專利名稱：伸縮變形箝位/定位方法
技術領域：
本發明涉及一種伸縮變形箝位/定位方法，主要是利用具有伸縮變形功能的材料(或物體)研究一種箝位/定位方法，用于機電一體化、微小機電系統、機器人的研制。
背景技術：
物體的運動形式具有多樣性，如滾動、行走運動、尺蠖運動等。其中尺蠖運動因其運動方式便捷而在機電一體化領域里，實現物體的可控制運動方面得到較多采用。如用于實現機器人的運動，線性移動電機的移動等。箝位是指卡緊定位，箝位動作是尺蠖運動必不可少的環節，卡緊定位環節決定整個物體能否移動。對基于尺蠖運動規律的線性移動電機或平臺系統，箝位至關重要，它直接影響這類移動系統的整體性能。對于采用尺蠖運動形式的機電一體化系統，通常其箝位和驅動部分剛性聯結成一體，因而，整個系統運動時帶動負載的能力，以及運動的精度等性能取決于箝位部分產生的箝位力和箝位的準確度。
目前，箝位的形式主要有機械、電磁、電致伸縮、磁致伸縮等形式，其中，以電磁箝位形式居多。電磁式箝位是通過電磁鐵產生電磁力吸附固定的導磁體來實現。這種箝位方式的優點是電磁力容易產生，箝位過程容易實現，但存在主要缺陷有1、電磁箝位力(特別是與箝位面相切的切向力)小，使驅動平臺/電機系統運動負載能力差；2、箝位過程中將產生箝位面間的相對滑動、后挫移動，使整個運動平臺/電機系統運動精度低。
韓國推出了一種磁致伸縮箝位機構，采用這種機構的運動體具有運動精度高，負載能力較大的優點，這也是目前所知的最佳的箝位方法之一。其箝位動作通過磁致伸縮材料體的伸長和復原使壓于其外圍的彈性壓環產生相應形變來實現。當磁致伸縮材料體處于未伸長狀態時，由于彈性壓環彈性力作用，壓環卡緊在導向槽中實現箝位卡緊；當磁致伸縮材料體處于伸長狀態時，彈性壓環隨之產生伸長形變，壓環與導向槽脫離接觸實現箝位釋放。如果同時利用這樣三個環狀體相結合便可實現尺蠖運動。但由這種環體結構組成的尺蠖運動系統存在兩個主要缺陷1)由于其箝位力只取決于彈性壓環的彈性力，而該彈性力不能過大，壓環彈性壓力太大將影響磁致伸縮材料的伸縮性能，因此箝位力增大受到限制；2)由于驅動和箝位為一體，驅動和箝位之間可能會產生干涉，在彈性壓環形變量達不到一定量值時，箝位將難于釋放，這使極微小位移運動較難實現。
發明內容
為避免現有技術的缺陷，本發明提出了一種伸縮變形箝位/定位方法，利用具有伸縮變形功能的材料(物體)，使之與一個間距固定的定位槽體相配合可實現箝位和箝位釋放。利用本發明方法設計的箝位/定位機構將具有箝位力大小可調，極限箝位力大，箝位位置準確，以及可實現預箝位的突出特點。應用這種箝位機構實現的尺蠖運動平臺/線性電機將潛在具有體積小，負載能力強，運動精度高的特點。并且箝位過程是基于凡具有可控形變并在形變過程中有力的輸出的材料或物體來實現的。
本發明的技術特征在于一個可產生變形的箝位體1，一個有一定剛性的定位槽體2，一個激勵源E；將箝位體1置于定位槽體2內，利用激勵源將1伸長或膨脹，致使箝位體1，定位槽體2相應部分接觸產生應力，箝位體1被定位槽體2卡緊，實現卡緊箝位；利用激勵源使箝位體1縮短或收縮，致使箝位體1，定位槽體2相應部分脫離接觸，接觸應力消失，實現箝位釋放。
為實現箝位體1和定位槽體2的預卡緊箝位狀態利用激勵源E將原始長度為l0的箝位體1縮短，至長度為l1，剛性定位槽體2的間距為D、內側面平行，且D＜l0。當激勵源E將箝位體1的長度縮短至l1，且l1≤D時，箝位體1可置于定位槽體2內，同時保持箝位體1的a、b端面與定位槽體2的內側面平行或基本平行。撤消激勵源E， 箝位體1的長度恢復為l0。由于l0＞D，而D的剛性限制使箝位體1被定位槽體2卡緊，實現了預卡緊箝位。該預卡緊箝位狀態可使定位槽體2在方位有任意變動時，箝位體1和2不會脫開，使相應的尺蠖運動可在多方位上實現；預卡緊箝位過程也即實現了箝位體1和定位槽體2過盈配合。
此時，如果對置于2內的箝位體1施加的一個與激勵E反向的激勵E’，使箝位體1的長度增長至12，12＞D(箝位體1無約束時)，并且12隨E’的增大而增加；由于定位槽體2的限制，箝位體1的長度只能增至D，但卡緊力由于E’的作用會變大，并隨E’的增加而繼續增大，直至一個極限值，實現箝位力大小可調的箝位。
箝位體1可以采用磁致伸縮材料，施加的激勵源E為磁場。
箝位體1還可以采用壓電陶瓷、電流變液或形狀記憶合金或磁致形狀記憶合金材料，施加的激勵源E為電壓或電流或磁場或力。
箝位體1還可以采用可發生固、液、氣相轉變的材料(物體)，或單一相態下可發生體積、長度變化的物體，施加的激勵源E為熱、冷源或力。
與現有技術相比，本發明創造具有的優點或可以達到的技術效果1、可實現的箝位力大(理論上力的大小可增加到箝位體1的承載壓力極限)，且箝位力可調；2、當l0＞D時，箝位體1和定位槽體2間的初過盈裝配易于實現，并且通過箝位體1自身尺寸復原實現最初箝位(預卡緊箝位)；3、可避免箝位時打滑、后座現象，以及減小加速運動時后坐力的影響，從而保證箝位定位及尺蠖運動精度；4、通過預箝位可使箝位過程不受方位限制，箝位方位可隨槽體方位的改變而改變(箝位體不會與槽體脫落)，這也將使尺蠖運動有在多方位上實現的可能；5、可根據對箝位性能的需求和激勵方式的不同靈活選用可控制形變的物體或材料。
圖1本發明的箝位/定位方法原理2實施例示意圖a.功能材料伸縮長度與磁場強度關系示意圖b.磁致伸縮伸長和磁致伸縮呈現縮短示意圖c.磁致伸縮體實施箝位過程示意3電磁式箝位運動平臺/線性電機示意4壓環式磁致伸縮箝位機構示意圖1-箝位體 2-定位槽體
具體實施例方式現結合附圖對本發明作進一步描述附圖2是本實施例的示意圖。箝位體1采用磁致伸縮材料棒，激勵源H為激勵磁場。
磁致伸縮材料棒體，在磁場激勵下會伸長，并且伸長量與磁場強度大小有對應關系(圖2a)。通常磁致伸縮材料體在平行其磁化方向上外加一個激勵磁場時，總表現為磁疇偏轉而使材料整體呈現伸長趨勢，它與施加磁場的正、反方向無關(圖2b)。但是當兩個磁場先后加載在一個磁致伸縮材料體上時，如果兩磁場方向相反，且強度H1≥H2時，那么第一個磁場使棒體產生的磁致伸長量會因第二個磁場的加載而減小或復原，這使磁致伸縮材料體從整體上呈現出縮短的效果。
所以通過在兩個磁場加載情況下磁致伸縮材料棒體的伸長和縮短可以實現箝位夾緊和箝位釋放。
具體實現時過程(見圖2c)1、先利用一永磁鐵或電磁線圈對磁致伸縮材料體加載一永磁場H1(或直流磁場)的磁偏置，使磁致伸縮材料體長度由l0伸長至l，然后利用電磁線圈加載與永磁體磁場(或直流磁偏場)方向相反或相同的電磁場，使磁致伸縮材料體的長度變為l1，l2，或l3；2、當磁致伸縮材料體長在磁場H1作用下由l縮短至l1時，且l1≤L’(L’為箝位機構剛性預緊定位槽體內側面間距，且l＞L’)，可將磁致伸縮材料體沿其端面與預緊槽側面平行方向推入預緊定位槽中，然后停止電磁場H1激勵，材料體長度由l1恢復至l，由于l＞L’，而L’長度不變，則棒體卡入槽間，實現箝位(預卡緊箝位)；3、當磁致伸縮材料體長由l在H2作用下進一步收縮至l2時，有l2＜L’，此時，磁致伸縮材料體端面與預緊槽內側面無接觸，則卡緊力為0，實現箝位釋放；4、當磁致伸縮材料體長由l1在磁場H3作用下會進一步伸長至l3(自由狀態時)，但由于L’的限制，此時，磁致伸縮材料棒長度保持為L’，但是箝位卡緊力增大了，并且隨磁場H3的增大而使箝位卡緊力不斷加大，直至極限值。
至此，箝位，箝位釋放，以及箝位力調整均可實現。
權利要求
1.一種伸縮變形箝位/定位方法，其特征在于一個可產生變形的箝位體1，一個有一定剛性的定位槽體2，一個激勵源E；將箝位體1置于定位槽體2內，利用激勵源E將箝位體1伸長或膨脹，致使箝位體1，定位槽體2相應部分接觸產生應力，箝位體1被定位槽體2卡緊，實現卡緊箝位；利用激勵源使箝位體1縮短或收縮，致使箝位體1，定位槽體2相應部分脫離接觸，接觸應力消失，實現箝位釋放。
2.根據權利要求1所述的伸縮變形箝位/定位方法，其特征在于設箝位體1的原始長度為l0，剛性定位槽體2的內側面平行、且間距為D；當l0＞D時，利用能使箝位體1產生形變的激勵源E將箝位體1縮短至長度為l1≤D時，將箝位體1置于定位槽體2內，同時保持箝位體1的a、b端面與定位槽體2的內側面平行或基本平行，撤消激勵源E，箝位體1的長度恢復為l0，由于l0＞D，D的限制使箝位體1被定位槽體2卡緊，實現預卡緊箝位。
3.根據權利要求1或2所述的伸縮變形箝位/定位方法，其特征在于對已置于定位槽體2中的箝位體1施加一個與激勵源E反向的激勵源E’，使箝位體1隨E’的增大而增加，且l2＞D；由于定位槽體2的限制，箝位體1的長度只能增至D，但卡緊力由于E’的作用會變大，并隨E’的增加而繼續增大，直至一個極限值，實現箝位力大小可調的箝位。
4.根據權利要求1，2，3所述的伸縮變形箝位/定位方法，其特征在于箝位體1可以采用磁致伸縮材料，施加的激勵源E為磁場。
5.根據權利要求1或2或3所述的伸縮變形箝位/定位方法，其特征在于箝位體1還可以采用壓電陶瓷、電流變液或形狀記憶合金或磁致形狀記憶合金材料，施加的激勵源E為電壓或電流或磁場或力。
6.根據權利要求1或2所述的伸縮變形箝位/定位方法，其特征在于箝位體1還可以采用可發生固、液、氣相轉變的材料(物體)，或單一相態下可發生體積、長度變化的物體，施加的激勵源E為熱、冷源或力。
全文摘要
本發明涉及一種伸縮變形箝位/定位方法，其技術特征在于將可伸縮變形的箝位體置于一個內側面平行、間距一定的定位槽體內，并保持箝位體的端面與定位槽體的槽內側面平行或基本平行；然后對箝位體1施加一種可使其產生形變的激勵源，使得箝位體的長度伸長箝位體被定位槽體卡緊，實現卡緊箝位；改變激勵源E，使得箝位體的長度減小直至箝位體與定位槽體完全脫離接觸，實現箝位釋放。利用本發明方法設計的箝位/定位機構將具有箝位力大小可調，極限箝位力大，箝位位置準確，以及可實現預箝位的突出特點。應用這種箝位機構實現的尺蠖運動平臺/線性電機將潛在具有體積小，負載能力強，運動精度高的特點。
文檔編號H02N2/02GK1569404SQ0313439
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月15日 優先權日2003年7月15日
發明者楊斌堂, 陶華 申請人:西北工業大學