用于磁流变流体中磁性颗粒浓度的测量和控制的方法和设备

摘要

用于感测和控制磁流变流体中磁性颗粒浓度的系统包括导线线圈和AC电压发生器，当其被通电时产生包括边缘场的磁通场。当该边缘场延伸穿过磁流变流体时，电路中的阻抗与磁性颗粒的浓度成比例。与感测导线线圈相同的参考导线线圈与感测导线线圈连接。解调器连接到每一个线圈，向反馈控制器发送阻抗差异信号，所述反馈控制权连接到可控分配设备，所述可控分配设备用于将经计算量的补充流体增加到磁流变流体。该系统可包括到集成流体管理模块中，所述模块具有用于接收和补充所用过的磁流变流体的设备、以及根据本发明的传感器系统，该传感器系统用于具有载体轮的磁流变精整系统。

说明书

技术领域

本发明涉及用于基体的磁辅助磨粒精整和抛光；更特别地，涉及采用磁 流变（MR）抛光流体的这样的系统；最特别地，涉及用于磁流变流体中磁 性颗粒的浓度的测量和控制的方法和设备。

背景技术

磁增稠的磁流变流体用于基体的磨料精整和抛光的使用是已被熟知的。 这样的包含散布在液体载体中的磁软性磨料颗粒的流体在存在磁场的情况 中呈现磁致触变特性。流体的表观粘性可以磁性地增大多个数量级，从而流 体的稠度从接近水状变化为非常粘稠的浆糊。当适当地对着待成型或抛光的 基体表面（例如光学元件）引导这样的浆糊时，高水平的精整质量、精确度 和控制可被获得。

在示例性MR抛光界面中，要被抛光的凸透镜（在这里也称为“工件”） 被安装为距离移动壁某一固定距离，从而透镜表面和壁形成汇聚的间隙。典 型地，透镜被安装为绕其轴线旋转。设置在移动壁下方的电磁体在间隙附近 产生不均匀的磁场。磁场梯度正交于壁。MR抛光流体被传递到就在电磁极 片上方的移动壁，以形成抛光带。当带在磁场中运动时，其获得塑性Bingham 性质，且带的上层磨料饱和，因为非磁性磨料颗粒响应于磁场梯度而悬浮。 之后，被磁场梯度压抵所述壁的带被拖拽穿过间隙，使得在透镜接触区域中 材料从透镜去除。该区域被命名为“抛光点”或“工作区域”。抛光点中材 料去除率可通过控制磁场的强度、界面的几何参数和壁速度而被控制。

抛光工艺采用计算机程序来确定CNC机床方案，用来改变速度（停留 时间）和旋转工件通过抛光点的位置。因为其一致性和子孔径属性，该抛光 工具可以精整复杂的表面形状，如具有不断变化的局部曲率的球体。

MRF优于竞争技术的基本优势在于，抛光工具不磨损，因为再循环流 体被连续地监视并保持。抛光碎屑和热量被连续地去除。该技术不要求专用 工具或特殊设置。MRF工艺的整体部件是MRF软件、具有可编程逻辑控制 的CMC平台、MR流体传递和再循环/调节系统、以及具有并入在内的载体 表面的磁单元。载体表面可以例如通过旋转轮的边缘形成、通过旋转盘的水 平表面形成、或通过连续运动的输送带形成。

在典型的现有技术磁流变精整系统中，载体表面形成在垂直取向的非磁 性轮上，所述轮具有轴向宽度的边缘，所述边缘关于轮毂对称地被底切。特 定形状的磁极片（其关于包括轮的旋转轴线的垂直平面对称）在底切边缘下 方朝向轮的相对的侧部延伸，以提供轮的表面上的磁工作区域，优选地在上 止点（top-dead-center）位置周围的磁工作区域。轮的载体表面可以是平的， 即圆柱形区段，或其可以是凸形的，即球体赤道区段，或其可以是凹形的。 凸形形状可以是特别有用的，因为其允许半径大于轮的半径的凹形表面的精 整。

安装在工作区域上方的是工件接收器，比如卡盘，用于使待精整的工件 伸到工作区域中。卡盘可以多种运动模式编程操作，且优选地通过可编程控 制器或计算机控制。

磁流变抛光流体，其具有预定的非磁磨料颗粒和磁软性的磁性颗粒浓 度，通常在非磁化状态中被从成形喷嘴以带挤出到轮的工作表面上，该轮的 工作表面将所述流体携带到工作区域，在工作区域中，所述流体被磁化成浆 糊状稠度。在工作区域中，浆糊状MR抛光流体在基体上进行研磨工作。 MR流体暴露于空气会引起载体流体的一些蒸发以及MR流体随后的浓缩。 离开工作区域时，浓缩的流体被再次非磁化，且从轮工作表面刮除，用于补 充和再利用。

流体输送到轮以及从轮回收都通过封闭的流体输送系统管理。现有技术 MR精整系统的操作要求使用输送系统，该输送系统包括输送泵、抽吸泵、 流量计、粘度计、喷嘴、压力传感器、脉冲阻尼器、磁力阀、冷却器、和管 子。这样的输送系统的成本很高，可能总计达到MR精整系统总成本的四分 之一。

输送系统的充电是耗时的过程，要求完全拆卸、清洁所有部件、重新组 装并在填充新鲜流体之后试车（break in），该漫长的程序不利地影响生产率 和技术的灵活性。

在MR流体在机器中“生存”期间，输送系统必须以不停止的状态操作。 即使在抛光之间的间隔时段中也要求磨料MR流体的连续的再循环，以便避 免由于固体的沉淀而使得MR流体性质变化。这种连续的再循环导致输送系 统部件的加速磨损和额外能量的耗费。

输送系统中由于任何一些原因引起的MR流体流动速率不稳定性（脉 动）导致基体表面上的不稳定去除率和误差。

为了提供合适的MR流体循环和与不同输送系统部件的兼容性，流体必 须具有特定的流变/粘性性能以及适当的化学性质。这限制流体部件的选择并 约束流体组分，例如，去除率的提高要求更大的固体浓度。

本领域需要的是改进的、低成本、低维护、且技术灵活的MR精整系统， 其中抛光操作不要求现有技术中传统MR流体输送系统，且其中采用适当的 装置和方法用于MR流体中磁性颗粒浓度的直接测量和动态控制。

本发明的主要目的是在MR精整系统中连续地监测和控制MR流体中的 磁性颗粒浓度。

发明内容

简要来说，根据本发明的用于基体的磁流变精整的改进的系统包括改进 的传感器系统，该传感器系统对流体中磁性颗粒浓度敏感，且对MR流体性 能施加动态控制，以控制MR流体中含水量。传感器系统包括结合在电路中 的参考线圈和感测线圈。感测线圈定位在包括要被监测的MR流体的腔体附 近，从而感测线圈的边缘场延伸到MR流体中。当传感器的面与MR流体接 触时，线圈的感抗被改变，导致阻抗的相应变化。线圈阻抗被测量，且使用 适当的电子器件产生输出信号。

该系统可还包括用于补偿电路阻抗的热变化的器件。例如，传感器可包 括热接触的两个相同的线圈：感测线圈和参考线圈。它们通过高频率正弦波 激励器驱动，且它们的阻抗差使用灵敏解调器被测量。两个线圈的差值输出 提供测量MR流体磁导率（与磁性颗粒浓度成比例）的灵敏方式，同时消除 由温度导致的变化。来自传感器的信号将输入提供到反馈控制器，其使水分 配子系统将经计算量的水增加到MR流体，以令流体恢复到期望的颗粒浓 度。

附图说明

通过阅读结合附图给出的以下描述，本发明的上述和其他目的、特征和 优势以及当前优选实施例将变得更加明显，附图中：

图1是具有延伸到MR流体样品内的边缘场的磁线圈的示意图；

图2是根据本发明的温度补偿传感器的示意图，所述传感器布置在MR 流体样品附近；

图3是根据本发明的用于测量和动态控制MR流体的磁性颗粒浓度的系 统的示意图；

图4是显示了作为湿度百分比的函数的体积百分比浓度的关系的图表；

图5是显示了来自图3所示系统的根据MR流体中磁性颗粒的体积百分 比浓度的以伏特为单位的输出信号的图表；

图6是本发明实施例的正视剖视图，其包括在parent美国专利申请中公 开的集成流体流动管理模块（IFMM）中，该申请的相关部分通过引用并入 在此。

具体实施方式

根据本发明的设备和材料（MR流体）的磁导率的测量原理如下。

参考图1和2，导线线圈10连接到AC电压发生器12，以已知的方式 引发磁场14。磁场14包括称为边缘场16的、超出线圈10每个端部的区域。 磁性材料（例如MR流体，其中磁导率要被测量）的样品18被紧邻线圈10 放置在边缘场16中。当电压被施加到线圈10时，磁路被形成，以传导线圈 所产生的磁通量。该磁路包括两个主要组成部分：线圈10和样品18。对该 磁路应用安培环路定律，且假定漏磁通量可忽略不计，我们可以看到：

NI＝H_cl_c+H_sl_s   (1)

其中NI是线圈磁动势（N是匝数，I是电流）；下标c表示线圈，s表示 样品；

Hc和Hs是磁场强度，且

lc和ls是相应元件中的路径长度。

磁感应通量在磁路的任何横截面上相同；

Φ＝B_cA_c＝B_sA_s   (2)

其中Φ=磁通量强度，

Bc和Bs是磁感应强度，且

Ac和As分别是线圈10和样品18的横截面积。

考虑到：

$H_c=\frac{B_c}{{\mu }_0}$和$H_s=\frac{B_s}{\mu }---\left(3\right)$

其中μ₀是真空磁导率，μ是样品18的磁导率，结合这三个方程，我们 得到

$\mathrm{NI}=B_c{A}_c[\frac{l_c}{{\mu }_0{A}_c}+\frac{l_s}{{\mathrm{\mu A}}_s}]---\left(4\right)$

由此，磁通量为：

$\Phi =B_c{A}_c=\frac{\mathrm{NI}}{\frac{l_c}{{\mu }_0{A}_c}+\frac{l_s}{{\mathrm{\mu A}}_s}}---\left(5\right)$

其中，

$\frac{l_c}{{\mu }_0{A}_c}=R_c$

和

$\frac{l_s}{{\mathrm{\mu A}}_s}=R_s$

分别是线圈10和样品18的磁阻。

磁通量Φ因此等于磁动势除以线圈和样品的磁阻之和。在所有电路参数 恒定的情况下，样品18的磁阻的一些变化导致线圈中磁通量的相应变化， 并由此引起其感应系数变化：

（6）$L_c=\frac{\mathrm{N\Phi }}{I}=\frac{N^2}{R_c+R_s}$

因此，线圈感应系数的测量允许确定样品磁阻，并且最终确定样品磁导 率。

磁导率μ取决于MR流体的磁性能。反过来，这些性能取决于样品中磁 性颗粒的浓度，如方程7给出的：

当系统的全部参数，包括施加到线圈10的AC电压，被保持恒定时， 接触传感器22（包括线圈10）的面20的MR流体中的磁性颗粒浓度的任何 变化将导致线圈感应系数的相应变化。

确定线圈感应系数的一个方便的方式是通过测量线圈的感抗，其是交流 电路中对抗电流流动的测量值：

X_L=ωL   (8)

其中ω是交流电流频率。

参考图3，实际中，MR流体浓度如下所述地测量。不导电外壳11内的 线圈10形成感测元件。当传感器22的面20与MR流体接触从而边缘场16 延伸到流体中时，感测线圈10的感抗被改变，导致阻抗的相应变化。线圈 阻抗被测量，且使用适当的电子器件产生输出信号。该系统可进一步包括用 于补偿电路阻抗的热变化的器件。例如，如图3所示，传感器22包括热接 触的两个相同的线圈10、10’：感测线圈10和参考线圈10’。它们通过高频 率正弦波激励驱动，且它们的阻抗差使用灵敏解调器24被测量。将线圈10、 10’的输出求差值提供测量MR流体18磁导率的灵敏方式，同时消除由温度 引起的变化。补偿温度的另一种方式（未示出）是通过测量线圈温度和产生 用于补偿的适当反馈信号。例如，这样的信号可以通过测量线圈在DC电路 中的电阻或使用适当的热传感器（例如嵌入在线圈中的热电偶或热敏电阻） 而产生。

在此期间，系统输出信号跟随样品磁性颗粒浓度中的变化而变化。在一 般的情况中，其可以如所示地在方程（9）中被限定：

其中K₁、K₂……是一些常数参数，取决于系统几何和系统电参数。传 感器输出信号的大小可以通过（预先）设置不同的系统参数（比如线圈的匝 数和几何形状、频率和振荡器的电压、部件的阻抗等）而被操作。

MR流体18中磁性颗粒的浓度与解调器24的输出电压V_s26之间的数 量关系通过用具有已知磁性颗粒浓度的样品校准而被确定。这样的校准给出 根据方程10的一般的表达式：

其中a和b是通过校准限定的常数。

例子：水基的MR流体的样品被用来测试和系统校准。首先，MR流体 中磁性颗粒浓度通过用湿度分析仪HB43湿度（水的百分比）测量而确定， 所述湿度限定磁性颗粒浓度，所述湿度分析仪可从瑞士Mettler-Toledo Gmbh 获得。相应数据显示在图4中。由此，具有已知磁性颗粒浓度的MR流体被 放置在容器13中，所述容器13具有嵌入安装的传感器22，与磁性颗粒浓度 成比例的信号26通过传感器22产生，所述传感器22包括嵌入在图3中所 示防水壳11中的两个线圈10、10’。图5显示了如方程10所预测的测得浓 度范围内电压与浓度的良好线性关系。

参考图3和6，以及原申请中公开的内容，在磁流变精整机中，IFMM30 被布置为从轮30去除用过的带32b，补充并重塑用过的MR流体，并挤出 经补充的MR流体的带32a到轮上。

IFMM30包括大致圆柱形、杯形的外壳36，其由屏蔽材料形成，以阻 止IFMM内MR流体的磁化。外壳36设置有围绕外壳36敞开端部的表面， 其优选可与轮34的表面一致。外壳36包括腔体38，其具有进入槽40，用 于允许带32b进入；和离开槽42，用于分配挤出的带32a。滴管44提供到 腔体38的入口，用于将流体46分配到其内，例如MR流体、补充流体等。 带变流线48延伸跨过进入槽40的内端部，并与轮34的表面接触安放，以 令用过的带32b从轮34向腔体38偏转。线48通过旋钮50拉紧，并可由尼 龙、不锈钢、铜等制成。电动搅拌机和搅拌机叶轮布置在外壳上，并延伸到 腔体38内，用于将流体46与用过的MR流体32b混合，以产生用于再利用 的补充MR流体32a。传感器22布置在腔体38的壁内，与混合和补充MR 流体34a接触，用于确定其中的磁性颗粒浓度。电气导管52允许电通路通 到搅拌机和传感器。

在操作中，当轮34旋转时，磁屏蔽（外部磁场）的IFMM腔体38用给 定量的MR流体填充（例如通过穿过屏蔽物开口的注射器）。轮34的表面通 过离开槽42运送出低粘性MR抛光流体32a，由此形成轮表面上的带。

在通过轮34上的工作区域（未示出）后，带（此时为32b）进入磁屏蔽 的IFMM腔体38，去磁，并通过变流线48从轮表面去除，形成射流，该射 流与运动的轮表面一起搅动MR流体并有助于与补充载体流体46（例如通 过滴管44注入的水）的混合。可以通过适当的器件（比如由包括在模块本 体中的电机驱动的可选的旋转搅拌机叶轮）提供附加的搅拌/混合（例如在使 用相对粘稠的MR流体的情况中）。

根据本发明，带形成过程和IFMM腔体中的MR抛光流体回收是连续的。 典型地，水基的MR抛光流体被用在光学器件精整中。总体系统稳定性和去 除率稳定性对于受控的、高分辨率、确定性的精整是关键的。材料去除率可 能由于带表面上和IFMM腔体中发生的水的蒸发而变化。这反过来引起MR 流体固体浓度的不希望的变化（增大），该变化通过包括在腔体壁中的传感 器22检测。（注意：将传感器22从腔体38分开的传感器面或腔体壁优选地 由高抗性非铁磁材料形成或涂覆有所述材料，比如陶瓷或金刚石，以阻止传 感器面或壁在使用期间被硬的磨料磁性材料腐蚀。）来自传感器22的信号26 供给到传统的反馈回路控制器54，以致动注水泵56，从而注射从储存器58 抽吸的某具体量的水46，以通过将用过的流体32b稀释为补充流体32a而补 充MR流体。

尽管已经参考各具体实施例描述了本发明，但应理解的是，在所描述的 发明概念的理念和范围内可进行各种变化。因此，意图是本发明不被限制于 所描述的实施例，而是具有以下述权利要求所限定的完整范围。