[发明专利]基于磁流变与超磁致的蠕动式伸缩微进给装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微进给装置及方法，尤其涉及一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置及方法。

背景技术

微进给机构是指行程小、灵敏度和精度高的机构，是精密机构与精密仪器的重要组成部分之一，一般认为进给量在毫米以下的机构为微进给机构。它既是重要的进给元件，也是对工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键元件。微进给机构不仅广泛应用于各种精密测量仪器，而且在多种控制系统中充当作动器。如今微进给技术在精密机械工程(刀具微进给)、光学精密工程(自动调焦)、计算机及电子技术(芯片定位)、生物医学工程(微操作)等领域都有着广泛的应用背景。

目前常见的微进给机构一般是利用弹性变形、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料(压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩)等实现微进给。在这些机构中，智能材料微进给机构响应速度快，精度高，已经成为微进给系统的发展方向，如采用压电陶瓷、形状记忆合金以及磁致伸缩材料等实现微进给。但智能材料进给输出位移小，如果直接用它来驱动负载，则结构复杂、体积大，并且使响应特性变差。

为了克服智能材料行程小的缺点，可以采用宏微复合进给系统和蠕动进给系统的设计。宏微复合进给系统是采用旋转电机-滚珠丝杠与电/磁致伸缩元件相结合的复合进给方式，以宏量进给(旋转电机-滚珠丝杠)为基础，在宏量进给机构上搭载微量进给机构(电/磁致伸缩元件)。而蠕动进给机构是利用两个箝位夹紧机构与电/磁致伸缩元件相配合以不断伸缩来实现大位移进给。为了实现精确进给，宏微复合进给方式的控制方法非常关键，通常在微量进给机构工作时，先由电/磁致伸缩元件驱动负载做微量进给，当其输出位移达到满行程时，快速回退到起始位置，然后由宏量进给机构驱动微量进给机构和负载做相同距离的大步进给，到位后再由微进给部件工作。可以看出宏微复合进给过程实质也是由两种进给方式交替进行，相比之下蠕动进给机构在简化机构和控制上更具有优势。

蠕动进给机构在保持智能伸缩材料高位移分辨率的同时实现了大位移行程的优点。箝位夹紧机构是蠕动进给机构的关键部件，目前箝位夹紧机构的典型设计是基于压电陶瓷驱动进行设计，其实质均为电/磁致伸缩致动和摩擦力传递运动相结合进行蠕动进给。由于采用摩擦力进行运动传递，轴向进给刚度和输出推力较小是蠕动机构的不足之处，因此在负载较大的应用场合蠕动进给机构的应用存在限制。

从已有微进给机构的研究报道中可以发现，目前微进给机构仍不能很好地实现大行程高精度的微量进给。主要存在的问题有：

(1)在微进给机构中，采用智能材料进给存在许多优势，是今后的发展方向，但单独采用智能材料进给，往往不能满足大行程的需求；

(2)蠕动进给机构巧妙地解决了智能材料微进给行程小的缺陷，但其不足之处是箝位夹紧机构的推动力不够，因而负载受到限制。

为了开发一种大量程、高精度、大负载的微进给技术，为精密机械与仪器提供精确定位，进而促进和拓展精密机械的发展与应用，对于现有的蠕动进给技术进行改进是十分必要的。

发明内容

为了克服智能材料蠕动进给技术推力小的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置及方法。利用磁流变液的流变特性，取代摩擦力驱动的箝位装置，设计一种基于磁流变液的箝位装置，并采用Terfenol-D(铽镝铁磁致伸缩合金)超磁致伸缩材料进行伸缩驱动，从而提高了推进力和负载能力，提供一种大量程、高精度、大负载的蠕动式微进给装置。

本发明的基本原理是：

磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性。在磁场的作用下，可以由小粘度易流动的牛顿流体变为高粘度难流动的塑性宾汉Bingham流体，而且该转化是毫秒级的可逆转化。磁流变液的优良特性为制动器提供一种解决方案，在无磁场作用下，磁流变液呈流动状态，不影响机构运动，但在磁场作用下，磁流变液发生流变效应，磁性颗粒被磁化连结成链，磁流变液转化为“类固体”，对机构进动产生阻力，从而起到制动效果。而且只要调节磁场强度即可达到改变制动力矩的作用。

本发明也利用了磁流变液可以应用于制动器的特性，基于磁流变液为蠕动进给装置设计了一种筘位机构，通过控制磁场达到控制箝位机构的快速打开和闭合，并与Terfenol-D超磁致伸缩材料相配合，实现机构的快速蠕动进给。闭合，并与Terfenol-D超磁致伸缩材料相配合，实现机构的快速蠕动进给。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于磁流变与超磁致伸缩的蠕动式微进给装置：