一种四杆驱动轨迹可控的磁致伸缩执行器制造技术

一种四杆驱动轨迹可控的磁致伸缩执行器，采用铁钴合金材料制成内部镂空的四杆结构执行器；电磁线圈驱动执行器，将磁能转化为机械能，使得执行器末端形成振动辅助加工中所需的高频振动轨迹；通过调节控制信号的方式，对执行器的末端振动轨迹进行精密控制；本执行器选用螺纹连接安装不同的加工头，输出执行器所产生的高频微振动。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种四杆驱动轨迹可控的磁致伸缩执行器，采用铁钴合金材料制成内部镂空的四杆结构执行器；电磁线圈驱动执行器，将磁能转化为机械能，使得执行器末端形成振动辅助加工中所需的高频振动轨迹；通过调节控制信号的方式，对执行器的末端振动轨迹进行精密控制；本执行器选用螺纹连接安装不同的加工头，输出执行器所产生的高频微振动。【专利说明】一种四杆驱动轨迹可控的磁致伸缩执行器
本专利技术属于精密执行器
，涉及到一种以新型磁致伸缩材料为核心元件， 工作于高频，可应用于微小零件的高精密加工等场合。
技术介绍
超精密轨迹可控执行器的需求在超精密加工领域持续增长，智能材料作为核心材 料，在微位移执行器领域得到了广泛应用。压电陶瓷（PZT)执行器可提供高频振动，但压电 陶瓷执行器难于小型化，且驱动电压高，不能承受弯曲力，压电陶瓷材料易碎致使负载能力 差。超磁致伸缩材料Terfenol-D和Galfenol具有高磁致伸缩系数和强耐压特性，可加工 性和鲁棒性，也被大量的用于开发微位移执行器。但Terfenol-D材料加工性能差、磁导率 低、不抗拉伸，使高频应用受限；Galfenol材料具有较好的机加工特性，但相对磁导率只有 300,导致磁场驱动效率低，且造价昂贵。一种新型磁致伸缩材料Permendur (铁钴合金），磁 致伸缩超过60ppm，相对磁导率极高（磁路效率高、驱动力大），机械加工特性好，成本低廉， 可用作执行器材料，特别可用作超精密小行程微位移的执行器材料，具有良好的性能。 微小结构零件的精密加工是超精密加工领域的热点。微小结构零件可将超精密加 工工艺与小空间内高频微小振动相结合，应用于已有的加工设备中。对执行器末端的振动 轨迹进行精确控制，实现振动辅助加工，从而改善零件的表面加工质量。一种四杆驱动的磁 致伸缩执行器的振动轨迹可控，能够满足精密振动辅助加工的需求，特别适合于实现微小 零件的超精密加工。
技术实现思路
本专利技术针对微小复杂结构零件的超精密抛光需求，提出了一种四杆驱动轨迹可控 的磁致伸缩执行器。 本专利技术的技术方案如下： -种四杆驱动轨迹可控的磁致伸缩执行器，包括底座、驱动杆组、输出端和连接螺 纹四部分，驱动杆组由四根驱动杆组成，四根驱动杆呈轴对称分布，执行器的输出端有连接 螺纹，能够根据不同零件的加工需求连接不同的加工头。采用调整驱动线圈控制信号的方 法，实现对执行器头部振动形式和运动轨迹的精密控制。驱动杆组为锥台镂空结构，四根驱 动杆截面为正方形，截面边长为底部正方形边长的1/3,四根杆的长度及截面尺寸相同。各 驱动杆轴线与磁致伸缩执行器的中心轴线成锐角，此夹角有利于增强执行器轴向刚度，并 使得能量集中，可有效放大执行器头部的振动幅度 本专利技术中的执行器可以采用铁钴合金材料制成，其电磁线圈实现执行器的四杆驱 动，将电磁能转化为机械能，使得执行器末端形成加工所需的高频微小振动，弥补了超精密 加工在微小零件加工中的不足。 本专利技术的显著特点是执行器结构使用整块磁致伸缩材料，结构可独立形成闭合磁 回路，导磁性能良好；所采用核心材料无需预加载机制，即可产生所需的振动，结构简单； 磁致伸缩材料机械强度高，较压电振动器承受载荷能力大；机械加工性能良好，可制成任意 形状的器件，便于执行器的小型化；低压即可驱动，无需匹配高频高压驱动电源；执行器响 应速度快、结构简单、牢固可靠。 【专利附图】【附图说明】 图la为四杆驱动轨迹可控的超精密执行器的主视图。 图lb为四杆驱动轨迹可控的超精密执行器的俯视图。 图lc为四杆驱动轨迹可控的超精密执行器的立体结构图。 图2a为执行器磁通量分布立体示意图。 图2b为执行器磁通量分布平面示意图。 图中：1底座；2驱动杆组；3输出端；4连接螺纹；5线圈A ;6线圈B;7线圈V ;8 线圈B'。 【具体实施方式】 如图la、图lb和图lc所示，结构的整体闭合，有利于高效利用磁回路，磁屏蔽性能 良好，且无需预加载机制。 执行器底座为圆柱结构，圆柱的切环形槽用于加工中执行器的定位和夹持。执行 器的输出端有连接螺纹，连接螺纹中心轴线与执行器的轴线重合，用于不同形状（形式）加 工头的安装。 驱动线圈采用赫姆霍兹线圈缠绕方式，紧贴驱动杆缠绕，驱动杆上铺覆绝缘层，电 磁线缠绕均匀覆盖整根驱动杆。按驱动要求，可将驱动杆按对角线分布情况分为两组:A-A' 组和B-B'组，线圈绕线方式应相同。不同的执行器尺寸，可工作于不同的频率下，末端可产 生的几微米至几十微米的振幅。 电流经电磁线圈产生驱动磁场，使执行器发生磁致伸缩效应，可分别转化为四杆 的伸长，从而带动输出端机械运动。调节单一线圈中的输入电流可控制驱动杆组中单根杆 的伸缩量，协同控制对角线上的一对线圈（5、7或6、8)，可实现执行器在X或Y方向的直线 往复振动，协同控制对角线上的两对线圈，可实现在XY平面内的往复振动（椭圆形振动轨 迹），当两对线圈的驱动幅值相同时，可产生XY平面的正圆轨迹。 驱动杆组线圈工作原理如图2a和图2b所示，5、6、7、8分别为驱动杆组A、B、A'、B' 的电磁线圈。其中A与A'，B与B'为驱动组，流过杆A和A'的磁通量分别为<^和Φ Α，， 流过杆Α'、Β、Β'时，分成三个等效磁通量分别为ΦΑΑ'，ΦΑΒ，Φλβ，'考虑磁路漏磁，设A杆的 漏磁为Φ Α(Ι;同理，当ΦΑ，流过杆A、B、B'时,分成三个等效磁通量分别为ΦΑ， Α, ΦΑ，Β, ΦΑ，Β，， Α'杆的漏磁为Φ μ。磁通量之间的关系如下： φΑ = ΦΑΑ，+ ΦΑΒ+ΦΑΒ，+ ΦΑ0 (1) φΑ，= φΑ，Α+φΑ，Β+φΑ， Β，+ φΑ，〇 (2) 由图中易知，杆Α和Α'中磁通量相等且任意变化时，杆Β和Β'内流过的总磁通量 始终为0。结构上，X轴与Υ轴分布在两个正交的轴上，驱动没有相互之间的影响。 当杆Α和杆Α'中通入相位差为180°的电流信号时，X方向的运动幅值最大，同 理，杆B和杆B'电流信号相位差为180°时，Y方向的运动幅值最大。假设输入四个电磁线 圈中的电流信号可表不为IA, IA，，IB, IB，，表达式如下： IA = i+Isin(2 π ft) (3) IA> = i+Isin (2 π ft+π ) (4) iH =/ + / ?η(2π ft + φ) (5.) 1B = i +1 ?η{2π ft+ φ +π) (6) 其中，妒是[和IB或者[和IB，之间的相位差；i为产生偏置磁场的偏置电流，可 是执行器在磁致伸缩的线性段工作；I是电流正弦信号的幅值。由方程（3)?（6)可知，I A 与IA，以及IB与IB，的相位差均为180°，即当A杆与B杆伸长时，A'杆与B'杆缩短，于是 X方向和Y方向便产生了相应的振动，两方向振动的耦合，使得执行器头部形成了在XY面内 的运动，该运动轨迹可通过控制输入各电磁线圈的电流信号来控制杆的运动情况，从而实 现执行器头部运动轨迹的精确控制，通过调整相位差P以及振动频率，可调整执行器头部 在Z方向上的振动。 频率选择：根据振动辅助精密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四杆驱动轨迹可控的磁致伸缩执行器，其特征在于，该磁致伸缩执行器包括底座、驱动杆组、输出端和连接螺纹四部分，驱动杆组由四根驱动杆组成，四根驱动杆呈轴对称分布，执行器的输出端有连接螺纹，能够根据不同零件的加工需求连接不同的加工头；所述的驱动杆组为锥台镂空结构，四根驱动杆截面为正方形，截面边长为底部正方形边长的1/3，四根杆的长度及截面尺寸相同；各驱动杆轴线与磁致伸缩执行器的中心轴线成锐角。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王福吉，贾振元，邹君，刘巍，马建伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21