超磁致伸缩微位移驱动系统的研究

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1、DescendResearch超磁致伸缩微位移驱动系统的研究ResearchonSuper-Magneto6trictiveMicro-displacementDrivingSystem杨兴贾振元文东綽郭东明(大连理工大学)摘要:趙磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料，具有在室温下应变■大，能■密度高■机电耦合系数大等特性。文章分析了超磁致伸缩材料的驱动原理，介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成及工作原理，并对该系统的伸长■、微位移精度等性能指标进行了实验研究。关键词:超磁致伸缩微位移控

2、制系统3-01前言微位移技术是精密加工和超精密加工的关键技术之一,被广泛应用于超精密加工中，以调整工具、保证工件的加工尺寸精度和表面质量。如超精密车削中，金刚石刀具的切深微调要保证在亚微米级的精度；在超精密磨削中，砂轮的微进给量要求达到百分之几微米;用于超精密机床的误差补偿微量进给机构，其位移精度要求更高C近年来，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微机械研究的兴起，以及与之相应的微操作的迫切需要，对微位移技术提出了越来越髙的要求，要求其定位精度高、响应速度快、转换效率高、功率密度大C目前，随

3、着一些新型功能材料的出现，为微位移及其相关的研究又开拓了一片新的领域。本文着重对基于趙磁致伸缩林料种新型的电(磁)一机械能转换材料的微位移驱动系统进行研究C2超磁致伸缩材料及其驱动原理稀土铁系超大磁致伸缩材料是一种新显、高效的磁(电)一机械能转换材料,是继稀土永磁、稀土发光、稀土商温超导材料之后兴起的又一种稀土功能材料,是由美国水面武器中心的Clark博士于20世纪70年代初首先发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物二与压电材料(PZD及传统的磁致伸缩材料银、钻等相比，超磁致

4、仲缩材料具有独特的性能:在室温下的应变值很大•是镰的40-50倍,是压电陶瓷的5~8倍；能伙密度髙(14000~25000J/m3),足操的400~500倍,是压电陶瓷的10~14倍;机电耦介系数大(0.72);响应速度快(达到屮级)；输岀力大，可达22O・88O0c超磁致伸缩材料的特性可由磁致伸缩方程表示,式(1)和式(2)是考虑热变形的磁致伸缩方程式泪c£=+松令a^T(1)B=do+f/H(2)式中:sH、B、d和d分别表示超磁致伸缩材料的应变、平均磁场强度、磁感应强度、内应力和磁致伸缩应变

5、系数；a和分别表示超磁致伸缩材料单位长度的热膨胀系数和平均温升；s"和//分别表示超磁致伸缩材料的柔度系数和磁导率,它们分别受磁场强度及应力的影响°图1超陋致伸第林料興动原理用图1.冷却水管2.出水口3.可桂恒流源4•进水口致伸締材料6.颅压弹*7.变形部分8.永久趙铁9.导礎体10.驼动线圈图1是笔者根据超磁致伸缩材料的驱动特性所采用的驰动原理简图。图中•导磁体9、永久磁铁8与超磁致伸缩材料5组成闭合磁路，以减少磁泄漏；预压弹箕6给超磁致伸缩材料5提供一定的预压力■以增大其伸长屋;超磁致伸缩材料

6、5的驱动磁场是由永久磁铁8产生的偏賈磁场与驱动线圈10产生的变化磁场2001条第9鳩*教仔部高校博七点专项基金资助项目(2000014109)•21•设计与研究DesignandResearch叠加而成，并通过改变可控恒流源3的驱动电流以产生相应的微位移；为了抑制由于驱动线圈10的发热而引起的超磁致伸缩材料5的热伸长•采用通人恒温水的方法将超磁致伸缩材料的温升控制在一定范围内。3系统的组成及工作原理图2是超磁致伸缩微位移驱动系统的组成原理框图刘。从图中可知：本系统的核心是内置单片机的超磁致伸缩执行

7、器驱动电源，单片机通过读取按键的设定值来调用相对应的程序•并将相应的输出电流的数字量经D/A转换器转换为-5~+5V的电压信号，功率放大部分再将其放大为-3~+3A的电流信号，以使驱动线圈产生相应的磁场来驱动超磁致伸缩材料,然后将超磁致伸缩材料产生的位移通过执行机构传递岀来<：K2趙您敘伸缩徵位移驱动系统的组成原理框图为了提高超磁致伸缩微位移驱动系统的控制精度，减小滞回等非线性特性，笔者通过霍尔传感器直接对超磁致伸缩材料的驱动磁场进行监测，并通过位移传感器实现了输出位移的闭环控制c并加入了恒温水冷

8、却系统，以抑制由于驱动线圈的发热而引起超磁致伸缩材料的热伸长。超磁致伸缩材料的微位移和输出力的传递是整个系统设计的难点和重点之一,普通的传动副的做位移箱度低，并且存在摩擦和爬行现象•难以满足微米、纳米级微位移驱动精度的要求。因此设计了一种中心厚、边缘薄、周边固支的圆形膜片做为该微位移执行器的传递机构，这种结构不仅具有柔性较链的零件少、无摩擦、无磨损、无传动间隙、自身具有回程反力等优点•同时还具有柔性部分在变形时无应力集中、疲劳强度高、制造校为容易等特点。本系统不仅可以采用单片机控制