专利名称：伸缩变形箝位/定位方法
技术领域：
本发明涉及一种伸缩变形箝位/定位方法，主要是利用具有伸缩变形功能的材料(或物体)研究一种箝位/定位方法，用于机电一体化、微小机电系统、机器人的研制。
背景技术：
物体的运动形式具有多样性，如滚动、行走运动、尺蠖运动等。其中尺蠖运动因其运动方式便捷而在机电一体化领域里，实现物体的可控制运动方面得到较多采用。如用于实现机器人的运动，线性移动电机的移动等。箝位是指卡紧定位，箝位动作是尺蠖运动必不可少的环节，卡紧定位环节决定整个物体能否移动。对基于尺蠖运动规律的线性移动电机或平台系统，箝位至关重要，它直接影响这类移动系统的整体性能。对于采用尺蠖运动形式的机电一体化系统，通常其箝位和驱动部分刚性联结成一体，因而，整个系统运动时带动负载的能力，以及运动的精度等性能取决于箝位部分产生的箝位力和箝位的准确度。
目前，箝位的形式主要有机械、电磁、电致伸缩、磁致伸缩等形式，其中，以电磁箝位形式居多。电磁式箝位是通过电磁铁产生电磁力吸附固定的导磁体来实现。这种箝位方式的优点是电磁力容易产生，箝位过程容易实现，但存在主要缺陷有1、电磁箝位力(特别是与箝位面相切的切向力)小，使驱动平台/电机系统运动负载能力差；2、箝位过程中将产生箝位面间的相对滑动、后挫移动，使整个运动平台/电机系统运动精度低。
韩国推出了一种磁致伸缩箝位机构，采用这种机构的运动体具有运动精度高，负载能力较大的优点，这也是目前所知的最佳的箝位方法之一。其箝位动作通过磁致伸缩材料体的伸长和复原使压于其外围的弹性压环产生相应形变来实现。当磁致伸缩材料体处于未伸长状态时，由于弹性压环弹性力作用，压环卡紧在导向槽中实现箝位卡紧；当磁致伸缩材料体处于伸长状态时，弹性压环随之产生伸长形变，压环与导向槽脱离接触实现箝位释放。如果同时利用这样三个环状体相结合便可实现尺蠖运动。但由这种环体结构组成的尺蠖运动系统存在两个主要缺陷1)由于其箝位力只取决于弹性压环的弹性力，而该弹性力不能过大，压环弹性压力太大将影响磁致伸缩材料的伸缩性能，因此箝位力增大受到限制；2)由于驱动和箝位为一体，驱动和箝位之间可能会产生干涉，在弹性压环形变量达不到一定量值时，箝位将难于释放，这使极微小位移运动较难实现。
发明内容
为避免现有技术的缺陷，本发明提出了一种伸缩变形箝位/定位方法，利用具有伸缩变形功能的材料(物体)，使之与一个间距固定的定位槽体相配合可实现箝位和箝位释放。利用本发明方法设计的箝位/定位机构将具有箝位力大小可调，极限箝位力大，箝位位置准确，以及可实现预箝位的突出特点。应用这种箝位机构实现的尺蠖运动平台/线性电机将潜在具有体积小，负载能力强，运动精度高的特点。并且箝位过程是基于凡具有可控形变并在形变过程中有力的输出的材料或物体来实现的。
本发明的技术特征在于一个可产生变形的箝位体1，一个有一定刚性的定位槽体2，一个激励源E；将箝位体1置于定位槽体2内，利用激励源将1伸长或膨胀，致使箝位体1，定位槽体2相应部分接触产生应力，箝位体1被定位槽体2卡紧，实现卡紧箝位；利用激励源使箝位体1缩短或收缩，致使箝位体1，定位槽体2相应部分脱离接触，接触应力消失，实现箝位释放。
为实现箝位体1和定位槽体2的预卡紧箝位状态利用激励源E将原始长度为l0的箝位体1缩短，至长度为l1，刚性定位槽体2的间距为D、内侧面平行，且D＜l0。当激励源E将箝位体1的长度缩短至l1，且l1≤D时，箝位体1可置于定位槽体2内，同时保持箝位体1的a、b端面与定位槽体2的内侧面平行或基本平行。撤消激励源E， 箝位体1的长度恢复为l0。由于l0＞D，而D的刚性限制使箝位体1被定位槽体2卡紧，实现了预卡紧箝位。该预卡紧箝位状态可使定位槽体2在方位有任意变动时，箝位体1和2不会脱开，使相应的尺蠖运动可在多方位上实现；预卡紧箝位过程也即实现了箝位体1和定位槽体2过盈配合。
此时，如果对置于2内的箝位体1施加的一个与激励E反向的激励E’，使箝位体1的长度增长至12，12＞D(箝位体1无约束时)，并且12随E’的增大而增加；由于定位槽体2的限制，箝位体1的长度只能增至D，但卡紧力由于E’的作用会变大，并随E’的增加而继续增大，直至一个极限值，实现箝位力大小可调的箝位。
箝位体1可以采用磁致伸缩材料，施加的激励源E为磁场。
箝位体1还可以采用压电陶瓷、电流变液或形状记忆合金或磁致形状记忆合金材料，施加的激励源E为电压或电流或磁场或力。
箝位体1还可以采用可发生固、液、气相转变的材料(物体)，或单一相态下可发生体积、长度变化的物体，施加的激励源E为热、冷源或力。
与现有技术相比，本发明创造具有的优点或可以达到的技术效果1、可实现的箝位力大(理论上力的大小可增加到箝位体1的承载压力极限)，且箝位力可调；2、当l0＞D时，箝位体1和定位槽体2间的初过盈装配易于实现，并且通过箝位体1自身尺寸复原实现最初箝位(预卡紧箝位)；3、可避免箝位时打滑、后座现象，以及减小加速运动时后坐力的影响，从而保证箝位定位及尺蠖运动精度；4、通过预箝位可使箝位过程不受方位限制，箝位方位可随槽体方位的改变而改变(箝位体不会与槽体脱落)，这也将使尺蠖运动有在多方位上实现的可能；5、可根据对箝位性能的需求和激励方式的不同灵活选用可控制形变的物体或材料。
图1本发明的箝位/定位方法原理2实施例示意图a.功能材料伸缩长度与磁场强度关系示意图b.磁致伸缩伸长和磁致伸缩呈现缩短示意图c.磁致伸缩体实施箝位过程示意3电磁式箝位运动平台/线性电机示意4压环式磁致伸缩箝位机构示意图1-箝位体 2-定位槽体
具体实施例方式现结合附图对本发明作进一步描述附图2是本实施例的示意图。箝位体1采用磁致伸缩材料棒，激励源H为激励磁场。
磁致伸缩材料棒体，在磁场激励下会伸长，并且伸长量与磁场强度大小有对应关系(图2a)。通常磁致伸缩材料体在平行其磁化方向上外加一个激励磁场时，总表现为磁畴偏转而使材料整体呈现伸长趋势，它与施加磁场的正、反方向无关(图2b)。但是当两个磁场先后加载在一个磁致伸缩材料体上时，如果两磁场方向相反，且强度H1≥H2时，那么第一个磁场使棒体产生的磁致伸长量会因第二个磁场的加载而减小或复原，这使磁致伸缩材料体从整体上呈现出缩短的效果。
所以通过在两个磁场加载情况下磁致伸缩材料棒体的伸长和缩短可以实现箝位夹紧和箝位释放。
具体实现时过程(见图2c)1、先利用一永磁铁或电磁线圈对磁致伸缩材料体加载一永磁场H1(或直流磁场)的磁偏置，使磁致伸缩材料体长度由l0伸长至l，然后利用电磁线圈加载与永磁体磁场(或直流磁偏场)方向相反或相同的电磁场，使磁致伸缩材料体的长度变为l1，l2，或l3；2、当磁致伸缩材料体长在磁场H1作用下由l缩短至l1时，且l1≤L’(L’为箝位机构刚性预紧定位槽体内侧面间距，且l＞L’)，可将磁致伸缩材料体沿其端面与预紧槽侧面平行方向推入预紧定位槽中，然后停止电磁场H1激励，材料体长度由l1恢复至l，由于l＞L’，而L’长度不变，则棒体卡入槽间，实现箝位(预卡紧箝位)；3、当磁致伸缩材料体长由l在H2作用下进一步收缩至l2时，有l2＜L’，此时，磁致伸缩材料体端面与预紧槽内侧面无接触，则卡紧力为0，实现箝位释放；4、当磁致伸缩材料体长由l1在磁场H3作用下会进一步伸长至l3(自由状态时)，但由于L’的限制，此时，磁致伸缩材料棒长度保持为L’，但是箝位卡紧力增大了，并且随磁场H3的增大而使箝位卡紧力不断加大，直至极限值。
至此，箝位，箝位释放，以及箝位力调整均可实现。
权利要求
1.一种伸缩变形箝位/定位方法，其特征在于一个可产生变形的箝位体1，一个有一定刚性的定位槽体2，一个激励源E；将箝位体1置于定位槽体2内，利用激励源E将箝位体1伸长或膨胀，致使箝位体1，定位槽体2相应部分接触产生应力，箝位体1被定位槽体2卡紧，实现卡紧箝位；利用激励源使箝位体1缩短或收缩，致使箝位体1，定位槽体2相应部分脱离接触，接触应力消失，实现箝位释放。
2.根据权利要求1所述的伸缩变形箝位/定位方法，其特征在于设箝位体1的原始长度为l0，刚性定位槽体2的内侧面平行、且间距为D；当l0＞D时，利用能使箝位体1产生形变的激励源E将箝位体1缩短至长度为l1≤D时，将箝位体1置于定位槽体2内，同时保持箝位体1的a、b端面与定位槽体2的内侧面平行或基本平行，撤消激励源E，箝位体1的长度恢复为l0，由于l0＞D，D的限制使箝位体1被定位槽体2卡紧，实现预卡紧箝位。
3.根据权利要求1或2所述的伸缩变形箝位/定位方法，其特征在于对已置于定位槽体2中的箝位体1施加一个与激励源E反向的激励源E’，使箝位体1随E’的增大而增加，且l2＞D；由于定位槽体2的限制，箝位体1的长度只能增至D，但卡紧力由于E’的作用会变大，并随E’的增加而继续增大，直至一个极限值，实现箝位力大小可调的箝位。
4.根据权利要求1，2，3所述的伸缩变形箝位/定位方法，其特征在于箝位体1可以采用磁致伸缩材料，施加的激励源E为磁场。
5.根据权利要求1或2或3所述的伸缩变形箝位/定位方法，其特征在于箝位体1还可以采用压电陶瓷、电流变液或形状记忆合金或磁致形状记忆合金材料，施加的激励源E为电压或电流或磁场或力。
6.根据权利要求1或2所述的伸缩变形箝位/定位方法，其特征在于箝位体1还可以采用可发生固、液、气相转变的材料(物体)，或单一相态下可发生体积、长度变化的物体，施加的激励源E为热、冷源或力。
全文摘要
本发明涉及一种伸缩变形箝位/定位方法，其技术特征在于将可伸缩变形的箝位体置于一个内侧面平行、间距一定的定位槽体内，并保持箝位体的端面与定位槽体的槽内侧面平行或基本平行；然后对箝位体1施加一种可使其产生形变的激励源，使得箝位体的长度伸长箝位体被定位槽体卡紧，实现卡紧箝位；改变激励源E，使得箝位体的长度减小直至箝位体与定位槽体完全脱离接触，实现箝位释放。利用本发明方法设计的箝位/定位机构将具有箝位力大小可调，极限箝位力大，箝位位置准确，以及可实现预箝位的突出特点。应用这种箝位机构实现的尺蠖运动平台/线性电机将潜在具有体积小，负载能力强，运动精度高的特点。
文档编号H02N2/02GK1569404SQ0313439
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月15日 优先权日2003年7月15日
发明者杨斌堂, 陶华 申请人:西北工业大学