專利名稱：內置磁流變液制動器的擺動氣缸的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種擺動氣缸，特別是一種內置磁流變液制動器的擺動氣缸。
背景技術：
氣動技術的執行元件有直線氣缸、擺動氣缸、氣馬達等主要幾種。擺動氣缸是一種 在小于360°范圍內作往復擺動的氣動執行元件，常用于工件的翻轉、分類、夾緊等作業，也 用作氣動機械手的指腕關節部，用途十分廣泛。現階段最廣泛的應用方法仍是“兩點式”，主 要完成從起始角度到終止角度的擺動。如果中間設置檔塊，也可以完成在兩個檔塊限定范 圍內的擺動。在現代氣動技術應用中，擺動氣缸由于缺乏制動裝置，在需要進行轉角精確控制 的場合，轉角的定位精度容易受負載變化和氣體壓力波動影響，一直不能實現中間任意位 置的可靠定位，限制了全氣動技術在轉角需要精確控制場合的應用。現在，對擺動氣缸伺 服控制方面的研究已經展開，目前研究大多集中在新型組件的研制和不同控制策略的探索 上，多數研究者在特定的試驗條件下，在一定程度上提高了擺動氣缸的定位精度和定位剛 度。如南京理工大學SMC技術中心的柏艷紅對比例流量閥控制的擺動氣缸位置伺服系統進 行了研究，對系統非線性特性的補償方法、線性化數學模型的建立方法以及控制策略等方 面進行了深入的理論分析和實驗研究。由于氣體本身存在很大的壓縮性，擺動氣缸有死區， 系統阻尼低，比例閥或伺服閥有死區，使得單純的擺動伺服控制輸出剛度低，定位精度容易 受負載影響，同時對外界的擾動(比如氣源氣壓的不穩定，比例閥信號的擾動等)很難抑 制。磁流變材料是近年國內外開始進行探索、研究的一種新型智能材料。它是由載液和磁 性顆粒混合而成的濃稠流體，在磁場的作用下磁流變液可以在短時間內由流動良好的液體 變為黏性流體，具有一定的屈服特性，其屈服強度隨磁場強度的增加而增加。磁流變效應連 續、可逆、迅速和易于控制的特點使得磁流變液裝置能夠成為電氣控制與機械系統之間簡 單、安靜而且響應快的中間裝置。采用這種磁流變材料代替傳統機械制動器的摩擦副，通過 內部剪切應力產生制動力矩，控制磁場的強弱，就可以無級地改變制動力矩的大小，容易實 現制動過程的自動化、智能化控制，是一種有發展前景的智能結構制動器，如中國專利申請 03141793. 0和200710192038. 3等。但這些研究成果不能與擺動氣缸構成一體，也尚未有將 磁流變液制動器用于擺動氣缸的報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種內置磁流變液制動器的擺動氣缸，利用磁流變效應， 得到可控的阻尼力矩，利用先進的控制策略可實現系統快速、高精度的位置控制，又可實現 速度控制，提高氣動伺服系統的快速響應性和位置控制精度，使系統具有更強的抗干擾能 力，當外加磁場強度足夠大時，利用流變效應實現系統的定位死鎖功能，可解決擺動氣缸定 位剛度低的問題，擴大擺動氣缸的實際應用范圍。實現本發明目的的技術解決方案為一種內置磁流變液制動器的擺動氣缸，包括主軸、左殼體、限位塊、中殼體、右殼體、氣缸葉片、鍵、轉盤、彈性擋圈；主軸與氣缸葉片固 連，中殼體與左殼體相互扣合連接在一起，氣缸葉片軸向兩面分別與左殼體的內表面、中殼 體的內表面相配合形成氣缸葉片的擺動腔，限位塊固定于左殼體和中殼體之間，該限位塊 與氣缸葉片將擺動腔的進氣腔和出氣腔分開，中殼體與右殼體相互扣合連接在一起，形成 放置轉盤和磁流變液的制動腔，驅動腔與制動腔共用主軸，轉盤放置于制動腔中部，主軸上 嵌有鍵連接轉盤來限制轉盤與主軸的周向轉動，主軸在轉盤兩端面的軸向位置上一處設置 軸肩，另一處開有擋圈槽，槽上設有擋圈，通過軸肩和擋圈限制轉盤的軸向移動，使轉盤固 定在主軸上。本發明與現有技術相比，其顯著優點本發明提供了一種集成磁流變液制動器的制動擺動氣缸，整體結構完整一體且尺寸合理，利用磁流變技術的優點來彌補氣動擺動伺 服系統的缺點，利用磁流變效應，得到可控的阻尼力矩，通過協調控制氣壓驅動與磁流變液 制動，可實現系統快速、高精度的位置控制，使擺動氣缸在中間任意位置的可靠定位成為可 能，且由于定位是由磁流變液制動器實現的，所以定位剛度很高，抗干擾能力強，上述優勢 表明相比傳統的擺動氣缸，制動擺動氣缸在位置伺服方面優勢明顯，擴大了擺動氣缸的實 際應用范圍。
圖1為本發明內置磁流變液制動器的擺動氣缸的結構剖面示意圖。圖2為本發明內置磁流變液制動器驅動部分的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。結合圖1，本發明內置磁流變液制動器的擺動氣缸，主要包括主軸1，第一軸承2， 第一 0型密封圈3，左殼體4，限位塊5，第二 0型密封圈6，第三0型密封圈7，第一軸承座 8，中殼體9，第四0型密封圈10，線圈套11，電磁線圈12，右殼體13，第五0型密封圈14，第 六0型密封圈15，第二軸承座16，氣缸葉片17，第七0型密封圈18，第二軸承19，第一油封 20，鍵21，第一油封定位塊22，轉盤23，第二油封定位塊25，彈性擋圈26，第二油封27，電磁 線圈出線口 28，第三軸承29，軸承蓋30。本發明內置磁流變液制動器的擺動氣缸，主軸1與氣缸葉片17固連，中殼體9與 左殼體4相互扣合連接在一起，氣缸葉片17軸向兩面分別與左殼體4的內表面、中殼體9 的內表面相配合形成氣缸葉片17的擺動腔，限位塊5固定于左殼體4和中殼體9之間，該 限位塊5與氣缸葉片17將擺動腔的進氣腔和出氣腔分開，中殼體9與右殼體13相互扣合 連接在一起，形成放置轉盤23和磁流變液的制動腔，驅動腔與制動腔共用主軸1，轉盤23放 置于制動腔中部，主軸1上嵌有鍵21連接轉盤23來限制轉盤23與主軸1的周向轉動，主 軸1在轉盤23兩端面的軸向位置上一處設置軸肩，另一處開有擋圈槽，槽上設有擋圈26，通 過軸肩和擋圈26限制轉盤23的軸向移動，使轉盤23固定在主軸1上。主軸1伸入到軸承腔內的部分覆有一圈硫化橡膠，第一軸承座8嵌入中殼體9中 間，第一軸承座8內圓面與中殼體9內圓面同心，第一軸承座8左端面與中殼體9左內表面 在同一平面上，第一軸承2的外圓面與左殼體4的內圓面緊配合，第一軸承2的左端面與左殼體4與之配合的內圓面端面在同一平面上，第二軸承19的外圓面與第一軸承座8的內圓 面緊配合，且第二軸承19的右端面與第一軸承座8的內左端面在同一平面上，第一 O型密 封圈3、第三O型密封圈7與主軸1上的硫化橡膠相配合，第二 O型密封圈6置于左殼體4 和中殼體9之間，第六O型密封圈15置于右殼體13和第二軸承座16之間，以防止磁流變 液沿右殼體13與第二軸承座16配合的縫隙泄露，第七O型密封圈18置于中殼體9與第一 軸承座8之間，以限制擺動腔中氣體的泄露。線圈套11內纏繞電磁線圈12并置于中殼體9與右殼體13之間，線圈套11內徑與兩殼體間采用緊配合，磁流變液充滿于中殼體9、右殼體13和轉盤23中間，第一油封20、 第二油封27安裝在轉盤23兩側的主軸1與第一軸承座8、第二軸承座16之間，以防止磁 流變液在軸向的泄露，第一軸承座8、第二軸承座16和第一油封定位塊22、第二油封定位塊 25限制第一油封20、第二油封27的軸向移動；第二軸承座16嵌入右殼體13中間，第二軸 承座16內圓面與右殼體13內圓面同心，第二軸承座16右端面與右殼體13右端面在同一 平面上，第四0型密封圈10、第五0型密封圈14置于線圈套11兩側與中殼體9和右殼體 13間，以防止磁流變液沿徑向泄露，電磁線圈線頭由電磁線圈出線口 28引出，第三軸承29 與第二軸承座16的最小內圓面緊配合，通過主軸1的軸肩和軸承蓋30限制第三軸承29的 軸向移動，軸承蓋30與第二軸承座16連接，且兩者同心。本發明的工作原理如下整個制動擺動氣缸分為兩大部分，一部分為制動擺動氣 缸的驅動部分，另一部分為制動部分，兩部分共用一根主軸1。擺動驅動部分的作用是實現 擺動運動。擺動驅動部分主要由缸體、葉片、軸、密封圈、限位塊、軸承組成。左殼體4和中 殼體9相互扣合在一起，通過螺栓連接，形成氣缸葉片17的擺動腔。限位塊5固定于左殼 體4和中殼體9兩個殼體之間與葉片17把擺動腔的進氣腔和出氣腔分開，軸1伸入到軸承 腔內的部分覆有一圈硫化橡膠，第一 0型密封圈3、7與軸上的硫化橡膠相配合，0型密封圈 6置于左殼體4和中殼體9之間，0型密封圈18置于中殼體9與軸承座8之間，以限制擺動 腔中氣體的泄露。通過控制兩腔的氣體流量和壓力來驅動葉片17在一定角度范圍內作往 復回轉運動，葉片17和主軸1在結構上一體化，因此葉片轉動帶動主軸轉動。中殼體9與右 殼體13相互扣合在一起，通過螺栓連接，形成放置制動盤23和磁流變液24的制動腔。轉 盤23通過平鍵21來限制它與軸1的周向轉動，通過軸肩和擋圈26限制它的軸向移動，使 其固定在軸1上；電磁線圈12在電流作用下在空間形成磁場，由中殼體9與左殼體4，制動盤23，磁 流變液24組成有效磁路，非導磁材料制作的線圈套11，軸承座8、軸承座16起隔磁作用以 保證電磁線圈產生的磁力線基本沿著設計的磁路分布。在有電流作用電磁線圈情況下，磁 流變液體中的磁性固體粒子被磁化，并沿著磁力線方向呈鏈狀分布，制動盤要剪切磁流變 液中的鏈狀結構，從而加大轉動的阻力，起到了制動的作用，制動力矩根據供給電流可在一 定范圍內連續可調。線圈套11內纏繞電磁線圈12構成一體置于中殼體9與右殼體13只間，線圈套11 內徑與兩殼體間采用緊配合。磁流變液充滿于中殼體9和右殼體13與轉盤23中間，油封 20，油封27安裝在轉盤23兩側的軸1與軸承座8、16之間，以防止磁流變液在軸向的泄露。 軸承座結構和油封定位塊22、25限制油封20、27的軸向移動。0型密封圈10、14置于線圈 套11兩側與中殼體9和右殼體13間，以防止磁流變液沿徑向泄露。通過軸肩和軸襯蓋30限制軸承29的軸向移動。電磁線圈線頭由電磁線圈出線口 28引出。線圈套11由非導磁 材料制成，起到隔磁以及保護電磁線圈的作用。電磁線圈通以直流電產生磁場，殼體與轉盤 作為導磁體應采用軟磁材料，本制動擺動氣缸使用的軟磁材料為工業純鐵。為了有效防止 電磁線圈產生的磁力線沿主軸與殼體形成回路，造成殼體與轉盤間隙處沒有最大有效磁力 線通過，為此在轉盤與主軸之間設計非導磁的軸承座，從磁路上保證間隙處最大有效磁場 的產生。本制動擺缸使用的非導磁材料是鋁合金。通過調節制動擺動氣缸兩腔氣壓差來驅動擺缸，內置制動器在控制電流作用下提供可調力矩。該制動擺動氣缸與比例閥或伺服閥、編碼器、控制器構成新型伺服系統，利用 一定的控制策略可實現系統快速、高精度的位置控制及速度控制，同時系統具有較強的抗 干擾能力。當線圈不通電時，磁流變液保持其流動性，不影響主軸的回轉運動，殼體與轉盤相 分離，此時磁流變液制動器所能傳遞的力矩為很小的粘性阻力矩，制動擺動氣缸同傳統擺 動氣缸一樣工作；當線圈通電后，在空間產生磁場，磁流變液體發生磁流變效應，磁流變液 體中的磁性固體粒子被磁化，并沿著磁力線方向呈鏈狀分布。這種鏈狀結構使得磁流變液 的剪切應力增大，表現出塑性體的特征，主軸帶動轉盤轉動，要剪切磁流變液中的鏈狀結 構，從而加大轉動的阻力，起到了制動的作用，此時磁流變洋人制動器所傳遞的力矩主要來 源于由磁流變效應所引起的力矩，其大小遠遠超過粘性阻力矩，且可以通過調節磁場強度 的大小來對其進行控制，為了增大有效的制動力矩，制動盤和殼體內側都設計為凸齒形。該制動擺動氣缸與比例閥或伺服閥、編碼器、控制器構成新型伺服系統，利用一定 的控制策略可實現系統快速、高精度的位置控制及速度控制，同時系統具有較強的抗干擾 能力。當流變效應足夠大時，可實現系統的定位鎖死功能，可解決擺動氣缸定位剛度低的問 題。該制動擺動氣缸內置制動器使整體結構緊湊，尺寸合理。現代工業生產中的很多場合，如自動化生產線上的分揀作業、機器人或者機械手 擺動關節等，都要求擺動氣缸能在中間位置可靠定位。傳統擺動氣缸配合比例閥或伺服閥、 編碼器、控制器構成的系統在現有的研究成果下很難達到上述要求，由該制動擺動氣缸構 成的系統，在一定的控制策略下可滿足上述場合的要求。
權利要求
一種內置磁流變液制動器的擺動氣缸，其特征在于包括主軸(1)、左殼體(4)、限位塊(5)、中殼體(9)、右殼體(13)、氣缸葉片(17)、鍵(21)、轉盤(23)、彈性擋圈(26)；主軸(1)與氣缸葉片(17)固連，中殼體(9)與左殼體(4)相互扣合連接在一起，氣缸葉片(17)軸向兩面分別與左殼體(4)的內表面、中殼體(9)的內表面相配合形成氣缸葉片(17)的擺動腔，限位塊(5)固定于左殼體(4)和中殼體(9)之間，該限位塊(5)與氣缸葉片(17)將擺動腔的進氣腔和出氣腔分開，中殼體(9)與右殼體(13)相互扣合連接在一起，形成放置轉盤(23)和磁流變液的制動腔，驅動腔與制動腔共用主軸(1)，轉盤(23)放置于制動腔中部，主軸(1)上嵌有鍵(21)連接轉盤(23)來限制轉盤(23)與主軸(1)的周向轉動，主軸(1)在轉盤(23)兩端面的軸向位置上一處設置軸肩，另一處開有擋圈槽，槽上設有擋圈(26)，通過軸肩和擋圈(26)限制轉盤(23)的軸向移動，使轉盤(23)固定在主軸(1)上。
2.根據權利要求1所述的內置磁流變液制動器的擺動氣缸，其特征在于還包括第一0 型密封圈(3)、第二 0型密封圈(6)、第三0型密封圈(7)、第六0型密封圈(15)、第七0型 密封圈(18)、第一軸承(2)、第一軸承座(8)和第二軸承(19)，主軸(1)伸入到軸承腔內的 部分覆有一圈硫化橡膠，第一軸承座(8)嵌入中殼體(9)中間，第一軸承座(8)內圓面與中 殼體(9)內圓面同心，第一軸承座(8)左端面與中殼體(9)左內表面在同一平面上，第一軸 承(2)的外圓面與左殼體(4)的內圓面緊配合，第一軸承(2)的左端面與左殼體(4)與之 配合的內圓面端面在同一平面上，第二軸承(19)的外圓面與第一軸承座(8)的內圓面緊 配合，且第二軸承(19)的右端面與第一軸承座(8)的內左端面在同一平面上，第一 0型密 封圈(3)、第三0型密封圈(7)與主軸(1)上的硫化橡膠相配合，第二 0型密封圈(6)置于 左殼體(4)和中殼體(9)之間，第六0型密封圈(15)置于右殼體(13)和第二軸承座(16) 之間，以防止磁流變液沿右殼體(13)與第二軸承座(16)配合的縫隙泄露，第七0型密封圈 (18)置于中殼體(9)與第一軸承座(8)之間，以限制擺動腔中氣體的泄露。
3.根據權利要求1所述的內置磁流變液制動器的擺動氣缸，其特征在于還包括線圈 套(11)、電磁線圈(12)、第二軸承座(16)、第一油封(20)、第一油封定位塊(22)、第二油封 定位塊(25)、第二油封(27)、第四0型密封圈(10)、第五0型密封圈(14)和第三軸承(29) 和軸承蓋(30)，線圈套(11)內纏繞電磁線圈(12)并置于中殼體(9)與右殼體(13)之間， 線圈套(11)內徑與兩殼體間采用緊配合，磁流變液充滿于中殼體(9)、右殼體(13)和轉 盤(23)中間，第一油封(20)、第二油封(27)安裝在轉盤(23)兩側的主軸(1)與第一軸承 座(8)、第二軸承座(16)之間，以防止磁流變液在軸向的泄露，第一軸承座(8)、第二軸承座 (16)和第一油封定位塊(22)、第二油封定位塊(25)限制第一油封(20)、第二油封(27)的 軸向移動；第二軸承座(16)嵌入右殼體(13)中間，第二軸承座(16)內圓面與右殼體(13) 內圓面同心，第二軸承座(16)右端面與右殼體(13)右端面在同一平面上，第四0型密封圈(10)、第五0型密封圈(14)置于線圈套(11)兩側與中殼體(9)和右殼體(13)間，以防止 磁流變液沿徑向泄露，電磁線圈線頭由電磁線圈出線口(28)引出，第三軸承(29)與第二軸 承座(16)的最小內圓面緊配合，通過主軸(1)的軸肩和軸承蓋(30)限制第三軸承(29)的 軸向移動，軸承蓋(30)與第二軸承座(16)連接，且兩者同心。
4.根據權利要求1所述的內置磁流變液制動器的擺動氣缸，其特征在于中殼體(9)、 右殼體(13)、轉盤(23)采用軟磁性材料制作，第一軸承座(8)、第二軸承座(16)、線圈套(11)采用非導磁性材料制作。
全文摘要
本發明公開了一種內置磁流變液制動器的擺動氣缸，包括主軸、左殼體、限位塊、中殼體、右殼體、氣缸葉片、鍵、轉盤、擋圈；主軸與氣缸葉片固連，中殼體與左殼體相互扣合連接在一起，氣缸葉片軸向兩面分別與左殼體的內表面、中殼體的內表面相配合形成氣缸葉片的擺動腔，限位塊固定于左殼體和中殼體之間，中殼體與右殼體相互扣合連接在一起，形成放置轉盤和磁流變液的制動腔，驅動腔與制動腔共用主軸。本發明利用磁流變效應，可實現擺動氣缸的定位死鎖功能，可解決擺動氣缸定位剛度低的問題，擴大擺動氣缸的實際應用范圍。
文檔編號F15B15/12GK101865175SQ20101021119
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者李小寧, 柏宗春, 陳新 申請人:南京理工大學