（机械电子工程专业论文）基于gmm驱动位移自感知微进给装置设计及测试系统研究.pdf

武汉理i ：人学硕士学位论文 摘要 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种用 图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，可以完成一套完整测试仪器的 数据采集、分析、显示和存储功能，是目前国际上应用最广的数据采集和控制 软件之一。g m m ( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ) 是超磁致伸缩材料的简称， 用其制作的进给驱动装置，具有微位移进给、高精度响应、驱动能力强以及响 应速度快等优点，在超精密加工以及精密微进给领域中应用广泛。基于g m m 的 微进给装置是目前研究的热点，由于磁场、预压力等因素对g m m 材料的磁致 伸缩性是直接影响的，使得g m m 微进给装置的设计与测试具有一定的难度。 本文以智能材料和超精密加工技术为背景，总结了g m m 微进给装置在超 精密加工领域应用的优势和实际意义，论述了磁致伸缩效应及其机理、超磁致 伸缩材料性能特点及其在微驱动器件上的应用，为超磁致伸缩微进给装置的研 究和应用提供了必要的基础。g m m 微进给装置结构设计的关键在于磁场结构设 计、温控结构设计、预压力设计和传感器设计四个方面。本文研究了g m m 棒 设计参数、电磁线圈设计方案，设计并制作出位移自感知传感器。并将g m m 微 进给装置应用到刀架上，设计出g m m 微进给刀架，并研究出微进给刀架中的 测量切削力的八角环传感器。 g m m 微进给装置的工作特性与其主要工作条件预应力、驱动磁场密切相 关，论文通过实验分析了g m m 微进给装置中预压力与电流的特性、装黄的加 卸载回线和磁滞回线特性，分析了各因素对g m m 准静态工作条件下特性曲线 的应变值、线性度、重合度、磁滞的影响。 论文针对g m m 装置测试系统采用事件驱动的程序设计方法，实现了对 g m m 微进给装置的信号采集、分析、显示的实时操作。论文使用国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 提供的软件平台( l a b v i e w ) 和国产u s b 式的数据采集 模块搭建了基于虚拟仪器的位移测量系统，并通过l a b v i e w 编程实现了多通道 数据的采集和监测，并且实现了采集数据的分析和数据库存储。对微进给位移 信号的测量证明了以虚拟仪器为基础的测量系统是可靠精确而且实用的。 最后，论文通过实验对位移传感器和八角环测力仪装置进行了标定，获得 了标定曲线和标定系数。 关键词：g m m ；l a b v i e w ；超磁致装置：传感器；虚拟仪器 武汉理1 ：人学硕十学位论文 a b s t r a e t l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) i sak i n do f g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c hu s ea l li c o ni n s t e a do ft e x t t oc r e a t e a p p l i c a t i o n s ，i tc a na c c o m p l i s hac o m p l e t es e to ft e s ti n s t r u m e n td a t aa c q u i s i t i o n ， a n a l y s i sa n dd i s p l a yf u n c t i o n s ，w h i c hi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e di n t e r n a t i o n a l d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls o f t w a r e g m m ( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ) i st h e s h o r to fs u p e r - m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，w i t hi t sp r o d u c t i o no fm i c r o - f e e dd r i v et o o l c a r r i e r , i th a st h ea d v a n t a g eo fm i c r o - d i s p l a c e m e n tf e e d ，h i g h - p r e c i s i o nr e s p o n s e ， d r i v ea b i l i t ya n df a s tr e s p o n s e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fu l t r a - p r e c i s i o n m a c h i n i n ga n dp r e c i s i o nm i c r o - f e e d g m m b a s e dm i c r o f e e dd e v i c ei sah o ts p o t si n c u r r e n tr e s e a r c h b u ta st h ed i r e c ti m p a c to fm a g n e t i cf i e l d ，t h ep r e s t r e s sa n do t h e r f a c t o r so nm a g n e t o s t r i c t i v eo fg m mm a t e r i a l s i tm a k e st h ed e s i g na n dt e s to fg m m f e e dd e v i c eh a sac e r t a i nd e g r e eo fd i f f i c u l t y i nt h eb a c k g r o u n do fi n t e l l i g e n tm a t e r i a l sa n du l t r a - p r e c i s i o n m a c h i n i n g t e c h n o l o g y , t h i sp a p e rg a v eas u m m a r yo ft h ea d v a n t a g e sa n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f g m mm i c r o f e e dd e v i c ei nt h ef i e l do fu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n ga p p l i c a t i o n s a n di t d i s c u s s e dm a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c ta n di t sm e c h a n i s m ，s u p e r - m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n si nm i c r o a c t u a t o rd e v i c e ，w h i c h p r o v i d e d f o u n d a t i o nf o rt h e n e c e s s a r y r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o f s u p e r - m a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r t h ek e yo fd e v i c eo ft h eg m m s t r u c t u r a ld e s i g no f m i c r o - f e e d i n gw a st h ed e s i g no fm a g n e t i cf i e l ds t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e d s t r u c t u r a l ，p r e s t r e s sa n ds e n s o r i ts t u d i e dt h em a t e r i a ld e s i g np a r a m e t e r so fg m m a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o i ld e s i g n o nt h ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r es t a b i l i t y , i t p r o p o s e dac o o l i n gs t r u c t u r ew i m d u a lw a t e r - c o o l e dc h a m b e r , t h r o u g ht h ei n s u l a t i o n m a t e r i a lw h i c hc a ni n h i b i th e a tt r a n s f e r , i ta c h i e v e da ne f f e c t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o l ， e n s u r e dt h es t a b i l i t yo ft h eo u t p u to ft h eg m m o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg m mf e e d i n gd e v i c ei sc l o s e l yr e l a t e dt oi t sm a i n f e a t u r e so ft h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fp r e s t r e s s e d ，d r i v i n gt h em a g n e t i cf i e l d b y e x p e r i m e n t ，t h ep a p e ra n a l y s i s e d t h e p r e p r e s s u r e o ft h e d e v i c e ，c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，l o a d i n ga n du n l o a d i n gl o o p ，h y s t e r e s i sl o o p ，a n da n a l y s i s e de f f e c t so f i i v a r i o u sf a c t o r so nt h es t r a i nh y s t e r e s i sc u r v e ，h y s t e r e s i sa n dl i n e a r i t yi nt h eg m m q u a s i s t a t i cw o r k i n gc o n d i t i o n s t h i sp a p e ra l s oc a r r i e do u tc a l i b r a t i o nf o re q u i p m e n t t h r o u g he x p e r i m e n t s ，w h i c hf i t t i n gt h el o a d e dc u r v ea n du n l o a d e dc u r v et oo b t a i n c a l i b r a t i o nc u r v e sa n dc a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n t s f o rt h et e s ts y s t e mo fg m m d e v i c e ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dac o m p r e h e n s i v et e s t p l a t f o r mb a s e do nav i r t u a li n s t r u m e n t ，w h i c hu s e dm u l t i t h r e a d e dp r o g r a md e s i g n m e t h o d ，i tr e a l i z e dt h er e a l t i m eo p e r a t i o nf o rs i g n a la c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n dd i s p l a y o fg m mm i c r o d i s p l a c e m e n td e v i c e s t h e p a p e r u s e das o f t w a r e p l a t f o r m ( l a b v i e w ) t h a tn a t i o n a li n s t r u m e n t s ( n a t i o n a li n s t r u m e n t lp r o v i d e da n dd o m e s t i c t y p eo fu s bm o d u l ef o rd a t aa c q u i s i t i o n ，b u i l tu pad i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t s y s t e mw h i c hb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，a n ds t u d i e do nt h em e a s u r e m e n t s y s t e mo ft h i ss t r u c t u r e ，a c h i e v e dm u l t i c h a n n e lc o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n g a n di t r e a l i z e dd a t a b a s e s t o r a g e ，d a t ap l a y b a c ka n a l y s i so ft h ed a t ac o l l e c t i o n t h r o u g h m e a s u r e m e n ta n dr e s e a r c ho fs i g n a l so ft h ep o w e r ，i ta l s op r o v e dt h a tm e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sc o n v e n i e n t ，l o w - c o s t ，p r a c t i c a l ，a n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：g m m ，l a b v i e w , g i a n tm a g n e t i cc i r c u i t ，s e n s o r s ，v i r t u a li n s t r u m e n t s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：牡日期：竺! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) c ：牲靳c ：终隰一 武汉理：大学硕十学位论文 1 1 研究的背景 第1 章绪论 新型功能材料的开发与应用，往往能推动相关技术的突破，如超导材料、 智能材料、纳米材料、医用材料、储能材料、环境材料、薄膜材料、陶瓷材料 等等。其中，以智能材料为基础的微驱动结构的研究，为先进制造技术核心之 一的超精密加工技术带来了新的发展前景。精密工程和超精密工程对于尖端科 学研究和高新技术发展具有着决定性的影响，其研究内容丰富，涉及学科广泛。 微驱动作为其中一项关键且基础性的技术科学，是实现微进给和微定位的基础。 传统的微驱动主要通过结构上的大减速比获得，近年，随着智能材料的发 展，基于材料的物理或化学效应产生的驱动结构发展得越来越快。以磁致伸缩 为首的能量转换型驱动结构，迅速成为微驱动的主要形式之一。磁致伸缩精度 可达到纳米级，其响应速度快、输出力大、工作电压低。 早期的磁致伸缩材料主要有磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材 料。这两种传统磁致伸缩材料并没有得到广泛的应用。后来人们发现了电致伸 缩材料，其电致伸缩系数比金属与合金的大约2 0 0 4 0 0 p p m ，它很快得到广泛的 应用。近期发展的稀土金属问化合物磁致伸缩材料，被称为稀土超磁致伸缩材 料，其典型牌号t e r f e n 0 1 d ，市场年增长率达到1 0 0 ，被视为是提高国家竞争 力的关键材料，2 l 世纪国家高科技的战略性功能材料。 1 1 1 超磁致伸缩材料和磁致伸缩效应 ( 1 ) 超磁致伸缩材料及其性能 超磁致伸缩材料( g m m ，g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l s ) 是指具有比传统磁 致伸缩材料如铁、镍等磁致伸缩大几十倍的稀土铁莱夫斯相化合物，其典型成 份是t b x d y t x f e 2 1 1 。这种新型材料能把电能迅速转换成机械能，并在高效率和 高功率水平上产生强大的力和快速精确的运动。超磁致伸缩材料是指在变化的 磁场作用下，其长度变化特别大的一种稀土材料，又称稀土超磁致伸缩材料。 超磁致伸缩材料具有双向可逆能量转换效应，其正磁致伸缩效应可应用于精密 武汉理 人学硕士学位论文 致动、流体控制、声纳系统、主动减振降噪等系统，其逆磁致伸缩效应可应用 于开发力、扭矩、磁场强度等传感器件。 传统磁致伸缩材料n i 的磁致伸缩范围一般为3 0 , um m ，具有压电特性的磁 致伸缩材料最大可达4 0 0 m m ，而超磁致伸缩材料的饱和应变可达 1 5 0 0 2 2 0 0 , ur n m 。 在开发电磁能和机械能有效转换的装胃研究中，一直以来主要采用的是以 压电陶瓷为主的电致伸缩材料。随着超磁致伸缩材料的发现和应用，其性能已 被证明比电致伸缩材料更加完善，且在国防工业、电子工业、机械工业、生物 医学、超声等领域等有着重要的应用价值，表1 1 列出了超磁致伸缩材料与电致 伸缩材料物理性能的对比。 表1 1 超磁致伸缩材料与电致伸缩材料( 压电陶瓷) 的物理性能 材料特性超磁致伸缩材料( g m m )电致伸缩材料( p z t ) 应变值( 1 5 0 0 2 2 0 0 ) x 1 0 石( 1 0 0 6 0 0 ) x 1 0 击 产生应力m p a 2 9 41 4 7 磁机耦合系数 0 7 o 7 5o 5 o 6 能量转换效率 4 9 - 7 52 3 5 2 能量密度k j m 3 1 4 2 50 6 5 1 居里温度 c 3 8 0 士4 01 8 0 士1 0 0 响应速度i t s s 1 1 0 容易得到，相对于电致伸缩材料( p z t ) ，超磁致伸缩材料( g m m ) 具有 以下优点：伸缩应变大，比p z t 大一个数量级；输出应力大，是p z t 的两倍； 能量密度高，是p z t 的几十倍；能量转换效率高达7 5 ；响应速度快等。其中， g m m 能产生精确微应变、微位移的特性，使其在超精密加工、精密定位等领域 具有良好的应用前景。 ( 2 ) 磁致伸缩效应及其机理【2 l 焦耳( j p j o u l e ) 在1 8 4 2 年发现，磁体在外磁场中磁化时，其长度和体积都 会发生变化。这种现象被称为磁致伸缩或磁致伸缩效应。后来，维拉利( e v i l l a r i ) 发现，铁磁体发生变形或受到应力的作用时会引起材料的磁场发生变化，这种 现象被称为磁致伸缩的逆效应，也称为铁磁体的压磁性现象。它表明铁磁体的 形变与磁化密切相关。磁致伸缩过程包括由自发磁化导致的自发形变和由技术 磁化导致的场致形变。 2 武汉理一r 人学硕十学位论文 假设超磁致伸缩材料在居里温度3 8 0 。c 以上时，取一小块球形体( 尺寸相当 于其磁畴尺寸) ，如图1 1 中虚线所示。当温度降到居罩点以下时，材料自发磁 化，原磁矩就会沿同一方向排列，同时对晶格结构产生影响，因此，磁畴沿某 些方向伸长，沿其他方向缩短。这样，未自发磁化的球形体在自发磁化后就变 成椭球体，如图1 1 中实线所示。图中，代表未自发磁化时球的半径，代表 自发磁化后椭球上任一点的半径，秒代表该点与椭球长轴的夹角，p 代表最大变 形长度。 玎擒 汐 r 、 图l - l 自发形燹 对于椭球上任一点的半径值为： 馅= + p ( 3 c d 伊1 ) 2 ( 1 - 1 ) 对取二次积分得半径值的平均值，i 为： ，= r 4j r 埘n o d o d p 4 r r = ，o + 鲁( 3 i 1 一1 ) = r o 式( 1 2 ) 表明，虽然自发形变时材料由球体变成椭球体，但由于磁畴沿不同 方向，椭球半径在任何方向的平均值还是等于球体的半径r o 。因此，在宏观上， 材料形状沿任何方向都无变化，如图1 - 2 ( a ) 所示，这称为自发形变。当技术磁化 时，由于外磁场较强，使磁畴磁矩都取向一致，各椭球的长轴都转向外磁场的 方向，于是材料在磁场方向发生伸长，与磁场垂直方向发生缩短，如图1 - 2 ( b ) 所示，这称为场致形变。 3 武汉理l ：人学硕十学位论文 ( a ) 自发形变( b ) 场致形变 图1 2 磁致变形 在技术磁化过程中，当外磁场强度从零逐渐增强，超磁致伸缩材料的磁化 强度也逐渐增大，直至饱和，如图1 3 所示。图中h 是外磁场强度，九是磁致伸 缩率，地为饱和磁致伸缩率。 图l 3 磁致伸缩过程 磁致伸缩由四个阶段组成，第一阶段称为可逆磁致伸缩，所谓“可逆”，指当 磁场强度h 减弱到零，磁致伸缩率九也会还原为零，即l = o ，这一阶段主要是 畴壁位移起作用。第二阶段称为不可逆壁移伸缩，所谓“不可逆”，指磁致伸缩率 九随着磁场强度增加而上升得很快，而当磁场强度h 减弱到零，磁致伸缩率九 不会沿上升曲线还原到零。第三阶段是磁畴磁矩的转动阶段。第四阶段称为磁 化渐近饱和阶段。若再增加磁场强度h ，磁致伸缩率九却饱和了不再增大。当达 到饱和磁致伸缩后，若把磁场强度h 减到零，磁致伸缩会降到一个数值，用h 表示，称之为剩余磁致伸缩。由此可见，磁滞的形成主要是第二阶段中不可逆 的磁畴移动所造成的【引。 对g m m 的应用中，主要有针对g m m 的磁致伸缩效应( j o u l e 效应) 、磁致 伸缩逆效应( v i l l a r i 效应) 、维德曼效应( w e i d e r n a r m 效应) 、维德曼效应的逆效 应( m a t t e u c c i 效应) 、e 效应、跳跃效应( j u m p 效应) ，可以相应制作出磁致 伸缩转换器和致动器、磁致伸缩传感器、磁致伸缩扭转马达等。 4 武汉理一f ：人学硕士学位论文 1 1 2 电阻应变式传感器【4 】 传感器是测试系统的第一个环节，用来感受被测信号并将被测信号转换为 适合于系统后续处理的电信号。它获得信息的正确与否，决定了测试系统的精 确度。传感器种类很多，主要分电阻应变式传感器、电流式传感器和压电式传 感器等几种。电阻应变式传感器是通过测量由于力在弹性元件上引起的变形导 致其电阻阻值变化。电流式传感器是通过测量被测量对象电流的变化，再经过 相应的变化实现力的测量。压电式传感器是以压电晶体为力传感元件的测力仪， 当石英晶体在外力作用下发生变形时，它的某些表面会出现异号极化电荷。其 中，电阻应变式传感器是目前使用最广泛的传感器之一，它已被广泛应用于航 空、电子、机械、医疗、建筑等领域，用于力、位移、加速度等参数的测量。 电阻应变式传感器主要优点在于：结构简单、制作方便、灵敏度高、性能稳定、 测量简单。 电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片构成。弹性敏感元件感受 被测量发生变形，使弹性敏感元件上的电阻应变片同时变形，导致电阻应变片 的阻值发生变化。可以通过电阻应变片的电阻变化确定被测量的大小。应变片 的电阻应变特性分析如下： 坦一j 图l - 4 金属丝电阻应变特性图 如图l _ 4 ，取一段金属丝，未受力时： r = p 专 3 ) 式中：尺一金属丝的电阻；p 一金属丝的电阻率； 金属丝的截面积，对式( 1 - 3 ) 做全微分有： 躲如一导弧肇d t 用式( 1 4 ) 除以式( 1 - 3 ) 得： ，一金属丝的长度；s 一 ( 1 4 ) ( 1 _ 5 ) 塑s 咖一p 5 + 讲一， l i 坚r 武汉理，i ：人学硕十学位论文 若电阻丝是圆形的，则s = 刀2 ，对s 全微分得： 塑：2 空( 1 6 ) 一= z 一 l o ， 式中，为金属丝半径。令金属丝轴向应变为s ，：_ d ，金属丝径向应变为 s 。：! 。在弹性范围内，当金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则有： 占y = 一s ， ( 1 7 ) 式中，为金属丝的泊松比。将式( 1 6 ) 、式( 1 7 ) 代入式( 1 - 5 ) 可得： 警：和脚b 一警舢2 小娑穗 - d r ， a p 胁：t r ：( 1 + 2 ) + 业 ( 1 8 ) 式( 1 - 8 ) 中，缸为金属丝的灵敏系数，其物理意义表示单位应变所引起的 电阻相对变化。实验证明，在金属丝的弹性变形范围，电阻的相对变化与应 变g ，是成正比的，即可用增量表示为： 竺：晒s 。 r “ ( i - 9 ) 由于电阻的变化数值很小，难以测量，必须将电阻的变化转换成电压或电 流的变化，其方法是采用测量电桥。 图1 - 5 全桥电路 如图1 5 所示，将4 个应变片蜀、r ：、匙、r 。组成全桥电路1 5 】，由4 个阻 值彼此相同的电阻构成4 个应变片，并将其粘贴在弹性体上。在桥式电路a 、b 两端通以恒流电源，当不施加外力给应变片时，蜀= r ：= 尺，= r 。，电桥平衡， c 、d 两端输出电压u 。- - 0 ；当施加外力给应变片时，弹性体变形，冠、r 。受拉 ( 其阻值与外力大小成正比) ，r ，、足受压( 其阻值与外力大小成反比) ，输 出电压u o 为： 6 武汉理i ：人学硕七学位论文 u 。= 警u 。 ( 1 - 1 0 ) 全桥输出的电压是单臂电桥的4 倍，因此，一般选择全桥连接。 1 1 3l a b v i e w 虚拟仪器平台 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种用 图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言【6 l 。l a b v i e w 集成与满足g p i b 、 v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了 便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。l a b v i e w 提供的大量工具和 函数可用于数据的采集、分析、显示、存储，使得用户在数分钟内就可以完成 一套完整的仪器连接、数据采集分析的自动化测试系统。 图形化的程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不用写 程序代码，取而代之的是流程图。它提供了实现仪器编程和数据采集系统的便 捷途径。选用l a b v i e w 作为开发平台的一大决定性因素是其开发速度比其他编 程语言快4 1 0 倍。这归功于l a b v l e w 易学易用，它提供的大量功能函数节省 了程序开发时间。 1 2 论文的研究意义与内容安排 1 2 1 论文的研究意义 随着现代科技的飞速发展，产品性能的不断提高，对于零件加工精度的要 求必然也越来越高。因此，精密加工和超精密加工技术作为先进制造技术的重 要组成之一，已成为当前制造技术的研究热点和重要发展方向。其中，微驱动 装置作为精密、超精密加工中微定位、微进给系统的核心，其性能指标的好坏 将直接影响加工产品的质量。对于基于超磁致伸缩驱动微进给装置的研究必然 成为精密加工、数控机床加工中的重点和难点。目前，超磁致材料及其驱动装 置的性能研究还不充分，其磁滞回线的变化规律还很少有人问津。因而对该装 置的性能进行实验研究，改善装置的结构和特性，对于提高该装置的加工精度 至关重要。 7 武汉理- j ：人学硕士学何论文 1 2 2 论文的内容安排 基于g m m 驱动微进给装置的研究，在超精密加工和金属切削领域中具有 重要研究价值。采用图形化编程语言l a b v l e w 平台开发测试系统，在l a b v i e w 的基础上设计软件总体框架，实现了g m m 微进给位移的硬件测量，以及数据 的采集、分析、处理及存储，为微进给加工机理研究提供了重要的研究措施。 首先，对g m m 位移自感知装置各功能模块进行设计。其中，对微进给位移传 感器的设计中选用压电式位移传感器，设计了弹性薄板结构，提出了弹性薄板 上应变片的布片方案，并制作出位移传感器。论文还对基于g m m 微进给装置 的微进给刀架进行了研究，并制作出八角环测力仪。其次，对该装置的预紧力、 驱动电流等特性进行了分析。然后对该进给装置测试系统进行了研究，从硬件 产生数据到软件处理数据，并对位移自感知传感器和八角环测力仪进行了校准， 用动态应变仪和l a b v l e w 采集模块采集应变数据，将力和应变一一对应拟合， 得到标定系数。 第l 章分析了新型微致动材料在超精密加工中的作用，介绍了超磁致伸 缩材料的磁致伸缩效应，总结了磁致伸缩的微观机理，并对超磁致伸缩材料的 具体应用进行了概述。介绍了电阻应变式传感器的工作原理及其应用范围。 第2 章基于g m m 驱动原理设计出的微进给自感知装置，介绍了该结构 组成和各功能结构的工作原理。在微进给装置上设计出微进给自感知微位移传 感器。 第3 章研究了基于g m m 微进给装置的磁机耦合特性，并对装置的预紧 力、驱动电流特性进行分析。 第4 章分析了微进给装置测试系统的硬件组成，包括采集硬件和分析平 台，以及如何选择和实现。 建立l a b v i e w 在线测试操作平台【7 1 ，完成了系统初始化、数据采集与处理、 创建数据库实现采集数据的数据库存储。建立具体的功能模块： ( 1 ) 系统的主界面模块，通过主界面模块实现对各个子模块的功能操作。 ( 2 ) 多通道数据采集与处理模块，完成多通道的数据同时采集，获得位移 在线动态测量波形曲线显示。 ( 3 ) 数据存储模块，实现多通道或单通道数据曲线回放，实现数据的数据 库存储。 第5 章实验标定，对位移自感知传感器和八角环测力仪进行校准，得到 8 武汉理一f ：人学硕十学位论文 标定系数。 第6 章总结和展望。 本论文各部分之间的逻辑关系如图1 - 6 所示。 第1 章绪论 第2 章基于( 狐m i 的微进给 自感知装置结构设计 第3 章基于( 抓m i 的位移自 感知装置工作特性研究 ( 孙瓜i 驱动原理 。装置设计原则 山 各功能结构设计 位移传感器 设计与制作 特性实验条件 山 预压力、电流特性 加卸裁回线特性 磁滞回线特性 9 4 章基于( 讯m i 的位移自感知装置的测试系统 第5 章位移自感知装置的实验标定 g6 章总结与展望 图1 - 6 论文整体框架 9 武汉理1 ：人学硕十学位论文 第2 章基于g m m 的微进给自感知装置结构设计 2 1g m m 驱动原理和应用 2 1 1g m m 驱动原理 在一定的磁场作用下，某些超磁致伸缩材料的形状和长度发生改变，这种 效应称为j o u l e 效应，也称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的产生是由于在居罩 温度下材料发生自发磁化，形成大量磁畴，在每个磁畴内晶格都会发生变化， 其磁化强度方向是自发形变的一个主轴。在无外磁场存在的情况下，各磁畴的 磁化方向是随机取向的，在宏观上不产生形变。在有外磁场存在的情况下，大 量磁畴的磁化方向就会趋于外磁场方向，并在宏观上产生形变，出现磁致伸缩 现象。 稀土磁致伸缩材料( g m m ) 【8 l 是一种在磁场的作用下能产生巨大磁致伸缩 ( 1 5 0 0 2 2 0 0 m m ) 的新型功能材料，它具有磁致伸缩应变量大、能量密度高 以及响应速度快等一系列优点。超磁致伸缩微进给装置就是利用g m m 的这些 特点，利用g m m 在通电线圈产生的驱动磁场下在轴向产生微小形变，来驱动 输出轴产生微位移。这是一种把电磁能转换成机械能的装置。基于g m m 的微 进给装置具有结构紧凑、输出功率大等特点，尺寸精度常在微米级。目前，超 磁致伸缩微进给装置主要应用于精密加工的数控机床上。 g m m 棒弹簧预压板输出轴 图2 1 基于g m m 的驱动装置工作原理 1 0 武汉理1 ：人学硕十学位论文 基于g m m 驱动装置工作原理图如图2 1 所示，g m m 棒在通电线圈产生的 磁场激励下，其形状会在轴向产生微小形变，从而驱动输出轴在轴向产生微位 移。其中，弹簧和预压板对g m m 棒提供预压力，以改善装置的工作性能。 2 1 2g m m 驱动微进给装置的应用 g m m 驱动微进给装置在m e m s 、超精密加工、生物工程、半导体生产、光 学加工等领域呈现出越来越广泛的应用需求： ( 1 ) 超精密加工 随着加工精度的不断提高，对超精密机床的微进给装置的要求也越来越高， 驱动力大、行程几百微米、位移分辨率达纳米级、频响高的现代微进给装置能 很好地应用于这一领域； ( 2 ) 生物工程【9 】 现代生物工程中，经常需要捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞内注入和 拾取某一成分。对尺寸只有几微米的细胞来说，关键动作是接近细胞时的精细 微调，要求分辨率达几十纳米。完成这样的操作，需要高精度的定位和精细操 作的能力； ( 3 ) 光纤对接 光纤对接必须借助种特殊的精微校准平台( 精度达0 i g m ) ，使光纤和器 件之间达到最佳耦合功率位置，并自动补偿这一过程的任何误差； ( 4 ) 微电子技术 微电子技术中，印刷电路板上布线的高密度化、印刷电路板上线路的修复、 线路连接质量和表面质量的评估、材料性能的检测等许多工序都需要超精密定 位装置及高精度微进给装置来完成； ( 5 ) 微型零件的操作和装配 现代机电产品的微型化带来了深刻的技术革命，手机、计算器、精密手表 等产品的组装面临着新的挑战。传统手工装配方法对操作者的技术和劳动强度 都有很高的要求，而且对操作工人的培训往往需要较长的时间，效率较低。具 有微进给机构的操作机器人系统可以方便地完成上述作业，并大大提高生产效 率。 武汉理大学硕 ：学位论文 璧娆瓯 图2 2g m m 驱动微进给装置应用领域 此外，微驰动技术还在航空航灭、地震学、光学微处理、扫描探针显微镜 ( s p m ) 、纳米科学研究等方面具有重要的发腱潜力，这一技术科学的发展必将 对国民经济、人民生活、军事国防带来深远的影响。 2 2g m m 微进给装置设计原则 g m m 微进给装置的设计是一个磁机耦合的综合性设计问题，充分的认识和 理解由材料的磁与机械状态所引起的各种耦合特性以及非线性的特点，对于有 效的设计是十分重要的。与材料特性密切相关的这些因素包括以下几个方面”： ( 1 ) 电流强度i屯流强度直接影响磁场强度，从而影响材料的磁化和磁 致伸缩时应变。 ( 2 ) 磁导率u磁导率是磁感应强度与磁场强度两者变化的比值，而且 磁导率与材料的磁性和机械特性有关。 ( 3 ) 温度t 一温度对材料内部的碰矩的排列以及磁晶各项异性会产，丰影 响。t e f f e n 0 1 d 材料在室温下的工作特性较为稳定。 ( 4 ) 应力。一材料所处的应力状态对其应变产生直接的影响。通过磁机 耦合作用，应力也影响了材料磁畴方向和磁化状态。 ( 5 ) 应变。一应力通过杨氏模量产生的应变，由材料的磁性状志变化产生 磁致伸缩。 ( 6 ) 材料几何形状一材料的几何形状决定了其退化磁场的强度，相对于 长度较大的材料而言，短的块状材料的退化磁场更强，难于磁化，影响一定磁 场强度下的磁致伸缩应变值。 一u - 一一 一一。 咭矿1 武汉理i ：人学硕七学位论文 超磁致微进给装置的结构设计就是根据工作要求，围绕超磁致伸缩材料的 基本特性，确定该装置的机械及电磁结构参数。为了发挥超磁致伸缩材料的性 能，要尽量保证g m m 棒工作在线性区，最大限度地增大磁致伸缩系数和机电 耦合系数，最大限度地减小致动器的响应不灵敏区域。 设计过程包括g m m 棒的优选、磁路设计、预压和传感机构设计、温控设 计等，这些设计是相互关联和影响的。因此，需对每一个设计环节进行统筹， 合理地搭配各参数，以使总体性能最优或者较优。综合考虑g m m 的性能特点， g m m 装置的设计应遵循以下基本准则： ( 1 ) g m m 材料选择。供应g m m 的各厂家工艺性能存在差异，需要根据具 体用途，从技术经济性的角度进行优选。 ( 2 ) 磁路设计。考虑磁路设计要求，使线圈产生的磁动势最大量地加载在 g m m 棒上。 ( 3 ) 优化线圈尺寸。提高电磁转化效率，降低线圈的发热量。 ( 4 ) 适当预压力。在适当预压力作用下，g m m 材料的磁致伸缩性能会得到 很大的提高。同时，要在g m m 棒两端沿轴线施加预压力，并保证预压力严格 地与材料轴线平行。 对于微进给装置工作平台而言，驱动磁场和冷却结构的设计、微位移传感 器的装配、位移输出接口的设计是整个设计的关键j 。采用一体化设计方法， 不仅能有效地改善器件的工作性能，同时也能提高其可制造性。一体化设计的 装置整体加工，减少了累积误差效应；安装方便，能达到较高安装精度，避免 了各种交叉耦合误差；抗干扰能力强，对外界温度、振动和运动方向上的刚度 变化均有较强的抗干扰能力；避免了长期的稳定误差和运动误差；消除了机构 间的寄生运动。 图2 3 显示的是超磁致伸缩致动器结构的有机组成，其中包括了四个主要的 部分：( 1 ) 磁路结构；( 2 ) 预压机构；( 3 ) 冷却结构：( 4 ) 位移传感器结构。 在设计的过程中充分的考虑了各种可能的先进加工工艺，例如采用线切割加工 方法可以加工一些特殊的形状，易于形成整体，减少了多余的加工环节，提高 了加工精度，同时也减少了过多装配环节可能造成的误差，g m m 壳体就是一个 整体的结构。 武汉理r 人学硕士学位论文 基于g m m 微进给装置 图2 3 超磁致伸缩装置结构组成 2 3g m m 微进给装置功能结构 2 3 1g m m 棒选择和参数设计 基于g m m 驱动微进给装置的位移进给的核心部件是g m m 棒，g m m 棒的 几何参数包括长度z 和直径d ，f 由微进给装置所要求的最大进给位移量确定，d 由微进给装置所要求的最大输出力确定。 一般的g m m 棒的最大伸长量就是微进给装置的最大位移量脚，则g m m 的长度，可由式计算： f ：尘兰j ，：后坐( 2 1 ) k 五 式中：z 为g m m 棒最大磁致伸长量，五为磁致伸缩率，取值范围为：o 1 6 0 0 x1 0 - 6 ，从g m m 的线性区出发，旯取9 0 0 x1 0 “，k 为设计系数，取k = 1 2 ， 根据微进给装置最大进给位移为0 - l m m ，选取g m m 棒，为5 0 r a m 。 超磁致伸缩致动器的设计中需要有高效的磁回路结构，以强化磁场的闭合 回路工作的有效性【1 2 l 。一个较好的磁路结构的设计能够让绝大部分的磁通量相 对均匀的通过超磁致伸缩材料的中心区域，且漏磁较少，在g m m 材料中形成 的退化磁场也尽可能小。铁磁体的磁性特点可以用材料内部的磁偶极子这个词 来描述。在外磁场的作用下，磁偶极子发生旋转向磁场的方向排列，从而产生 磁化强度，材料内部形成的磁化强度使得磁偶极子靠近于一个有限长度材料的 两端。这里面的磁化强度向量从南极指向北极，或者说与材料外磁场强度向量 的方向相反。由于磁偶极子在磁场的作用下所产生的磁场称为退化磁场，其与 磁化强度和材料的几何形状系数有关。在高磁场强度条件下，退化磁场强度较 弱。细长的棒体相对于粗短的棒体而言，退化磁场的强