磁流变液变刚度重力补偿机构.pdf

一种磁流变液变刚度重力补偿机构，属于机械技术领域。本发明包括：活塞杆、滚珠丝杠、与滚珠丝杠配对的螺母、磁流变液力传递机构动片、磁流变液力传递机构静片、磁流变液、气缸缸体、壳体，活塞杆和磁流变液力传递机构静片固定在壳体上，磁流变液力传递机构动片与螺母连接，磁流变液力传递机构动片和磁流变液力传递机构静片之间为磁流变液，滚珠丝杠通过滚动轴承与气缸缸体连接。本发明可以实现连续变刚度从而能根据具体的应用环境进行刚度调节，同时，可以方便的利用通断电通过磁流变液对机构进行控制，使得机构响应迅速，结构上减轻了整体的重量，外观简明整洁。

1、  一种磁流变液变刚度重力补偿机构，其特征在于，包括：活塞杆、滚珠丝杠、与滚珠丝杠配对的螺母、磁流变液力传递机构动片、磁流变液力传递机构静片、磁流变液、气缸缸体、壳体，活塞杆和磁流变液力传递机构静片固定在壳体上，磁流变液力传递机构动片和与滚珠丝杠配对的螺母连接，磁流变液力传递机构动片和磁流变液力传递机构静片之间为磁流变液，滚珠丝杠通过滚动轴承与气缸缸体连接。

2、  根据权利要求1所述的磁流变液变刚度重力补偿机构，其特征是，所述的活塞杆处于气缸缸体空腔内部，气缸缸体轴线与活塞杆的长度方向保持一致。

3、  根据权利要求1所述的磁流变液变刚度重力补偿机构，其特征是，所述的滚珠丝杠与气缸缸体保持同轴，气缸缸体和滚珠丝杆沿轴线方向上下运动。

磁流变液变刚度重力补偿机构
技术领域
本发明涉及的是一种机械工程技术领域的装置，具体的说，是一种磁流变液(MR)变刚度重力补偿机构。
背景技术
重力补偿机构广泛应用于航空航天、机械工程、医学、油气开发等领域。通常在重力场中移动物体时，通过使用重力补偿机构来抵消其部分重力，减小重力矩，就使得对物体进行操作的作用力相对较小，从而可以节省能源。同时，通过重力补偿还可以提高操作的安全性。目前重力补偿机构普遍利用平衡物、永磁体或力学弹簧来补偿重力。使用平衡物来补偿重力突出缺点是向机构中增加了实体质量，补偿重力时不但要补偿基本物体质量，还需要考虑到该附加质量，达不到节省能源的效果。永磁体补偿重力也存在这样的缺陷：重量大，而且对于负荷变化敏感，机构无法实现变刚度。力学弹簧补偿重力问题在于其对负荷变化敏感，弹簧只能进行分级调节，机构无法实现连续变刚度。同时传统的重力补偿机构普遍存在响应慢、有冲击及控制不变等缺陷。磁流变液是一种性能奇特的智能流变材料，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。由于其响应时间快、可控性强、耗能极小、工作范围宽等特点，已经成功应用在各种领域，尤其是在减振控制方面。基于磁流变液技术的产品性能极其优异，突出表现为低耗能、良好的动力性能及高精确性，无疑将成为未来产品的主力军。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利《三维气浮平台与气压式重力补偿方法》(专利公开号CN1986337)中提到一种气压式重力补偿机构。该机构使用空压机把压缩空气经处理后输入比例阀，通过控制器调整气体压力送入气缸驱动活塞，从而使活塞所支撑的质量实现重力补偿。该机构利用气缸与气浮垫相结合实现重力补偿，利用比例阀调节压缩空气，使得整个机构响应快，精度高；同时还无需考虑附加质量过大的问题，提高机构的工作效率。该机构的不足在于：缺少一个平衡装置与气缸部分平衡，使得需补偿的质量无法固定，只能处于一种悬浮状态，无法实现高刚度，这就导致机构无法实现变刚度在某些特定的外界条件无法工作。同时机构的结构也比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种磁流变液变刚度重力补偿机构。本发明具有结构简单、可以方便的通过MR液对机构进行控制响应十分迅速、机构刚度连续可变从而能根据具体的应用环境进行刚度调节等特点，解决了传统重力补偿机构的刚度不可变及难以控制等问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的。本发明包括：活塞杆、滚珠丝杠、与滚珠丝杠配对的螺母、磁流变液力传递机构动片、磁流变液力传递机构静片、磁流变液、气缸缸体、壳体。活塞杆和磁流变液力传递机构静片固定在壳体上，磁流变液力传递机构动片与与滚珠丝杠配对的螺母连接，磁流变液力传递机构动片和磁流变液力传递机构静片之间为磁流变液，滚珠丝杠通过滚动轴承与气缸缸体连接。
气缸缸体和活塞杆构成了重力补偿机构力产生装置，活塞杆和气缸缸体在外部动力源及控制器件的配合下完成动平衡伺服；滚珠丝杠和螺母构成了磁流变液效应增强转换机构，即重力补偿机构力传动装置；磁流变液力传递机构的动片、静片和磁流变液构成了磁流变液离合器，即重力补偿机构力平衡装置。由于是采用固定活塞杆方式，气缸缸体上腔为压力腔，受外部比例阀控制的压缩空气进入有杆腔，缸体浮动，从而实现对重力的平衡作用。缸体浮动通过滚动轴承带动滚珠丝杆的上下运动，通过对磁流变液通断电控制滚珠螺母的转动，从而控制需补偿质量的移动，实现变刚度补偿。
本发明利用气缸进行重力补偿，随着气体的不断压缩机构可以渐渐改变刚度，这种改变是一种连续的渐变过程，并非力学弹簧那种分级的变化过程，这也是用质量、永磁体补偿重力无法实现的，同时也克服了质量、永磁体补偿重力时的质量过大问题。本发明的另外一个特点是采用了磁流变液的致动装置，磁流变液具有磁性材料的特性和液体流动性。在外加磁场作用下，磁流变液的流变特性可发生急剧变化，其优点在于粘度变化连续、可逆、迅速且易于控制，具有无级可调的特性。这就解决了传统的重力补偿机构存在的响应慢、有冲击及控制不变等缺陷。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1为活塞杆、2为滚珠丝杠、3为与滚珠丝杠配对的螺母、4为磁流变液力传递机构动片、5为磁流变液力传递机构静片、6为磁流变液、7为气缸缸体、8为壳体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：活塞杆1、滚珠丝杠2、与滚珠丝杠配对的螺母3、磁流变液力传递机构动片4、磁流变液力传递机构静片5、磁流变液6、气缸缸体7、壳体8，活塞杆1和磁流变液力传递机构静片4固定在壳体8上，磁流变液力传递机构动片4与与滚珠丝杠配对的螺母3连接，磁流变液力传递机构动片4和磁流变液力传递机构静片5之间为磁流变液6，滚珠丝杠2通过滚动轴承与气缸缸体7连接。
所述的活塞杆1处于气缸缸体7空腔内部，轴线与活塞杆1的长度方向保持一致。
所述的滚珠丝杠2与气缸缸体7保持同轴，气缸缸体7和滚珠丝杆2沿轴线方向上下运动。
所述的与滚珠丝杠配对的螺母3保证磁流变液力传递机构动片4与滚珠丝杠2的位置关系。
所述的磁流变液力传递机构动片4控制与滚珠丝杠配对的螺母3的旋转运动。
所述的磁流变液力传递机构静片5起固定机构作用。
所述的磁流变液6通过通断电控制调整需补偿质量的移动，实现变刚度补偿。
采用固定活塞杆1方式，气缸缸体7浮动，气缸缸体7上腔为压力腔，受外部比例阀控制的压缩空气进入有杆腔，实现对重力的平衡作用。气缸缸体7浮动通过轴承带动滚珠丝杆2上下运动。在断电状态下，即零磁场条件下，磁流变液呈现出低粘度的牛顿流体特性，恢复流体状态，丧失剪切能力。无法通过磁流变液力传递机构动片4带动滚珠螺母3作旋转运动。此时滚珠丝杆2作为主动件带动滚珠螺母3作旋转运动，需补偿质量可以上下自由移动。在外部动力源及控制器件的配合下，对压缩空气冲入可以进行控制调节，机构的刚度是连续可变的，实现刚度连续可变，此时刚度较低。磁流变液6通电产生强磁场，在强磁场作用下，磁流变液6呈现出高粘度、低流动性，引起磁流变效应，产生剪切应力，通过磁流变液力传递机构动片4带动滚珠螺母3转动，滚珠螺母3转动与滚珠丝杆2的上下移动实现平衡，滚珠丝杠2形成自锁，通过轴承与之相连的气缸缸体7无法浮动，此时需补偿的质量无法自由移动，固定在某一预期位置，机构处于高刚度状态下。由此实现磁流变液变刚度重力补偿。