【專利說明】一種四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的磁致伸縮執(zhí)行器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密執(zhí)行器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種以新型磁致伸縮材料為核心元件， 工作于高頻，可應(yīng)用于微小零件的高精密加工等場合。

【背景技術(shù)】
[0002] 超精密軌跡可控執(zhí)行器的需求在超精密加工領(lǐng)域持續(xù)增長，智能材料作為核心材 料，在微位移執(zhí)行器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷（PZT)執(zhí)行器可提供高頻振動(dòng)，但壓電 陶瓷執(zhí)行器難于小型化，且驅(qū)動(dòng)電壓高，不能承受彎曲力，壓電陶瓷材料易碎致使負(fù)載能力 差。超磁致伸縮材料Terfenol-D和Galfenol具有高磁致伸縮系數(shù)和強(qiáng)耐壓特性，可加工 性和魯棒性，也被大量的用于開發(fā)微位移執(zhí)行器。但Terfenol-D材料加工性能差、磁導(dǎo)率 低、不抗拉伸，使高頻應(yīng)用受限；Galfenol材料具有較好的機(jī)加工特性，但相對(duì)磁導(dǎo)率只有 300,導(dǎo)致磁場驅(qū)動(dòng)效率低，且造價(jià)昂貴。一種新型磁致伸縮材料Permendur (鐵鈷合金），磁 致伸縮超過60ppm，相對(duì)磁導(dǎo)率極高（磁路效率高、驅(qū)動(dòng)力大），機(jī)械加工特性好，成本低廉， 可用作執(zhí)行器材料，特別可用作超精密小行程微位移的執(zhí)行器材料，具有良好的性能。
[0003] 微小結(jié)構(gòu)零件的精密加工是超精密加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)。微小結(jié)構(gòu)零件可將超精密加 工工藝與小空間內(nèi)高頻微小振動(dòng)相結(jié)合，應(yīng)用于已有的加工設(shè)備中。對(duì)執(zhí)行器末端的振動(dòng) 軌跡進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)輔助加工，從而改善零件的表面加工質(zhì)量。一種四桿驅(qū)動(dòng)的磁 致伸縮執(zhí)行器的振動(dòng)軌跡可控，能夠滿足精密振動(dòng)輔助加工的需求，特別適合于實(shí)現(xiàn)微小 零件的超精密加工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的超精密拋光需求，提出了一種四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控 的磁致伸縮執(zhí)行器。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的磁致伸縮執(zhí)行器，包括底座、驅(qū)動(dòng)桿組、輸出端和連接螺 紋四部分，驅(qū)動(dòng)桿組由四根驅(qū)動(dòng)桿組成，四根驅(qū)動(dòng)桿呈軸對(duì)稱分布，執(zhí)行器的輸出端有連接 螺紋，能夠根據(jù)不同零件的加工需求連接不同的加工頭。采用調(diào)整驅(qū)動(dòng)線圈控制信號(hào)的方 法，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器頭部振動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)軌跡的精密控制。驅(qū)動(dòng)桿組為錐臺(tái)鏤空結(jié)構(gòu)，四根驅(qū) 動(dòng)桿截面為正方形，截面邊長為底部正方形邊長的1/3,四根桿的長度及截面尺寸相同。各 驅(qū)動(dòng)桿軸線與磁致伸縮執(zhí)行器的中心軸線成銳角，此夾角有利于增強(qiáng)執(zhí)行器軸向剛度，并 使得能量集中，可有效放大執(zhí)行器頭部的振動(dòng)幅度
[0007] 本發(fā)明中的執(zhí)行器可以采用鐵鈷合金材料制成，其電磁線圈實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的四桿驅(qū) 動(dòng)，將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得執(zhí)行器末端形成加工所需的高頻微小振動(dòng)，彌補(bǔ)了超精密 加工在微小零件加工中的不足。
[0008] 本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是執(zhí)行器結(jié)構(gòu)使用整塊磁致伸縮材料，結(jié)構(gòu)可獨(dú)立形成閉合磁 回路，導(dǎo)磁性能良好；所采用核心材料無需預(yù)加載機(jī)制，即可產(chǎn)生所需的振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單； 磁致伸縮材料機(jī)械強(qiáng)度高，較壓電振動(dòng)器承受載荷能力大；機(jī)械加工性能良好，可制成任意 形狀的器件，便于執(zhí)行器的小型化；低壓即可驅(qū)動(dòng)，無需匹配高頻高壓驅(qū)動(dòng)電源；執(zhí)行器響 應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖la為四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的超精密執(zhí)行器的主視圖。
[0010] 圖lb為四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的超精密執(zhí)行器的俯視圖。
[0011] 圖lc為四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的超精密執(zhí)行器的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖2a為執(zhí)行器磁通量分布立體示意圖。
[0013] 圖2b為執(zhí)行器磁通量分布平面示意圖。
[0014] 圖中：1底座；2驅(qū)動(dòng)桿組；3輸出端；4連接螺紋；5線圈A ;6線圈B;7線圈V ;8 線圈B'。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 如圖la、圖lb和圖lc所示，結(jié)構(gòu)的整體閉合，有利于高效利用磁回路，磁屏蔽性能 良好，且無需預(yù)加載機(jī)制。
[0016] 執(zhí)行器底座為圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱的切環(huán)形槽用于加工中執(zhí)行器的定位和夾持。執(zhí)行 器的輸出端有連接螺紋，連接螺紋中心軸線與執(zhí)行器的軸線重合，用于不同形狀（形式）加 工頭的安裝。
[0017] 驅(qū)動(dòng)線圈采用赫姆霍茲線圈纏繞方式，緊貼驅(qū)動(dòng)桿纏繞，驅(qū)動(dòng)桿上鋪覆絕緣層，電 磁線纏繞均勻覆蓋整根驅(qū)動(dòng)桿。按驅(qū)動(dòng)要求，可將驅(qū)動(dòng)桿按對(duì)角線分布情況分為兩組:A-A' 組和B-B'組，線圈繞線方式應(yīng)相同。不同的執(zhí)行器尺寸，可工作于不同的頻率下，末端可產(chǎn) 生的幾微米至幾十微米的振幅。
[0018] 電流經(jīng)電磁線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場，使執(zhí)行器發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，可分別轉(zhuǎn)化為四桿 的伸長，從而帶動(dòng)輸出端機(jī)械運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)單一線圈中的輸入電流可控制驅(qū)動(dòng)桿組中單根桿 的伸縮量，協(xié)同控制對(duì)角線上的一對(duì)線圈（5、7或6、8)，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器在X或Y方向的直線 往復(fù)振動(dòng)，協(xié)同控制對(duì)角線上的兩對(duì)線圈，可實(shí)現(xiàn)在XY平面內(nèi)的往復(fù)振動(dòng)（橢圓形振動(dòng)軌 跡），當(dāng)兩對(duì)線圈的驅(qū)動(dòng)幅值相同時(shí)，可產(chǎn)生XY平面的正圓軌跡。
[0019] 驅(qū)動(dòng)桿組線圈工作原理如圖2a和圖2b所示，5、6、7、8分別為驅(qū)動(dòng)桿組A、B、A'、B' 的電磁線圈。其中A與A'，B與B'為驅(qū)動(dòng)組，流過桿A和A'的磁通量分別為<^和Φ Α，， 流過桿Α'、Β、Β'時(shí)，分成三個(gè)等效磁通量分別為ΦΑΑ'，ΦΑΒ，Φλβ，'考慮磁路漏磁，設(shè)A桿的 漏磁為Φ Α(Ι;同理，當(dāng)ΦΑ，流過桿A、B、B'時(shí),分成三個(gè)等效磁通量分別為ΦΑ， Α, ΦΑ，Β, ΦΑ，Β，， Α'桿的漏磁為Φ μ。磁通量之間的關(guān)系如下：
[0020] φΑ = ΦΑΑ，+ ΦΑΒ+ΦΑΒ，+ ΦΑ0 (1)
[0021 ] φΑ，= φΑ，Α+φΑ，Β+φΑ， Β，+ φΑ，〇 (2)
[0022] 由圖中易知，桿Α和Α'中磁通量相等且任意變化時(shí)，桿Β和Β'內(nèi)流過的總磁通量 始終為0。結(jié)構(gòu)上，X軸與Υ軸分布在兩個(gè)正交的軸上，驅(qū)動(dòng)沒有相互之間的影響。
[0023] 當(dāng)桿Α和桿Α'中通入相位差為180°的電流信號(hào)時(shí)，X方向的運(yùn)動(dòng)幅值最大，同 理，桿B和桿B'電流信號(hào)相位差為180°時(shí)，Y方向的運(yùn)動(dòng)幅值最大。假設(shè)輸入四個(gè)電磁線 圈中的電流信號(hào)可表不為IA, IA，，IB, IB，，表達(dá)式如下：
[0024] IA = i+Isin(2 π ft) (3)
[0025] IA> = i+Isin (2 π ft+π ) (4)
[0026] iH =/ + / ?η(2π ft + φ) (5.)
[0027] 1B = i +1 ?η{2π ft+ φ +π) (6)
[0028] 其中，妒是[和IB或者[和IB，之間的相位差；i為產(chǎn)生偏置磁場的偏置電流，可 是執(zhí)行器在磁致伸縮的線性段工作；I是電流正弦信號(hào)的幅值。由方程（3)?（6)可知，I A 與IA，以及IB與IB，的相位差均為180°，即當(dāng)A桿與B桿伸長時(shí)，A'桿與B'桿縮短，于是 X方向和Y方向便產(chǎn)生了相應(yīng)的振動(dòng)，兩方向振動(dòng)的耦合，使得執(zhí)行器頭部形成了在XY面內(nèi) 的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)軌跡可通過控制輸入各電磁線圈的電流信號(hào)來控制桿的運(yùn)動(dòng)情況，從而實(shí) 現(xiàn)執(zhí)行器頭部運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制，通過調(diào)整相位差P以及振動(dòng)頻率，可調(diào)整執(zhí)行器頭部 在Z方向上的振動(dòng)。
[0029] 頻率選擇：根據(jù)振動(dòng)輔助精密加工的加工工藝參數(shù)，可選擇四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的 磁致伸縮執(zhí)行器的工作頻率，實(shí)現(xiàn)軌跡振動(dòng)可控，控制精度可達(dá)μ m級(jí)。
[0030] 加工方法：執(zhí)行器加工采用鐵鈷合金，需保證執(zhí)行器連接螺紋與底座的同軸度的 要求，便于力加載的方向與位置可控；執(zhí)行器整體錐臺(tái)的鏤空結(jié)構(gòu)，避免裝配間隙；驅(qū)動(dòng)桿 涂膠鋪覆絕緣膜，纏繞電磁線圈。
[0031] 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：執(zhí)行器選用鐵鈷合金，磁導(dǎo)率極高，可選用低匝數(shù)的電磁線圈，低壓即 可驅(qū)動(dòng)，無需匹配高壓驅(qū)動(dòng)電源。
[0032] 本發(fā)明所述的執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，高頻響應(yīng)快，振動(dòng)軌跡控制精度 高，負(fù)載能力強(qiáng)，易于磁屏蔽，便于驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控的磁致伸縮執(zhí)行器，其特征在于，該磁致伸縮執(zhí)行器包括底 座、驅(qū)動(dòng)桿組、輸出端和連接螺紋四部分，驅(qū)動(dòng)桿組由四根驅(qū)動(dòng)桿組成，四根驅(qū)動(dòng)桿呈軸對(duì) 稱分布，執(zhí)行器的輸出端有連接螺紋，能夠根據(jù)不同零件的加工需求連接不同的加工頭；所 述的驅(qū)動(dòng)桿組為錐臺(tái)鏤空結(jié)構(gòu)，四根驅(qū)動(dòng)桿截面為正方形，截面邊長為底部正方形邊長的 1/3,四根桿的長度及截面尺寸相同；各驅(qū)動(dòng)桿軸線與磁致伸縮執(zhí)行器的中心軸線成銳角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮執(zhí)行器，其特征在于，所述的底座為圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱 的切環(huán)形槽用于加工中執(zhí)行器的定位和夾持；執(zhí)行器的連接螺紋中心軸線與執(zhí)行器的軸線 重合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁致伸縮執(zhí)行器，其特征在于，所述的四桿驅(qū)動(dòng)軌跡可控 的磁致伸縮執(zhí)行器以鐵鈷合金材料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁致伸縮執(zhí)行器，其特征在于，驅(qū)動(dòng)線圈采用赫姆霍茲線 圈緊貼驅(qū)動(dòng)桿纏繞，驅(qū)動(dòng)桿上鋪覆絕緣層，電磁線纏繞均勻覆蓋整根驅(qū)動(dòng)桿。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁致伸縮執(zhí)行器，其特征在于，驅(qū)動(dòng)線圈采用赫姆霍茲線圈 緊貼驅(qū)動(dòng)桿纏繞，驅(qū)動(dòng)桿上鋪覆絕緣層，電磁線纏繞均勻覆蓋整根驅(qū)動(dòng)桿。
【文檔編號(hào)】H02N2/10GK104113230SQ201410263982
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】王福吉, 賈振元, 鄒君, 劉巍, 馬建偉 申請人:大連理工大學(xué)