專(zhuān)利名稱(chēng)：磁流變阻尼器及磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及磁流變技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種磁流變阻尼器及磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。
(二)技術(shù)背景氣動(dòng)技術(shù)因其一系列的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中動(dòng)力機(jī)構(gòu)是其核心部件，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于氣體介質(zhì)的高壓縮性和低粘性，目前常規(guī)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中，雖然使用了精密的氣動(dòng)伺服閥控氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)仍很難實(shí)現(xiàn)較高的定位精度、頻響及穩(wěn)定性，限制了氣動(dòng)技術(shù)在一些工作性能要求較高的場(chǎng)合使用。
功能材料磁流變液(Magnetorheological Fluid，簡(jiǎn)稱(chēng)MRF)是細(xì)小磁性顆粒分散溶于絕緣載液中形成的懸浮液，是一種在磁場(chǎng)作用下，其流變學(xué)性能可作出迅速響應(yīng)，且易于控制的新型智能材料。它在無(wú)外加磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)為流動(dòng)良好的液體狀態(tài)，然而在外加磁場(chǎng)超過(guò)一臨界值時(shí)，可在短時(shí)間(毫秒級(jí))內(nèi)，表觀粘度增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并呈現(xiàn)類(lèi)固體的力學(xué)性質(zhì)，其強(qiáng)度由剪切屈服應(yīng)力來(lái)表征。MRF粘度的變化可通過(guò)改變磁場(chǎng)的大小連續(xù)、精確、方便地加以控制，其液態(tài)和固態(tài)的轉(zhuǎn)換具有可逆性。這種磁流變效應(yīng)的磁性粒子還具有機(jī)電耦合效應(yīng)、快速靈敏響應(yīng)和良好穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換的能量消耗低，工作溫度范圍寬，不需高壓電源，安全可靠，粘度可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)控等特點(diǎn)，可與計(jì)算機(jī)控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和半主動(dòng)控制。
基于磁流變液在很小的磁場(chǎng)作用下(可由電磁鐵和永磁鐵產(chǎn)生)就能獲得較高的屈服剪應(yīng)力等一系列的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)許多專(zhuān)家研究基于磁流變液體的阻尼器，現(xiàn)有的磁流變阻尼器主要是用于抗震，如在建筑、橋梁、汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用?，F(xiàn)有的磁流變阻尼器多是整體式，體積較大。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要求磁流變阻尼器的阻尼力并不很大，只需滿(mǎn)足阻尼器的耗能等于氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能的變化，但是要求阻尼器體積小、重量輕，所以，需根據(jù)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況設(shè)計(jì)適用的磁流變阻尼器，以構(gòu)成磁流變氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較高的定位精度、頻響及穩(wěn)定性，現(xiàn)有磁流變阻尼器難以使用。
(三)實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種適用于氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的分體式磁流變阻尼器。
本實(shí)用新型的另一目的是設(shè)計(jì)一種應(yīng)用該磁流變阻尼器的控制精度高、平穩(wěn)性好的磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器，包括充滿(mǎn)磁流變液體的阻尼器腔體、其內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈和鐵芯。本磁流變阻尼器為分體式，包括MRF阻尼閥和MRF阻尼缸，充滿(mǎn)磁流變液體的MRF阻尼閥內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈和鐵芯，充滿(mǎn)磁流變液的MRF阻尼缸為內(nèi)有活塞的液壓缸，MRF阻尼閥和MRF阻尼缸相連通。
所述MRF阻尼閥內(nèi)的線圈為反并聯(lián)的雙線圈，鐵芯為三段式鐵芯。
本磁流變阻尼器因采用分體式結(jié)構(gòu)，其MRF阻尼器長(zhǎng)度大大減小。且因MRF阻尼閥內(nèi)的線圈為三段式鐵芯上的反并聯(lián)雙線圈，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在中間部分強(qiáng)度增大，減少了漏磁。相對(duì)于同樣的體積，產(chǎn)生了較大的阻尼力。本磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、動(dòng)作靈敏，適合用于氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。在本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中，由于采用本分體式磁流變阻尼器，只需配裝普通的氣動(dòng)換向閥和氣動(dòng)缸，就能構(gòu)成磁流變氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件速度和位置的精確控制。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)包括單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)負(fù)載的氣缸、換向閥，所述系統(tǒng)內(nèi)接有上述分體式磁流變阻尼器，該磁流變阻尼器包括MRF阻尼閥和MRF阻尼缸，充滿(mǎn)磁流變液體的MRF阻尼閥內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈和鐵芯，充滿(mǎn)磁流變液的MRF阻尼缸為內(nèi)有活塞的液壓缸。MRF阻尼閥和MRF阻尼缸相連通，MRF阻尼缸內(nèi)的活塞與氣缸內(nèi)的活塞串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成磁流變氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)。MRF阻尼閥的線圈與電流控制器相連接，單片機(jī)經(jīng)信號(hào)線連接電流控制器。壓縮空氣裝置經(jīng)換向閥與氣缸兩端的進(jìn)氣口和排氣口相連接，由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸中的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣缸或MRF阻尼缸的活塞桿上接有位移傳感器，該傳感器能實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載運(yùn)行的位移，位移傳感器經(jīng)信號(hào)線與單片機(jī)相連接，單片機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸通道連接計(jì)算機(jī)。
本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的電流控制器將可調(diào)電流送入MRF阻尼閥線圈，產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁流變液的粘度和屈服應(yīng)力隨電流的增大而增大，甚至在外加磁場(chǎng)超過(guò)一臨界值時(shí)，可在一瞬間變成類(lèi)固體，而且這種變化是可逆的。在磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，精確控制電流控制器送出的電流，準(zhǔn)確連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)磁流變液的粘度，即準(zhǔn)確連續(xù)無(wú)級(jí)控制磁流變阻尼器的阻尼力，從而控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度的平穩(wěn)性和定位精度。
本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，其位移傳感器實(shí)時(shí)采集負(fù)載位移數(shù)據(jù)，采集的信號(hào)經(jīng)處理后送入單片機(jī)，經(jīng)換算得到實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)通過(guò)與設(shè)定量的運(yùn)算比較輸出相應(yīng)的電流控制信號(hào)，送回到單片機(jī)，調(diào)節(jié)電流控制器輸出，即調(diào)節(jié)磁流變阻尼器內(nèi)磁流變液的粘性阻尼，以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制并提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于采用本磁流變阻尼器，本氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)可以采用普通的氣動(dòng)換向閥，如三位五通電磁換向閥，氣動(dòng)執(zhí)行元件可采用普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，因此利用廉價(jià)的氣源，簡(jiǎn)單的氣動(dòng)組件就能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)氣壓傳動(dòng)與伺服控制系統(tǒng)難以達(dá)到的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，使廉價(jià)的氣動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)快速、精確、位置伺服控制。


圖1為本磁流變阻尼器實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本磁流變阻尼器實(shí)施例1如圖1所示，包括MRF阻尼閥1-1和MRF阻尼缸1-2，充滿(mǎn)磁流變液體的MRF阻尼閥1-1內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈1-11和鐵芯1-12，充滿(mǎn)磁流變液體的MRF阻尼缸1-2為內(nèi)有活塞的液壓缸，MRF阻尼閥1-1和MRF阻尼缸1-2相連通。
所述MRF阻尼閥1-1內(nèi)的線圈1-11為反并聯(lián)的雙線圈，鐵芯1-12為三段式鐵芯。
本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)施例1如圖2所示，包括單片機(jī)6、驅(qū)動(dòng)負(fù)載2的氣缸3、換向閥4、磁流變阻尼器1，構(gòu)成磁流變氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)，該磁流變阻尼器1為上述本實(shí)用新型的分體式磁流變阻尼器。MRF阻尼缸1-2的活塞與氣缸3的活塞及負(fù)載2串聯(lián)，MRF阻尼閥1-1內(nèi)的線圈1-11與電流控制器7相連接，單片機(jī)6經(jīng)信號(hào)線連接電流控制器7。壓縮空氣裝置經(jīng)換向閥4與氣缸3兩端的進(jìn)氣口和排氣口相連接，該換向閥4為普通電磁氣動(dòng)換向閥，由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸3中的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸3或MRF阻尼缸2-2的活塞桿上接有位移傳感器5，位移傳感器5經(jīng)信號(hào)線與單片機(jī)6相連接，單片機(jī)6經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸通道連接計(jì)算機(jī)8。
磁流變阻尼器1消耗的能量，即制動(dòng)能Emrl為Emrl＝Fmrl(xt-xl)式中Fmrl為磁流變阻尼力；xt為目標(biāo)位移，xl為施加控制時(shí)的位移，則xt-xl＝Δx調(diào)節(jié)時(shí)間。
運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能變化量ΔEk為ΔEk=12mΔv2]]>式中m為運(yùn)行部件的質(zhì)量；Δv為速度偏差。
根據(jù)系統(tǒng)能量守恒定律則有Emrl＝Ek即FmrlΔx=12mΔv2]]>當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到目標(biāo)位移時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)控制換向閥4失電，處于中位，同時(shí)根據(jù)負(fù)載的運(yùn)行速度，給阻尼器線圈1-11加載相應(yīng)的電流，使負(fù)載2在規(guī)定的控制范圍內(nèi)停下來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位。
實(shí)施例2本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)施例2如圖3所示，其組成元件及連接方式與實(shí)施例1基本相同，但其MRF阻尼缸1-2的活塞與驅(qū)動(dòng)負(fù)載2的氣缸3的活塞并聯(lián)，構(gòu)成磁流變氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種磁流變阻尼器，包括充滿(mǎn)磁流變液體的阻尼器腔體、其內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈和鐵芯；其特征在于本磁流變阻尼器為分體式，包括MRF阻尼閥(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)，充滿(mǎn)磁流變液體的MRF阻尼閥(1-1)內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈(1-11)和鐵芯(1-12)，充滿(mǎn)磁流變液體MRF阻尼缸(1-2)為內(nèi)有活塞的液壓缸，MRF阻尼閥(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變阻尼器，其特征在于所述MRF阻尼閥(1-1)內(nèi)的線圈(1-11)為反并聯(lián)的雙線圈，鐵芯(1-12)為三段式鐵芯。
3.一種磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，包括單片機(jī)(6)、驅(qū)動(dòng)負(fù)載(2)的氣缸(3)、換向閥(4)，其特征在于系統(tǒng)中接有分體式磁流變阻尼器(1)，該磁流變阻尼器(1)包括MRF阻尼閥(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)，充滿(mǎn)磁流變液體的MRF阻尼閥(1-1)內(nèi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈(1-11)和鐵芯(1-12)，充滿(mǎn)磁流變液體MRF阻尼缸(1-2)為內(nèi)有活塞的液壓缸，MRF阻尼閥(1-1)和MRF阻尼缸(1-2)相連通；MRF阻尼缸(1-2)的活塞與氣缸(3)的活塞及負(fù)載(2)連接，MRF阻尼閥(1-1)內(nèi)的線圈(1-11)與電流控制器(7)相連接，單片機(jī)(6)經(jīng)信號(hào)線連接電流控制器(7)，壓縮空氣裝置經(jīng)換向閥(4)與氣缸(3)兩端的進(jìn)氣口和排氣口相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，其特征在于所述氣缸(3)或MRF阻尼缸(1-2)的活塞桿上接有位移傳感器(5)，位移傳感器(5)經(jīng)信號(hào)線與單片機(jī)(6)相連接，單片機(jī)(6)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸通道連接計(jì)算機(jī)(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，其特征在于MRF阻尼缸(1-2)的活塞與氣缸(3)的活塞串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成磁流變氣動(dòng)缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)。
專(zhuān)利摘要本磁流變阻尼器為分體式，充滿(mǎn)MRF的阻尼閥內(nèi)有線圈鐵芯，為反并聯(lián)的雙線圈和三段式鐵芯。阻尼缸為內(nèi)有活塞的液壓缸，阻尼閥和阻尼缸相連通。本阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、適用于氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。本磁流變氣動(dòng)伺服系統(tǒng)采用本新型阻尼器，阻尼缸活塞和氣缸活塞串聯(lián)或并聯(lián)，阻尼閥線圈連接電流控制器、單片機(jī)。壓縮空氣裝置經(jīng)換向閥接氣缸兩端進(jìn)排氣口。檢測(cè)負(fù)載位置的位移傳感器接單片機(jī)，單片機(jī)接計(jì)算機(jī)。單片機(jī)調(diào)節(jié)電流控制器將可調(diào)電流送入阻尼閥準(zhǔn)確連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼器的阻尼力，控制系統(tǒng)速度和定位精度。計(jì)算機(jī)根據(jù)位移信號(hào)運(yùn)算輸出電流控制信號(hào)，精確控制位置。本氣動(dòng)伺服系統(tǒng)可用廉價(jià)的普通換向閥和標(biāo)準(zhǔn)氣缸實(shí)現(xiàn)快速精確的位置伺服控制。
文檔編號(hào)F15B15/00GK2900921SQ20062003385
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者田玲, 王焱玉 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)