包括永磁铁和对磁铁选择性磁化和消磁的线圈的夹具组件

1.一种用于夹紧具有第一表面和第二表面的堆叠件的夹具组件(110，510，710，810，
910，1010，1110，1210，1310，1410)，所述夹具组件包含：
第一夹具(120，520，720，820，920，1020，1120，1220，1320，1420)，其包含多个磁装置(130，132a，132b，540，740，840，940，1040，1140，1240，1340，M1-M6)，每个磁装置包括永磁铁(132，542，1342)和围绕所述永磁铁的线圈(134，544，1344)；
控制器(150)，其用于向线圈(134，544，1344)提供脉冲以选择性地对所述永磁铁(132，
542，1342)磁化和消磁；以及
第二夹具(140，530，730，830，930，1030，1130，1230，1330)，其大体上与所述第一夹具相对，并与所述第一夹具的所述永磁铁中的至少一个形成空气隙，所述第二夹具提供所述多个磁装置中的至少两个之间的磁通路径；
其中所述第一夹具被配置为被定位为抵靠所述堆叠件的所述第一表面；
其中所述第二夹具被配置为被定位为抵靠所述堆叠件的所述第二表面；并且
其中所述空气隙被配置为接收所述堆叠件。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第二夹具包括提供所述磁通路径的板(730，
830，930)。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述第二夹具(140，530，730，830，930，1030，1130，
1230，1330)包含多个所述磁装置(540，1140，1240，1345)，这些磁装置的永磁铁(1347)与所述第一夹具(120，520，720，820，920，1020，1120，1220，1320，1420)中相应的永磁铁(132，
542，1342)对齐。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述永磁铁围绕加工轴线(A)对称设置。
5.根据权利要求1所述的组件，还包括至少一个保持器(136，550，750，950，1050，1150，
1250)，用于围绕加工轴线(A)保持所述永磁铁(132，542，1342)，所述保持器还提供所述永磁铁之间的磁通路径。
6.根据权利要求1所述的组件，其中至少一个磁装置(1345)的所述永磁铁(1347)是弯曲的，并且所述线圈(1349)位于弯曲的永磁铁的一端。
7.根据权利要求1所述的组件，其中所述控制器(150)被配置为向已选线圈提供脉冲，以提升和降级所述永磁铁的磁畴取向。
8.根据权利要求7所述的组件，其中所述控制器(150)包括闭环控制装置，其响应空气隙传感器，控制每个线圈的控制线圈电流持续时间和幅值，以使每个永磁铁达到目标磁通密度。
9.根据权利要求1-8任一项所述的组件，还包括用于向所述线圈提供脉冲预存储能量的电容器系统(1520)。

包括永磁铁和对磁铁选择性磁化和消磁的线圈的夹具组件\n技术领域\n背景技术\n[0001] 考虑堆叠零件被固定在一起的组件运行的示例。这些零件通过数百磅的力被夹紧在一起，同时将紧固件比如铆钉或螺栓插入堆叠件，然后封端。\n[0002] 在这个示例中，电磁铁被用来施加夹紧力。例如，电磁铁阵列被定位在堆叠件的一侧，而金属板被定位在堆叠件的相对侧。当驱动电磁铁时，它们产生磁场，磁场的磁力线通过金属板，使金属板向最小磁阻位置移动（向电磁铁方向移动）。其结果是，将这些零件夹紧在一起。\n[0003] 为了获得数百磅夹紧力，需要用到大电磁铁和高电流。在夹紧周期中需要不断地施加高电流。在一个长夹紧周期内，所消耗的的总能量相当大。\n[0004] 在长夹紧周期中，需要冷却系统来冷却电磁铁，以防过热。空气或其他冷却流体流过电磁铁铜绕组之间的通道。被流体携带出的热量由换热器或其他二次系统排出。\n发明内容\n[0005] 根据本文的实施例，夹具组件包含由多个磁装置的第一夹具组成。每个磁装置包含永磁铁和围绕永磁铁的线圈。夹具组件还包括控制器，用于向线圈提供脉冲，从而选择性地对永磁铁磁化或消磁。\n[0006] 根据本文的另一个实施例，系统包括自动装置末端受动器，所述自动装置末端受动器包含多个围绕加工轴线的磁装置。每个磁装置包括永磁铁和围绕永磁铁的线圈。所述系统还包括控制器，用于向线圈提供脉冲，从而选择性地对永磁铁磁化或消磁。\n[0007] 根据本文的另一个实施例，夹紧堆叠件的方法包括：将永磁铁抵靠堆叠件的第一表面定位，将磁通量传导结构抵靠堆叠件的第二表面放置，以及对永磁铁施加外部磁场脉冲，以对永磁铁进行磁化或消磁。\n[0008] 本公开的一个方面涉及带有第一夹具的夹具组件，其包含多个磁装置。每个磁装置包括永磁铁和围绕永磁铁的线圈。该夹具组件还包括控制器，用于向线圈提供脉冲，从而选择性地对永磁铁磁化或消磁。\n[0009] 在一个示例中，夹具组件还包括第二夹具，它与第一夹具的磁铁形成空气隙，第二夹具提供了磁通路径。\n[0010] 在该夹具组件的一个变体中，第二夹具包括用于提供磁通路径的板。\n[0011] 在该夹具组件的一个替代方案中，第二夹具包括多个磁装置，它的永磁铁与第一夹具相应的永磁铁对齐放置。\n[0012] 在该夹具组件的另一个示例中，每个永磁铁包含铁合金。\n[0013] 在该夹具组件的另一个变体中，永磁铁围绕加工轴线被对称设置。\n[0014] 在另一个替代方案中，夹具组件还包括至少一个保持器，用于围绕加工轴线保持永磁铁，保持器还在永磁铁之间提供磁通路径。\n[0015] 在该夹具组件的又一个示例中，多个保持器从加工轴线的径向向外延伸。\n[0016] 在该夹具组件的又一个变体中，至少有一个保持器将永磁铁围绕加工轴线以环形样式设置。\n[0017] 在该夹具组件的又一个替代方案中，至少一个磁装置的永磁铁是弯曲的，并且线圈位于弯曲永磁铁的一端。\n[0018] 在该夹具组件的又一示例中，控制器被配置为向已选线圈提供脉冲，以提升或降级永磁铁的磁畴取向（alignment）。\n[0019] 在该夹具组件的又一个变体中，控制器包含闭环控制装置，响应空气隙传感器，以控制每个线圈中控制线圈的电流持续时间和幅值，使每个永磁铁达到目标磁通量密度。\n[0020] 在该夹具组件的又一个替代方案中，该夹具组件还包括向线圈提供脉冲的预储能的电容器系统。\n[0021] 本公开的另一方面涉及带有自动装置末端受动器的系统。该末端受动器包括多个围绕加工轴线的磁装置。每个磁装置包括永磁铁和围绕永磁铁的线圈。这个系统还包括控制器，用于向线圈提供脉冲，从而选择性地对永磁铁磁化或消磁。\n[0022] 在该系统的一个示例中，末端受动器包含工具组件，用于执行沿至少一个加工轴线上的制造操作（manufacturing operation）。\n[0023] 在一个变体中，该系统还包括磁通量传导结构，它与磁装置形成空气隙。\n[0024] 在一个替代方案中，该系统还包括至少一个自动装置，用于定位夹具和磁通量传导结构。\n[0025] 本公开的另一个方面涉及夹紧堆叠件的方法。该方法包括：将永磁铁抵靠堆叠件的第一表面定位；将磁通量传导结构抵靠堆叠件的第二表面放置；以及在永磁铁上施加外部磁场脉冲从而对永磁铁磁化或消磁。\n[0026] 在该方法的一个示例中，永磁铁围绕加工轴线定位。\n[0027] 在该方法的一个变体中，脉冲持续时间的数量级是毫秒级的，而夹紧周期至少为\n10s。\n[0028] 上文中的“示例”、“变体”和“替代方案”可以互换使用。\n[0029] 在不同的实施例中，这些特征和功能可以独立实现，也可以在其他实施例中加以组合。实施例的具体细节可以参照下面的说明和附图。\n附图说明\n[0030] 图1是夹具组件的示意图，包括用于选择性地对永磁铁进行磁化和消磁的永磁铁和线圈，以实现磁夹紧；\n[0031] 图2是利用夹具组件对堆叠件实现磁夹紧的方法的流程图；\n[0032] 图3是磁夹紧过程中磁通流量示意图；\n[0033] 图4A和4B是向线圈提供脉冲以选择性地对永磁铁磁化和消磁的示意图；\n[0034] 图5和图6是夹具组件实施例的示意图；\n[0035] 图7-13是其他夹具组件实施例的示意图；\n[0036] 图14A是具有六个磁装置的夹具组件的示意图；\n[0037] 图14B是图14A夹具组件的经特殊加工的不同配置的示意图；\n[0038] 图15是向夹具组件提供线圈电流的系统的示意图；\n[0039] 图16是包括磁夹具组件的机械手系统示意图。\n具体实施方式\n[0040] 参考图1，其图示说明了用于磁夹紧堆叠件的夹具组件110。堆叠件包括一个或更多零件，堆叠件的成分不限定为任何特定材料。\n[0041] 夹具组件110包括夹具120，其包含多个磁装置130。每个磁装置130包含永磁铁132和围绕永磁铁132的线圈134。线圈134用于选择性地对它们相应的永磁铁132磁化或消磁。\n[0042] 夹具组件110还包括磁通量结构140，它与夹具120中的磁铁132形成空气隙。在夹紧过程中，堆叠件放于永磁铁132和磁通量传导结构140之间的空气隙中。当磁铁132被磁化时，磁通量传导结构140朝向夹具120被拉拽，从而向堆叠件施加夹紧力。当磁铁132被消磁时，夹紧力被移除。\n[0043] 在一些实施例中，磁通量传导结构140包含由磁通量传导材料（比如钢）制成的板。\n在其他实施例中，磁通量传导结构140包含具有相应多个磁装置的第二夹具。第一夹具和第二夹具中的永磁铁对齐以形成空气隙。在其他实施例中，磁通量传导结构140可以是堆叠件中的磁通量传导部件（例如，距夹具120最远的磁通量传导部件）。\n[0044] 还参考图2，其图示说明了用夹具组件110实现堆叠件磁夹紧的方法。在方块210中，永磁铁132被定位在堆叠件的第一表面上。一般地，永磁铁132将在被放置在第一表面之前被消磁。\n[0045] 在方块220中，磁通量传导结构140抵靠堆叠件的第二表面放置。。在方块230中，永磁铁132在原位（SITU）被磁化。磁通量通过磁通量传导结构140。\n[0046] 如图3所示，当磁铁132被磁化时，磁通量（F）从一个磁铁132a通过磁通量传导结构\n140至另一磁铁132b。（保持器136磁联接至磁铁132a和132b以完成磁回路。）磁通量传导结构140朝向最小磁阻位置移动，即朝向夹具120。结果，位于空气隙AG中的夹紧力被施加至堆叠件S。\n[0047] 夹具组件110还包括控制器150，用于向线圈134提供脉冲，从而选择性地对永磁铁\n132磁化或消磁。控制器150在一个方向上提供线圈电流以磁化磁铁132，并且它在相反方向上提供线圈电流，以对磁铁132消磁。当被供给电流时，线圈134建立足够强度的外部场以提升或降级磁畴取向。\n[0048] 脉冲宽度相对于夹紧周期的持续时间来说较短。比如，脉冲宽度的数量级可以是毫秒级，而在一个周期的夹紧力的时间可被施加为10s（或更长）。\n[0049] 选择线圈电流的幅值和持续时间来建立改变磁铁132的磁化程度的磁场。线圈电流的幅值可比施加相同的夹紧力的电磁铁高。然而，总的能量消耗更低，因为施加至线圈\n134的电流是毫秒级的，而电流流过常规电磁铁的时间是几十秒（或更长）。另外，不需要冷却系统对线圈134进行冷却。\n[0050] 可发送单脉冲线圈电流至线圈的，或可发送多脉冲。图4A示出单脉冲。图4B示出具有不同幅值和方向的脉冲列。\n[0051] 通过最大化磁场可最大化夹紧力。磁场是线圈电流幅值、脉冲宽度、磁铁数目和每个线圈上绕组匝数的函数。夹紧力还是空气隙尺寸的函数。\n[0052] 在一些实施中，磁铁132可包含铁合金。比如，永磁铁可以是铁合金磁铁，例如AlNiCo磁铁。然而，在其他实施例中，可以用具有更高或更低磁通量密度的永磁铁。例如，有些实施例中可以用稀土磁铁。\n[0053] 外部磁场可使永磁铁132的磁性材料饱和以使材料在任一方向上被完全磁化（以达到最大加紧力）。但是，为了消磁或基本上抵消永磁铁132产生的磁场，外部磁场的幅值可以更小，而且它可与所存在方向的相反方向被施加。\n[0054] 通过施加小于饱和幅值的外部场来获得连续夹紧力。例如，磁化夹具组件110中所有永磁铁132以获得均匀分布的力。但只是部分磁化，以免产生全夹紧力。可控制线圈电流的幅值和脉冲宽度以使每个磁装置都获得特定的夹紧力。\n[0055] 夹具组件110可包含用来感测实际的夹紧力的传感器160。在第一个示例中，力传感器（负荷传感器）可以测量实际产生的夹紧力的量。在第二个示例中，霍尔效应传感器可测量空气隙中的磁通量密度，而且实际的夹紧力可以通过该测量值计算出来。\n[0056] 在一些实施例中，控制器150可包含闭环控制来控制实际夹紧力。例如，闭环控制装置可改变夹紧力，直到实际夹紧力和期望夹紧力之间的误差在阈值之内。考虑图4B所示的脉冲列。两个初始脉冲使所有的磁铁完全磁化，进而获得了最大夹紧力。反极性和低幅值的后续脉冲将夹紧力从最大值减到较低的期望值。\n[0057] 在其他实施例中，控制器150可用开环控制来控制夹紧力。比如，可用查找表来确定线圈电流的幅值、持续时间和方向，以确定所需的夹紧力。\n[0058] 图5-图13图示说明夹具组件的不同实施例。在这些实施例中，永磁铁围绕加工轴线对称设置。当在堆叠件上沿着加工轴线执行制造作业（例如：钻孔，铆接）时，这样的布置可以使均匀夹紧力施加至堆叠件。\n[0059] 参考图5和图6，它们图示说明包含上夹具520和下夹具530的夹具组件510，用于夹紧堆叠件。堆叠件包括上部件（P1）和下两部件（P2）。\n[0060] 夹具520和530的每个包括四对磁装置540，每个装置540包括永磁铁542和线圈\n544。磁装置540围绕加工轴线径向分布（未示出）。空气隙由上夹具520和下夹具530的相对的磁铁542的第一端限定。对于每对磁装置540，保持器550磁联接磁铁542的第二端。保持器\n550可由低碳钢或其他磁通量传导材料制成。\n[0061] 图6描绘了上夹具520中的一对磁装置540和下夹具530中相对应的一对磁装置540的横截面。图6还图示说明了夹紧过程中的磁通路径（直箭头）。磁装置540之间空气隙AG中的磁通量密度与磁装置540相应的夹紧力由通过线圈的电流脉冲的幅值、方向和序列控制。\n[0062] 参考图7，其图示说明包含夹具720和板730的夹具组件710，用于夹紧单个部件P3。\n夹具720包含两对围绕加工轴线（A）对称布置的磁装置740。每个磁装置740成方形配置，包括方形永磁铁和方形线圈。永磁铁通过单个保持器750连接，其具有从加工轴线（A）径向向外延伸的四个臂。保持器750的开口754可使部件（P3）的夹紧部分进行制造作业。\n[0063] 图8图示说明包括与图7实施例中相似的板830和夹具820的夹具组件810。但是，在图8的实施例中，夹具820的磁装置840具有圆柱形配置（每个磁装置840的永磁铁和线圈都是圆柱形的）。具有圆柱形配置的线圈可更易缠绕，而且在其绕组内可具有更低张力。\n[0064] 图9和图10图示说明夹具920和夹具1020，每个均具有一对磁装置940和1040，和用于在装置永磁铁的端与端之间提供磁通路径的保持器950和1050。图9的夹具组件910包括夹具920和条钢930。图10的夹具组件1010包括夹具1020和与之对应的下夹具1030。下夹具\n1030的永磁铁与上夹具1020中的永磁铁对准并且形成空气隙。替代条钢930，使用下夹具\n1030能够产生更大的夹紧力。另一方面，图9中的夹具910使用条钢930，其花费和复杂性较低。此外，对位置的准确性要求也不那么严格，因为条钢930并不一定要跟夹具920的永磁铁对准。\n[0065] 图11图示说明包括上夹具1120和下夹具1130的夹具组件1110，其中每个夹具1120和1130包括以圆形方式设置的多个磁装置1140。每个夹具1120和1130还包括圆形的保持器\n1150，用于磁联接至磁装置1140的永磁铁上。在其他实施例中，可使用磁通量传导板代替夹具1130。\n[0066] 图12图示说明了包括上夹具1220和下夹具1230的夹具组件1210，每个夹具1220和\n1230包括多个圆形设置的磁装置1240。每个夹具1220和1230还包括多个保持器1250。每个保持器1250磁联接至一对永磁铁。图12示出在每个夹具1220和1230中的三对磁装置。\n[0067] 图13图示说明包括上夹具1320和下夹具1330的夹具组件1310。上夹具1320包括多个磁装置1340，其具有与加工轴线（图中没显示）平行设置的永磁铁1342。线圈1344绕在永磁铁1342上。下夹具组件1330包括多个磁装置1345，它们的永磁铁1347是弯曲的。每个弯曲的永磁铁1347的一端与上夹具1320的永磁铁1342对齐并且形成空气隙。线圈1349绕在每个弯曲永磁铁1327的另一端上。这种设置减小了下层夹具1330的体积，并且能够使夹具组件\n1310在更紧凑的空间中使用。通过在上夹具中使用弯曲的永磁铁或用金属板代替上夹具\n1320，可以进一步减小夹具组件的体积。\n[0068] 现在将讨论夹具组件的控制。脉冲幅值、脉冲持续时间或两者均可以在磁化过程中调整，从而改变由脉冲获得的峰值电流。这进一步产生不同强度的外部场。因此，通过改变脉冲的幅值和/或持续时间，可产生连续的夹紧力。\n[0069] 此外，因为每个永磁铁能够被选择性地磁化或消磁，所以堆叠件的不同区域能够被夹紧。\n[0070] 现在参考图14A和图14B，图14A图示说明包括具有六个磁装置的夹具1420的夹具组件1410，图14B图示说明夹具组件1410的经特殊加工的不同配置A至E。标有M1至M6的磁装置呈逆时针排列。如果需要大夹紧面积和大夹紧力，则六个磁装置M1至M6都需要通电（经特殊加工的配置A）。如果只需要小夹紧面积，则通电的磁装置较少。例如，磁装置M1和M4被磁化，磁装置M2、M3、M5和M6被消磁（经过特殊加工的配置B）。\n[0071] 在经过特殊加工的配置A、B、C和D中，夹紧力加在加工轴线的对侧。如果所有的磁铁具有相同的磁化程度，则夹紧力围绕加工轴线对称，或如果至少一个磁铁具有不同的磁化程度，则夹紧力围绕加工轴线不对称。\n[0072] 在其他的配置中，夹紧力只加在加工轴线的一侧。例如，在经过特殊加工的配置E中，磁化磁铁M1和M2，消磁其他磁铁M3-M6可产生。这种力可用于夹紧堆叠件的边缘。\n[0073] 已选的磁铁可以被同时磁化或依次磁化。例如，如果输入能量不足以同时磁化所有的永磁铁M1至M6，则磁铁可被依次磁化。考虑经过特殊加工的配置D。为了使磁铁M1、M3、M4和M6获得特定的夹紧力，M1可先被磁化，接着是M6，然后M4，并且然后M3。\n[0074] 参考图15，其图示说明用于提供电流至磁装置的线圈的系统1510。系统1510包括一个或更多电容器1520以储存电能。例如，为夹具组件中每个线圈提供至少一个电容器\n1520。电源1530（例如，电池）用来对每个电容器1520充电。每个电容器1520可通过线圈由电路1540（例如H桥式电路）放电来磁化或消磁其对应的永磁铁。一系列的电源电阻1550用于调节电容器的充电和放电次数。控制器150控制充电和放电。\n[0075] 本文的夹具组件并不局限于任何特定的应用。作为仅一个示例，本文的夹具组件用于自动装置系统，该系统被配置为执行一个或更多制造作业。\n[0076] 现在参考图16，其图示说明自动装置系统1610。自动装置系统1610包括终端受动器1620和定位终端受动器1620的自动装置1630。终端受动器包括夹具1640，它包含多个围绕加工轴线设置的磁装置。自动装置系统1610还包括磁通量传导结构1625，它可由自动装置1630或独立的自动装置1630定位。\n[0077] 终端受动器1620可配置为沿着加工轴线执行一个或更多制造作业。例如，终端受动器1620可还包括可视化系统1650和工具组件1660，可视化系统1650用于将加工轴线精确定位在目标位置的上方，工具组件1660在目标位置处沿着加工轴线方向执行一个或更多制造作业。控制器1670控制自动装置1630、夹具组件1640、可视化系统1650和工具组件1660的作业。在一些实施例中，终端受动器1620或自动装置1630可带有控制器1670。