用于磁流變流體中磁性顆粒濃度的測量和控制的方法和設備的制作方法
【專利摘要】用于感測和控制磁流變流體中磁性顆粒濃度的系統(tǒng)包括導線線圈和AC電壓發(fā)生器，當其被通電時產生包括邊緣場的磁通場。當該邊緣場延伸穿過磁流變流體時，電路中的阻抗與磁性顆粒的濃度成比例。與感測導線線圈相同的參考導線線圈與感測導線線圈連接。解調器連接到每一個線圈，向反饋控制器發(fā)送阻抗差異信號，所述反饋控制權連接到可控分配設備，所述可控分配設備用于將經(jīng)計算量的補充流體增加到磁流變流體。該系統(tǒng)可包括到集成流體管理模塊中，所述模塊具有用于接收和補充所用過的磁流變流體的設備、以及根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)用于具有載體輪的磁流變精整系統(tǒng)。
【專利說明】用于磁流變流體中磁性顆粒濃度的測量和控制的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于基體的磁輔助磨粒精整和拋光；更特別地，涉及采用磁流變(MR)拋光流體的這樣的系統(tǒng)；最特別地，涉及用于磁流變流體中磁性顆粒的濃度的測量和控制的方法和設備。
【背景技術】
[0002]磁增稠的磁流變流體用于基體的磨料精整和拋光的使用是已被熟知的。這樣的包含散布在液體載體中的磁軟性磨料顆粒的流體在存在磁場的情況中呈現(xiàn)磁致觸變特性。流體的表觀粘性可以磁性地增大多個數(shù)量級，從而流體的稠度從接近水狀變化為非常粘稠的漿糊。當適當?shù)貙χ尚突驋伖獾幕w表面(例如光學元件)引導這樣的漿糊時，高水平的精整質量、精確度和控制可被獲得。
[0003]在示例性MR拋光界面中，要被拋光的凸透鏡(在這里也稱為“工件”)被安裝為距離移動壁某一固定距離，從而透鏡表面和壁形成匯聚的間隙。典型地，透鏡被安裝為繞其軸線旋轉。設置在移動壁下方的電磁體在間隙附近產生不均勻的磁場。磁場梯度正交于壁。MR拋光流體被傳遞到就在電磁極片上方的移動壁，以形成拋光帶。當帶在磁場中運動時，其獲得塑性Bingham性質，且?guī)У纳蠈幽チ巷柡?，因為非磁性磨料顆粒響應于磁場梯度而懸浮。之后，被磁場梯度壓抵所述壁的帶被拖拽穿過間隙，使得在透鏡接觸區(qū)域中材料從透鏡去除。該區(qū)域被命名為“拋光點”或“工作區(qū)域”。拋光點中材料去除率可通過控制磁場的強度、界面的幾何參數(shù)和壁速度而被控制。
[0004]拋光工藝采用計算機程序來確定CNC機床方案，用來改變速度(停留時間)和旋轉工件通過拋光點的位置。因為其一致性和子孔徑屬性，該拋光工具可以精整復雜的表面形狀，如具有不斷變化的局部曲率的球體。
[0005]MRF優(yōu)于競爭技術的基本優(yōu)勢在于，拋光工具不磨損，因為再循環(huán)流體被連續(xù)地監(jiān)視并保持。拋光碎屑和熱量被連續(xù)地去除。該技術不要求專用工具或特殊設置。MRF工藝的整體部件是MRF軟件、具有可編程邏輯控制的CMC平臺、MR流體傳遞和再循環(huán)/調節(jié)系統(tǒng)、以及具有并入在內的載體表面的磁單元。載體表面可以例如通過旋轉輪的邊緣形成、通過旋轉盤的水平表面形成、或通過連續(xù)運動的輸送帶形成。
[0006]在典型的現(xiàn)有技術磁流變精整系統(tǒng)中，載體表面形成在垂直取向的非磁性輪上，所述輪具有軸向寬度的邊緣，所述邊緣關于輪轂對稱地被底切。特定形狀的磁極片(其關于包括輪的旋轉軸線的垂直平面對稱)在底切邊緣下方朝向輪的相對的側部延伸，以提供輪的表面上的磁工作區(qū)域，優(yōu)選地在上止點(top-dead-center)位置周圍的磁工作區(qū)域。輪的載體表面可以是平的，即圓柱形區(qū)段，或其可以是凸形的，即球體赤道區(qū)段，或其可以是凹形的。凸形形狀可以是特別有用的，因為其允許半徑大于輪的半徑的凹形表面的精整。
[0007]安裝在工作區(qū)域上方的是工件接收器，比如卡盤，用于使待精整的工件伸到工作區(qū)域中?？ūP可以多種運動模式編程操作，且優(yōu)選地通過可編程控制器或計算機控制。[0008]磁流變拋光流體，其具有預定的非磁磨料顆粒和磁軟性的磁性顆粒濃度，通常在非磁化狀態(tài)中被從成形噴嘴以帶擠出到輪的工作表面上，該輪的工作表面將所述流體攜帶到工作區(qū)域，在工作區(qū)域中，所述流體被磁化成漿糊狀稠度。在工作區(qū)域中，漿糊狀MR拋光流體在基體上進行研磨工作。MR流體暴露于空氣會引起載體流體的一些蒸發(fā)以及MR流體隨后的濃縮。離開工作區(qū)域時，濃縮的流體被再次非磁化，且從輪工作表面刮除，用于補充和再利用。
[0009]流體輸送到輪以及從輪回收都通過封閉的流體輸送系統(tǒng)管理?，F(xiàn)有技術MR精整系統(tǒng)的操作要求使用輸送系統(tǒng)，該輸送系統(tǒng)包括輸送泵、抽吸泵、流量計、粘度計、噴嘴、壓力傳感器、脈沖阻尼器、磁力閥、冷卻器、和管子。這樣的輸送系統(tǒng)的成本很高，可能總計達到MR精整系統(tǒng)總成本的四分之一。
[0010]輸送系統(tǒng)的充電是耗時的過程，要求完全拆卸、清潔所有部件、重新組裝并在填充新鮮流體之后試車(break in)，該漫長的程序不利地影響生產率和技術的靈活性。
[0011]在MR流體在機器中“生存”期間，輸送系統(tǒng)必須以不停止的狀態(tài)操作。即使在拋光之間的間隔時段中也要求磨料MR流體的連續(xù)的再循環(huán)，以便避免由于固體的沉淀而使得MR流體性質變化。這種連續(xù)的再循環(huán)導致輸送系統(tǒng)部件的加速磨損和額外能量的耗費。
[0012]輸送系統(tǒng)中由于任何一些原因引起的MR流體流動速率不穩(wěn)定性(脈動)導致基體表面上的不穩(wěn)定去除率和誤差。
[0013]為了提供合適的MR流體循環(huán)和與不同輸送系統(tǒng)部件的兼容性，流體必須具有特定的流變/粘性性能以及適當?shù)幕瘜W性質。這限制流體部件的選擇并約束流體組分，例如，去除率的提高要求更大的固體濃度。
[0014]本領域需要的是改進的、低成本、低維護、且技術靈活的MR精整系統(tǒng)，其中拋光操作不要求現(xiàn)有技術中傳統(tǒng)MR流體輸送系統(tǒng)，且其中采用適當?shù)难b置和方法用于MR流體中磁性顆粒濃度的直接測量和動態(tài)控制。
[0015]本發(fā)明的主要目的是在MR精整系統(tǒng)中連續(xù)地監(jiān)測和控制MR流體中的磁性顆粒濃度。

【發(fā)明內容】

[0016]簡要來說，根據(jù)本發(fā)明的用于基體的磁流變精整的改進的系統(tǒng)包括改進的傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)對流體中磁性顆粒濃度敏感，且對MR流體性能施加動態(tài)控制，以控制MR流體中含水量。傳感器系統(tǒng)包括結合在電路中的參考線圈和感測線圈。感測線圈定位在包括要被監(jiān)測的MR流體的腔體附近，從而感測線圈的邊緣場延伸到MR流體中。當傳感器的面與MR流體接觸時，線圈的感抗被改變，導致阻抗的相應變化。線圈阻抗被測量，且使用適當?shù)碾娮悠骷a生輸出信號。
[0017]該系統(tǒng)可還包括用于補償電路阻抗的熱變化的器件。例如，傳感器可包括熱接觸的兩個相同的線圈:感測線圈和參考線圈。它們通過高頻率正弦波激勵器驅動，且它們的阻抗差使用靈敏解調器被測量。兩個線圈的差值輸出提供測量MR流體磁導率(與磁性顆粒濃度成比例)的靈敏方式，同時消除由溫度導致的變化。來自傳感器的信號將輸入提供到反饋控制器，其使水分配子系統(tǒng)將經(jīng)計算量的水增加到MR流體，以令流體恢復到期望的顆粒濃度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0018]通過閱讀結合附圖給出的以下描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)勢以及當前優(yōu)選實施例將變得更加明顯，附圖中:
[0019]圖1是具有延伸到MR流體樣品內的邊緣場的磁線圈的示意圖；
[0020]圖2是根據(jù)本發(fā)明的溫度補償傳感器的示意圖，所述傳感器布置在MR流體樣品附近； [0021]圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于測量和動態(tài)控制MR流體的磁性顆粒濃度的系統(tǒng)的示意圖；
[0022]圖4是顯示了作為濕度百分比的函數(shù)的體積百分比濃度的關系的圖表；
[0023]圖5是顯示了來自圖3所示系統(tǒng)的根據(jù)MR流體中磁性顆粒的體積百分比濃度的以伏特為單位的輸出信號的圖表；
[0024]圖6是本發(fā)明實施例的正視剖視圖，其包括在parent美國專利申請中公開的集成流體流動管理模塊(IFMM)中，該申請的相關部分通過引用并入在此。
【具體實施方式】
[0025]根據(jù)本發(fā)明的設備和材料(MR流體)的磁導率的測量原理如下。
[0026]參考圖1和2，導線線圈10連接到AC電壓發(fā)生器12，以已知的方式引發(fā)磁場14。磁場14包括稱為邊緣場16的、超出線圈10每個端部的區(qū)域。磁性材料(例如MR流體，其中磁導率要被測量)的樣品18被緊鄰線圈10放置在邊緣場16中。當電壓被施加到線圈10時，磁路被形成，以傳導線圈所產生的磁通量。該磁路包括兩個主要組成部分:線圈10和樣品18。對該磁路應用安培環(huán)路定律，且假定漏磁通量可忽略不計，我們可以看到:
[0027]NI = Hclc+Hsls (I)
[0028]其中NI是線圈磁動勢(N是阻數(shù)，I是電流)；下標c表示線圈，s表示樣品；
[0029]He和Hs是磁場強度，且
[0030]Ic和Is是相應元件中的路徑長度。
[0031]磁感應通量在磁路的任何橫截面上相同；
[0032]Φ = BcAc = BsAs (2)
[0033]其中Φ =磁通量強度，
[0034]Be和Bs是磁感應強度，且
[0035]Ac和As分別是線圈10和樣品18的橫截面積。
[0036]考慮到:
[0037]ffe =念和 Hs = f(3)
[0038]其中μ ^是真空磁導率，μ是樣品18的磁導率，結合這三個方程，我們得到
[0039]NI = BcAc +4-1(4)

L^IqAc IiAsJ
[0040]由此,磁通量為:[0041]
【權利要求】
1.一種傳感器系統(tǒng)，用于感測磁流變流體中磁性顆粒的濃度，該傳感器系統(tǒng)包括: Ca)磁流變流體； (b)第一導線線圈；和 (C)AC電壓發(fā)生器，附接到電路中的所述第一導線線圈，使得當所述發(fā)生器被通電時，在所述第一導線線圈中和周圍產生磁通場， 其中所述磁通場包括第一和第二邊緣場，其超出所述第一導線線圈的端部延伸，和其中當所述第一和第二邊緣場之一而不是二者穿過所述磁流變流體延伸時，所述電路中的阻抗與所述磁性顆粒的濃度成比例。
2.如權利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，進一步包括第二導線線圈，其連接到所述發(fā)生器并與所述第一導線線圈相同，且具有在所述磁流變流體之外的邊緣場。
3.如權利要求2所述的傳感器系統(tǒng)，進一步包括: (a)解調器，連接到所述感測線圈和所述參考線圈； (b)可控分配設備，用于向所述磁流變流體增加經(jīng)計算量的補充流體；和 (c)反饋控制器，連接到所述解調器，用于向所述可控分配設備發(fā)送信號。
4.一種用在具有載體輪的磁流變精整系統(tǒng)中的集成流體管理模塊，該模塊包括: Ca)外殼，其中具有磁屏蔽腔體，所述腔體具有到所述載體輪的表面的開口 ； (b)設備，用于接收和補充所述腔體內的用過的磁流變流體；和 (C)帶擠出器，其安裝到所述外殼，用于從所述腔體將補充的磁流變流體的帶擠出到所述輪表面上， 其中所述補充設備包括: (i)傳感器系統(tǒng)，用于確定所述接收的磁流變流體中磁性顆粒的濃度；和 (ii)可控分配設備，用于向所述接收的磁流變流體增加經(jīng)計算量的補充流體。
5.如權利要求4所述的模塊，其中所述傳感器包括: Ca)感測線圈； (b)參考線圈； (C)AC電壓發(fā)生器，連接到所述感測線圈和所述參考線圈； Cd)解調器，連接到所述感測線圈和所述參考線圈；和 (e)反饋控制器，連接到所述解調器，用于向所述可控分配設備發(fā)送信號。
6.如權利要求4所述的模塊，其中所述可控分配設備包括: (a)補充流體源； (b)泵，連接到所述源；和(c)設備，連接到所述泵，用于將所述經(jīng)計算量的補充流體增加到所述磁流變流體內。
7.一種用于維持磁流變流體中顆粒的目標濃度的方法，包括以下步驟: Ca)將導線線圈定位在所述磁流變流體附近； (b)通過所述導線線圈傳送AC電壓，以在所述磁流變流體中感應超出所述導線線圈端部的邊緣磁場； (c)確定所述導線感測線圈中所產生的阻抗； Cd)將所述產生的阻抗與遠離所述磁流變流體的參考線圈中的阻抗進行對比，以確定它們之間的阻抗差；(e)應用一算法，以從所述阻抗差推斷所述磁流變流體的磁性顆粒濃度； (f)計算需要被添加到所述磁流變流體以將所述磁流變流體稀釋到其中的磁性顆粒的目標濃度的補充流體的量；和 (g)將所述計算量分配到所述磁流變流體中。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述算法包括至少為磁性顆粒的濃度的函數(shù)的輸出信號的標定 數(shù)據(jù)。
【文檔編號】B24B1/00GK103635288SQ201280029256
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年4月12日 優(yōu)先權日:2011年4月13日
【發(fā)明者】W.科唐斯基, K.比德爾, S.戈羅德金, A.塞克雷斯 申請人:Qed技術國際股份有限公司