專利名稱：半導(dǎo)體制冷溫控型超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)裝置，尤其是涉及一種半導(dǎo)體制冷溫控型超磁致伸縮微位 移執(zhí)動(dòng)器。
技術(shù)背景微位移執(zhí)行器在超精密加工、機(jī)器人、流體機(jī)械、振動(dòng)控制、聲納系統(tǒng)等 領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用較多的類型主要有機(jī)械式、液壓式和壓電式 等。機(jī)械式和液壓式執(zhí)行器頻響較低，輸出力較小，輸出位移難以滿足高精度要求；壓電執(zhí)行器雖然位移分辨率和頻響均比較高，但出力較小，易產(chǎn)生電擊 穿，并會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。超磁致伸縮微位移執(zhí)行器具有大位移、強(qiáng)力、快響應(yīng)、 高可靠性、低壓驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)；但作為一種電(磁)機(jī)換能器，超磁致伸縮微位移執(zhí) 行器能量利用率較低，除了一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出外，大部分能量以熱能方 式散發(fā)掉。由于執(zhí)行器內(nèi)部空間封閉，散熱性能差，特別是在高頻大電流工作 狀態(tài)下，溫度將快速上升，熱誤差顯著，但現(xiàn)有技術(shù)對(duì)執(zhí)行器熱誤差補(bǔ)償過于 復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體制冷溫控型超磁致伸縮微位移執(zhí)行器，通 過電流來控制輸出位移的執(zhí)行裝置，通過線圈骨架兩端的半導(dǎo)體制冷器實(shí)施溫 控，并用冷卻水循環(huán)裝置為半導(dǎo)體制冷器熱端進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)抑制執(zhí)行器溫升 和熱變形誤差輸出，提高輸出位移控制精度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是由機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫控電氣回 路兩部分組成，其中包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫控電氣回路兩部分組成，其中l(wèi))機(jī)械結(jié)構(gòu)包括下冷卻水室底座、下冷卻水室端蓋、線圈骨架、輸出管、 超磁致伸縮棒、驅(qū)動(dòng)線圈、外殼、上冷卻水室底座、上冷卻水室端蓋、上端蓋、 十字形輸出頂桿、預(yù)壓螺母、預(yù)壓彈簧、輸出管、水泵和水箱；在凸臺(tái)形的下 冷卻水室底座臺(tái)肩上裝有下冷卻水室端蓋和第一半導(dǎo)體制冷器，下冷卻水室底 座與下冷卻水室端蓋間形成下環(huán)形通道，下冷卻水室底座中心凸臺(tái)從下至上依 次裝有超磁致伸縮棒和十字形輸出頂桿，裝有驅(qū)動(dòng)線圈的線圈骨架縱向中點(diǎn)處 裝有鉑電阻，并套在下冷卻水室底座臺(tái)肩、超磁致伸縮棒和十字形輸出頂桿的
下直桿外，第二半導(dǎo)體制冷器裝在十字形輸出頂桿的下直桿外并裝在線圈骨架 上端面，第一半導(dǎo)體制冷器、線權(quán)骨架和第二半導(dǎo)體制冷器均裝在外殼內(nèi)，外 殼下端面壓在下冷卻水室端蓋上，裝在十字形輸出頂桿的下直桿外依裝有凸臺(tái) 形上冷卻水室底座和上冷卻水室端蓋，上冷卻水室端蓋并裝在外殼上端面，凸 臺(tái)形上冷卻水室底座和上冷卻水室端蓋間形成上環(huán)形通道，十字形輸出頂桿外裝有上端蓋，十字形輸出頂桿上有預(yù)壓彈簧和預(yù)壓螺母；水箱水管經(jīng)水泵后分 成二路， 一路經(jīng)第一輸出管接下環(huán)形通道， 一路經(jīng)第一輸出管接上環(huán)形通道， 第三輸出管與上環(huán)形通道和下環(huán)形通道連通后接入水箱。2)溫控電氣回路包括電氣控制和主電路兩部分，電氣控制部分由鉑電阻、 第一電阻、第一可調(diào)電阻、第二電阻、第二可調(diào)電阻、第二電源、電壓放大器 和直流繼電器組成，鉑電阻裝在線圈骨架縱向中點(diǎn)處，夾于超磁致伸縮棒和線 圈骨架之間，鉑電阻、第一電阻、第一可調(diào)電阻和第二電阻組成的惠斯登橋電 路，在第一電阻和第一可調(diào)電阻之間接第二可調(diào)電阻，第二可調(diào)電阻接第二電 源，第二電源接在鉑電阻和第二電阻之間，在鉑電阻和第一電阻之間接電壓放 大器的正接線柱，在第一可調(diào)電阻和第二電阻之間接電壓放大器的負(fù)接線柱， 電壓放大器輸出端接直流繼電器；第一電源負(fù)端接第三可調(diào)電阻、直流繼電器 的觸點(diǎn)、第一半導(dǎo)體制冷器和第二半導(dǎo)體制冷器，第二半導(dǎo)體制冷器再與第一 電源正端相接，組成主電路部分。本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電流較小(2 4A)，工作穩(wěn)定，頻響特性好(可達(dá)2000Hz);采用半導(dǎo)體制冷溫控技術(shù)， 制冷迅速且能實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間溫控，溫控電氣回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能溫定并能及時(shí)相 應(yīng)執(zhí)行器內(nèi)部溫度的變化，能有效抑制熱誤差輸出，位移輸出控制精度可達(dá)到 亞微米級(jí)甚至更高。本發(fā)明體積小、重量輕、輸出力大、位移精度高，能抑制 熱變形對(duì)執(zhí)行器輸出位移的影響，可用于超精密加工、振動(dòng)控制等領(lǐng)域。


附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中l(wèi).下冷卻水室底座，2.下冷卻水室端蓋，3.半導(dǎo)體制冷器，4.線圈骨 架，5.輸出管，6.超磁致伸縮棒，7.驅(qū)動(dòng)線圈，8.外殼，9.上冷卻水室底座，10. 上冷卻水室端蓋，ll.上端蓋，12.十字形輸出頂桿，13.預(yù)壓螺母，14.預(yù)壓彈簧， 15.電壓放大器，16.輸出管，17.水泵，18.水箱，19.冷卻水。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如附圖所示，本發(fā)明包括包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫控電氣回路兩部分組成，其中1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)包括下冷卻水室底座1、下冷卻水室端蓋2、線圈骨架4、輸出管5、超磁致伸縮棒6、驅(qū)動(dòng)線圈7、外殼8、上冷卻水室底座9、上冷卻水室 端蓋IO、上端蓋ll、十字形輸出頂桿12、預(yù)壓螺母13、預(yù)壓彈簧、輸出管16、 水泵17和水箱18;在凸臺(tái)形的下冷卻水室底座1臺(tái)肩上裝有下冷卻水室端蓋2 和第一半導(dǎo)體制冷器3，下冷卻水室底座1與下冷卻水室端蓋2間形成下環(huán)形通 道，下冷卻水室底座1中心凸臺(tái)從下至上依次裝有超磁致伸縮棒6和十字形輸 出頂桿12，裝有驅(qū)動(dòng)線圈7的線圈骨架4縱向中點(diǎn)處裝有鉑電阻Rf，并套在下 冷卻水室底座1臺(tái)肩、超磁致伸縮棒6和十字形輸出頂桿12的下直桿外，第二 半導(dǎo)體制冷器3裝在十字形輸出頂桿12的下直桿外并裝在線圈骨架4上端面， 第一半導(dǎo)體制冷器3、線圈骨架4和第二半導(dǎo)體制冷器3均裝在外殼8內(nèi)，外殼 8下端面壓在下冷卻水室端蓋2上，裝在十字形輸出頂桿12的下直桿外依裝有 凸臺(tái)形上冷卻水室底座9和上冷卻水室端蓋10，上冷卻水室端蓋10并裝在外殼 8上端面，凸臺(tái)形上冷卻水室底座9和上冷卻水室端蓋10間形成上環(huán)形通道， 十字形輸出頂桿12外裝有上端蓋11，十字形輸出頂桿12上有預(yù)壓彈簧14和預(yù) 壓螺母13;水箱18水管經(jīng)水泵17后分成二路， 一路經(jīng)第一輸出管16接下環(huán)形 通道， 一路經(jīng)第一輸出管16接上環(huán)形通道，第三輸出管5與上環(huán)形通道和下環(huán) 形通道連通后接入水箱18。2) 溫控電氣回路包括電氣控制和主電路兩部分，電氣控制部分由鉑電阻 Rf、第一電阻R1、第一可調(diào)電阻R2、第二電阻R3、第二可調(diào)電阻R4、第二電 源U2、電壓放大器15和直流繼電器P組成，鉑電阻Rf裝在線圈骨架4縱向中 點(diǎn)處，夾于超磁致伸縮棒6和線圈骨架4之間，鉑電阻Rf、第一電阻R1、第一 可調(diào)電阻R2和第二電阻R3組成的惠斯登橋電路，在第一電阻Rl和第一可調(diào) 電阻R2之間接第二可調(diào)電阻R4，第二可調(diào)電阻R4接第二電源U2，第二電源 U2接在鉑電阻Rf和第二電阻R3之間，在鉑電阻Rf和第一電阻Rl之間接電壓 放大器15的正接線柱，在第一可調(diào)電阻R2和第二電阻R3之間接電壓放大器 15的負(fù)接線柱，電壓放大器15輸出端接直流繼電器P;第一電源U1負(fù)端接第 三可調(diào)電阻R5、直流繼電器P的觸點(diǎn)、第一半導(dǎo)體制冷器3和第二半導(dǎo)體制冷 器3，第二半導(dǎo)體制冷器3再與第一電源U1正端相接，組成主電路部分。所述的預(yù)壓彈簧為圓柱形彈簧14或碟形彈簧。通過調(diào)節(jié)由輸出頂桿12、預(yù)壓彈簧14、上端蓋11和預(yù)壓螺母13構(gòu)成的組 合預(yù)壓裝置，可對(duì)超磁致伸縮棒6施加不同的預(yù)壓力，使超磁致伸縮棒6處于
較佳的工作狀態(tài)。在輸入電流的作用下，驅(qū)動(dòng)線圈7將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，使超磁 致伸縮棒6長(zhǎng)度發(fā)生變化。由于下冷卻水室底座1對(duì)超磁致伸縮棒6有支撐作 用，所以超磁致伸縮棒6的長(zhǎng)度變化量將通過輸出頂桿13對(duì)外輸出，表現(xiàn)為超 磁致伸縮微位移執(zhí)行器的位移輸出。在激勵(lì)電流作用下，超磁致伸縮微位移執(zhí)行器內(nèi)部的溫度將會(huì)迅速上升， 熱誤差顯著。由于影響超磁致伸縮微位移執(zhí)行器熱誤差輸出的主要原因是超磁 致伸縮棒6的熱變形，裝在超磁致伸縮棒6與線圈骨架4中間的鉑電阻Rf用來 監(jiān)控超磁致伸縮棒6周圍的溫度；若溫度升高，則由鉑電阻Rf、電阻R1、可調(diào) 電阻R2和電阻R3組成的惠斯登橋電路將產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)電壓放 大器15放大并驅(qū)動(dòng)直流繼電器P工作，進(jìn)而控制溫控主電路的接通與斷開，實(shí) 現(xiàn)半導(dǎo)體制冷器斷續(xù)制冷。半導(dǎo)體制冷器3工作時(shí)，按制冷原理可將其端面分 為冷端和熱端，其中冷端與線圈骨架4貼在一起，熱端與上、下冷卻水室貼在 一起；當(dāng)溫控主電路接通時(shí)，半導(dǎo)體制冷器3開始工作，熱量從冷端轉(zhuǎn)移到熱 端，使得線圈骨架4溫度降低；在溫差的作用下，驅(qū)動(dòng)線圈7和超磁致伸縮棒6 散發(fā)的熱量經(jīng)線圈骨架4傳遞到半導(dǎo)體制冷器3的冷端，并由半導(dǎo)體制冷器3 將其帶到熱端；冷卻水19在水泵17的帶動(dòng)下，經(jīng)輸出管16進(jìn)入冷卻水室，通 過室壁與半導(dǎo)體制冷器3的熱端進(jìn)行熱交換，交換的熱量通過水流被轉(zhuǎn)移到外 界環(huán)境，同時(shí)保持半導(dǎo)體制冷器3熱端溫度穩(wěn)定，具有較高的制冷效率；重復(fù) 上面這些步驟，可有效地保持超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的溫度基本不變，實(shí)現(xiàn) 抑制執(zhí)行器溫升和熱變形誤差輸出，提高輸出位移控制精度。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本 發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落 入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、半導(dǎo)體制冷溫控型超磁致伸縮微位移執(zhí)行器，其特征在于包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫控電氣回路兩部分組成，其中1)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括下冷卻水室底座(1)、下冷卻水室端蓋(2)、線圈骨架(4)、輸出管(5)、超磁致伸縮棒(6)、驅(qū)動(dòng)線圈(7)、外殼(8)、上冷卻水室底座(9)、上冷卻水室端蓋(10)、上端蓋(11)、十字形輸出頂桿(12)、預(yù)壓螺母(13)、預(yù)壓彈簧、輸出管(16)、水泵(17)和水箱(18)。在凸臺(tái)形的下冷卻水室底座(1)臺(tái)肩上裝有下冷卻水室端蓋(2)和第一半導(dǎo)體制冷器(3)，下冷卻水室底座(1)與下冷卻水室端蓋(2)間形成下環(huán)形通道，下冷卻水室底座(1)中心凸臺(tái)從下至上依次裝有超磁致伸縮棒(6)和十字形輸出頂桿(12)，裝有驅(qū)動(dòng)線圈(7)的線圈骨架(4)縱向中點(diǎn)處裝有鉑電阻(Rf)，并套在下冷卻水室底座(1)臺(tái)肩、超磁致伸縮棒(6)和十字形輸出頂桿(12)的下直桿外，第二半導(dǎo)體制冷器(3)裝在十字形輸出頂桿(12)的下直桿外并裝在線圈骨架(4)上端面，第一半導(dǎo)體制冷器(3)、線圈骨架(4)和第二半導(dǎo)體制冷器(3)均裝在外殼(8)內(nèi)，外殼(8)下端面壓在下冷卻水室端蓋(2)上，裝在十字形輸出頂桿(12)的下直桿外依裝有凸臺(tái)形上冷卻水室底座(9)和上冷卻水室端蓋(10)，上冷卻水室端蓋(10)并裝在外殼(8)上端面，凸臺(tái)形上冷卻水室底座(9)和上冷卻水室端蓋(10)間形成上環(huán)形通道，十字形輸出頂桿(12)外裝有上端蓋(11)，十字形輸出頂桿(12)上有預(yù)壓彈簧(14)和預(yù)壓螺母(13)；水箱(18)水管經(jīng)水泵(17)后分成二路，一路經(jīng)第一輸出管(16)接下環(huán)形通道，一路經(jīng)第一輸出管(16)接上環(huán)形通道，第三輸出管(5)與上環(huán)形通道和下環(huán)形通道連通后接入水箱(18)。2)溫控電氣回路包括電氣控制和主電路兩部分，電氣控制部分由鉑電阻(Rf)、第一電阻(R1)、第一可調(diào)電阻(R2)、第二電阻(R3)、第二可調(diào)電阻(R4)、第二電源(U2)、電壓放大器(15)和直流繼電器(P)組成，鉑電阻(Rf)裝在線圈骨架(4)縱向中點(diǎn)處，夾于超磁致伸縮棒(6)和線圈骨架(4)之間，鉑電阻(Rf)、第一電阻(R1)、第一可調(diào)電阻(R2)和第二電阻(R3)組成的惠斯登橋電路，在第一電阻(R1)和第一可調(diào)電阻(R2)之間接第二可調(diào)電阻(R4)，第二可調(diào)電阻(R4)接第二電源(U2)，第二電源(U2)接在鉑電阻(Rf)和第二電阻(R3)之間，在鉑電阻(Rf)和第一電阻(R1)之間接電壓放大器(15)的正接線柱，在第一可調(diào)電阻(R2)和第二電阻(R3)之間接電壓放大器(15)的負(fù)接線柱，電壓放大器(15)輸出端接直流繼電器(P)；第一電源(U1)負(fù)端接第三可調(diào)電阻(R5)、直流繼電器(P)的觸點(diǎn)、第一半導(dǎo)體制冷器(3)和第二半導(dǎo)體制冷器(3)，第二半導(dǎo)體制冷器(3)再與第一電源(U1)正端相接，組成主電路部分。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體制冷溫控型超磁致伸縮微位移執(zhí)行器，其 特征在于所述的預(yù)壓彈簧為圓柱形彈簧(14)或碟形彈簧。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體制冷溫控型超磁致伸縮微位移執(zhí)行器。通過電流來控制輸出位移的執(zhí)行裝置，通過線圈骨架兩端的半導(dǎo)體制冷器實(shí)施溫控，并用冷卻水循環(huán)裝置為半導(dǎo)體制冷器熱端進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)抑制執(zhí)行器溫升和熱變形誤差輸出，提高輸出位移控制精度。本發(fā)明執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電流較小，工作穩(wěn)定，頻響特性好；采用半導(dǎo)體制冷溫控技術(shù)，制冷迅速且能實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間溫控，電氣回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能溫定并能及時(shí)相應(yīng)執(zhí)行器內(nèi)部溫度的變化，能有效抑制熱誤差輸出，位移輸出控制精度可達(dá)到亞微米級(jí)甚至更高。同時(shí)具有體積小、重量輕、輸出力大、位移精度高，能抑制熱變形對(duì)執(zhí)行器輸出位移的影響，可用于超精密加工、振動(dòng)控制等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B06B1/08GK101119081SQ20071006942
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者冷洪濱, 剛 周, 君 徐, 葛榮杰, 趙章榮, 鄔義杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)