（机械制造及其自动化专业论文）稀土超磁致伸缩微位移驱动系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要。 本论文以研究稀土超磁致伸缩微位移驱动系统为主要目的，结合国家自然科学基金资 助项目“精密装置仿生隔振系统理论及基础技术研究”( n e 5 0 0 7 5 0 7 8 ) ，采用理论研究与实 验相结合的方法，探索稀士超磁致伸缩微位移驱动器的特性和设计技术。论文共分为六章， 主要内容如下。 第一章介绍论文的研究背景和意义；综述了微位移驱动器的结构原理及研究现状，并 重点介绍了稀土超磁致伸缩微位移驱动器的应用现状；在此基础上提出了论文的研究内容 及项目来源。 第二章介绍稀土超磁致伸缩材料的特性和工作机理；分析了稀土超磁致伸缩微位移驱 动器的驱动原理，并设计了微位移驱动器；由于驱动器线圈工作时电阻发生变化，作者设 计了稀土超磁致伸缩微位移驱动器的稳流电源，并进行仿真和实验研究；最后对驱动器工 作频率范围进行理论分析和计算。 第三章分析了稀土超磁致伸缩棒的磁场位移特性，得到驱动器工作磁场的分布特征； 使用a n s y s 有限元软件分析并给出了超磁致伸缩棒上磁场强度的分布情况和驱动器在线 性区工作的电流要求。分析表明：超磁致伸缩棒区域的磁场强度比较均匀。并能馒g m m 棒工作在线性区中。 第四章建立稀超磁致伸缩微位移驱动器的控制系统模型；分析和比较了两种系统控 制途径，并基于电流控制方法阐述p i d 算法的设计思想；建立了系统的控制模型，并进行 控制系统的软硬件设计，基于v i s u a lc + + 开发软件设计了稀土超磁致伸缩精密定位系统控 制软件。 第五章对稀土超磁致伸缩微位移驱动器在不同预压力下的磁场位移特性、驱动器的静 态位移和力特性、动态位移和力特性进行实验研究与分析：并进行了稀土超磁致伸缩微位 移驱动器精密位移输出的控制实验；分析了驱动器在超精密隔振平台振动控制中的应用。 第六章对论文的研究成果做出总结，并对以后有待迸一步研究的工作进行展望。 关键字：超磁致伸缩材料，驱动器，p i d 控制，磁场，有限元分析 + 本论文得到国家自然科学基金资助m o 5 0 0 7 5 0 7 9 ) 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t + t h er e s e a r c ht h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h eg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e m i c r o d i s p l a c e m e n t a c t u a t o r ( g m a ) s y s t e m c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a _ “r e s e a r c ho nt h e o r ya n ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fb i o n i c sv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m f o rp r e c i s i o ne q u i p m e n t ”( n o 5 0 0 7 5 0 7 8 ) ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h e o r yo f g m a h a v eb e e ns t u d i e d d e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yb o t hi nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y t h ed i s s e r t a t i o n c o n s i s to f s i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n da n d s i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c ha r ei n t r o d u c e d ，t h ep r i n c i p l ea n d t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n so ft h e m i c r o - d i s p l a c e m e n ta c t u a t o r , e s p e c i a l l y o fg m a ，a r e e x p l a i n e d ，a n dt h es t u d y c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o p o s e d i nc h a p t e r2 ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo fg m ma r ei n t r o d u c e d t h ed r i v i n gp r i n c i p l e o fg m ai s a n a l y z e d ，a n dak i n do fm i c r o d i s p l a c e m e n tg m a i sm a n u f a c t u r e d r e g a r d i n go ft h e v a r i e t y o fw i n d i n g sr e s i s t a n c ew h i l eg m ai s w o r k i n g ，as t e a d y - c u r r e n tp o w e ri sd e s i g n e d ， s i m u l a t e da n d e x p e r i m e n t e d a tl a s t ，t h er a n g eo f w o r k f r e q u e n c y o fg m ai sg i v e nb yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dc o m p u t e i n c h a p t e r3 ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fr e l a t i o nb e t w e e nm a g n e t i cf i e l da n dd i s p l a c e m e n ti s s t u d i e d ，a n dt h ec o n s t i t u t ef o i - mo fw o r km a g n e t i cf i e l di s a n a l y z e d b a s e do ns o f t w a r e a n s y s d i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da n dr e q u e s to fw o r kc u r r e n ta r eg i v e n t h er e s u l t s h o w st h a tt h es t r e n g t ho f m a g n e t i cf i e l di so v e ni nt h ea r e ao f g m m ，a n dt h a tg v i mw o r k si n l i n e a rr a n g e i nc h a p t e r4 ，t h ec h a r a c t e r i s t i cm o d e lo fg v i ai se s t a b l i s h e d ，t w ok i n d so fc o n t r o lw a y sh a v e b e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n dt h ep i da r i t h m e t i ci sd i s u s e db a s e do nc u r r e n tc o n t r o lw a y t h e n t h ec o n t r o l m o d e lo f s y s t e m i sc o n s t r u c t e d ，a n d t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e o f c o n t r o ls y s t e m i sd e s i g n e d f i n a l l y , b a s e do n v i s u a lc + + c o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e d i n c h a p t e r5 ，i n o r d e rt o g e t t h ec h a r a c t e r i s t i co fr e l a t i o nb e t w e e n m a g n e t i cf i e l d a n d d i s p l a c e m e n tw h e ng m m i s w o r k i n gu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e b e t w e e nm a g n e t i cf i e l d a n d d i s p l a c e m e n t ，b e t w e e nm a g n e t i cf i e l da n df o r o e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r e c i s ed i s p l a c e m e n t o u t p u to fg m a ，s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e 。a tl a s t , a na p p l i c a t i o nb a s e do ng m ai s d i s c u s s e d i nc h a p t e r6 ，a l la c h i e v e m e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h e 蚴e r r e s e a r c hw e r k w h i c hw i l lb ed o n ef r o mn o w o n , i sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：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 ，a c t u a t o r , p i dc o n 廿o lm a g n e t i cf i e l d ，f e a t h i sp r o j e c ti sa i d c db yn a t i o n a ln a t u r a ts c i e n c e f 。u n d a t i o n 。f c h i n a ( n o 5 0 0 7 5 0 7 8 ) 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章提要】本章介绍了论文的研究背号和意义：综述了微位移驱动器的结构原理厦研究现状，并重点介 绍了稀土超磁致伸缩微住移驱动器的应用现状；在此基础上提出了论文的研究内容及项目来源。 1 1 论文的研究背景和意义 航空航天、集成电路、生物工程、光纤技术、扫描隧道显微镜微测量等高新技术领域中， 对空间分辨本领提出愈来愈高的要求。例如在7 0 年代，1 6 k 动态r a m 集成电路的线条宽 度为3 4 u m ，到8 0 年代初期2 5 6 k 的r a m 集成电路的线宽已缩小至1 2 5 u r n ，到2 1 世纪 初内存芯片厂商m i c r o n 美光已经推出首款o 1 1 l a m s d r a m 内存，容量达1 g 。其相应的加工、 测试设备的位置分辨率应为线宽的1 ，3 1 5 。可以说微位移驱动和定位技术左右着这些技术 的发展。同时，精密驱动技术是精密和超精密加工、微机械、微米纳米技术等现代制造业 中前沿领域的基础和关键技术之一1 1 j 。随着微电子技术的发展，对超精密加工技术提出了越 来越高的要求，这也促使微位移驱动和微定位技术的发展。 发展尖端技术、国防工业、微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备， 当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础“j 。而 微位移驱动技术是精密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。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，对微位移驱动 技术提出了越来越高的要求，要求其定位精度高、响应速度快、转换效率高、功率密度大9 j 。 该类器件已经或者即将在精密机械、精密机械加工等方面获得广泛应用。应用涉及到激光通 讯、生物工程、纳米加工、自动控制、机器人等高新技术领域，它在国民经济中将发挥越来 越重要的作用【4 】。 在超精密定位技术领域，随着科学技术的发展，在超精加工、机器人装配、航天技术、 微电子工程、计量科学与技术、光学与光电子工程、精密工程、生物工程、纳米科学与技术 等领域迫切需要亚微米以至纳米级的微定位技术。8 0 年代初出现的扫描探针显微技术的发 展也与空间精密进给定位密不可分，可靠性重复性高的定位系统是实现在0 1 n i n l o o n m 尺 度上加工和测量的基础。按传统方法设计的精密工作台，采用精密螺旋楔块机构、齿轮一杠 杆式机构等机械传动式微位移驱动器，由于存在着大的机械间隙、摩接力及爬行现象，其运 动精度、定位精度难以达到纳米级，不适合上述要求。压电、电致伸缩、磁致伸缩等微位移 器结构紧凑、体积小、分辨率高、不发热且易于控制，是理想的微位移定位器件【5 1 【6 】【7 】。在 精密工作台，无论是大行程的精密定位，还是小范围的对准，都离不开微位移定位技术。另 外，为了提高m i 精度，降低干扰，常需进行误差补偿，误差补偿也离不开微位移技术，因 此，该项技术成为现代工业部门的共同基础口】。随着当前精密工程技术的若干领域的快速发 展，对精密定位技术的需求也日益增长，它要求系统具有纳米级( 甚至是亚纳米级) 的重复定 位精度及分辨率。纳米级精密定位技术在诸多的精微操作领域如微小机械零件装配、微机电 塑坚查兰塑主堂堡堡苎 系统( m e m s ) 组装、光学调整、生物细胞操作、大容量数据存储、s t m 等具有广泛的应用前 景吼 目前，微位移驱动器的研究，大都集中在压电、电致伸缩( p z t ) j a 。可以说该器件是目前 研究比较成熟、分辨力和频响比较高的一种驱动方式。但是，首先压电型微驱动器的输出力 比较小；其次，其工作时需要高压，在防止高压短路方面需要十分注意；第三，由于压电陶 瓷采用叠片式结构，其工作时在负荷作用下，自身组织结构出现不规则应变和蠕变，很不稳 定，会产生漂移现象；第四，其位移范围比较小，这些都限制了压电陶瓷在微位移驱动器方 面的应用 1 0 】。作为新型功能材料的稀土超磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r c t i v em a t e r i a l ，简称 g m m ) ，利用它设计的微位移驱动器具有分辨力高、体积紧凑、传动无间隙等优点“”1 。与 压电材料( p z t ) 及传统的磁致伸缩材料镍、钴等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在 室温下的伸缩系数大( 1 5 0 0 1 0 6 2 0 0 0 1 0 4 ) ，能量密度高( 1 4 0 0 0 2 5 0 0 0 j m j ) ，机电耦合 系数大( 一0 7 2 ) ；响应速度快( 达到微秒级) ：输出力大( 可达2 2 0 8 8 0 n ) 1 3 1 1 a o 由于超磁 致伸缩材料具有优良的特性，国内外对利用超磁致伸缩材料的微位移驱动器研究己成为热 点，并投入了大量人力与物力。中国是稀土大国，对稀土材料的理论和应用的研究具有深远 的意义，论文对超磁致伸缩材料在微位移驱动方面的研究a 1 2 微位移驱动器的国内外研究现状 1 。2 1 微位移驱动器的分类 驱动器是实现驱动的执行部件，按其工作原理主要分为两类，一类是基于材料的机敏性 实现驱动的驱动器；另一类是基于结构的机理实现驱动的驱动器。各类驱动器的名称、 工作原理、主要性能及应用场合如表1 1 ： 表i 1 微位移驱动器的分类 基于材料机敏性的驱动器 序号类型名称工作原理主要性能 主要应用场合 1 压电陶瓷压电效应响应快，位移较小，力较小 柔性板、壳类智能结构 2 压电薄膜压电效应响应快，位移小，力小柔性板、壳类智能结构 3 电致伸缩陶瓷电致效应响应快，位移小，力较大柔性智能桁架 4 形状记忆合金金属相变响应慢，位移较大，力较大柔性智能结构 5 磁致伸缩材料磁致效应响应快，位移大。力大柔性智能桁架 6 电流变流体流体相变响应快，力较大主动阻尼 基于结构机理的驱动器 序号类型名称工作原理主要性能主要应用场合 l 流体作动液压传动响应中等，位移很大，力很大大型土木结构 2 气体作动气压传动响应中等，位移大，力较大车辆减振 3 电气作动电气传动响应快，位移较大，力较大通用型 4 电磁作动 磁力传动响应快，位移中等。力较大通用型 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 压电陶瓷微位移驱动器 压电陶瓷( p z t ) 是一种多晶体，由于其内部不存在对称中心，所以在力的作用下会产 生形变使介质表面带电，称为正压电效应；当工作温度低于居里温度点，由于外加电场使 压电陶瓷产生形变的效应称为逆压电效应，当工作温度高于居里温度点，由于外加电场使压 电陶瓷产生形变效应称为电致伸缩效应【1 6 】。 在一定的电场e 作用下，压电陶瓷应变与电场的关系为 s ：d e + m e 2 式中，s 为电场方向上的应变，d 为压电系数，n l 为电致伸缩系数，e 为电场强度。 公式的第一项反映压电晶体的逆压电效应，第二项反映其电致伸缩效应。当工作温度低 于居里温度点时，压电晶体主要表现为逆压电效应；当工作温度高于居里温度点时，则主要 表现出电致伸缩效应。实际应用中，逆压电效应型微位移驱动器是利用居里温度点高于室温 的压电陶瓷材料制成，主要表现出逆压电效应；而电致伸缩型微位移驱动器则利用居里温度 点刚好在室温以下的压电陶瓷材料制成，主要表现出电致伸缩效应。 当压电陶瓷主要表现出逆压电效应时，压电陶瓷的伸长为 s ：氏e ：生丛 r p = s 3 t = d 3 3 式中：s 沿厚度方向的伸缩应变； d ”沿厚度方向的压电常数( m v ) 卜一压电陶瓷的厚度( m ) ； a p 单片压电陶瓷片的变形量( m ) 嵋沿厚度方向所加的电压( v ) ： ( 1 2 ) ( 1 3 ) 利用压电陶瓷在电压的作用下伸长的原理制成微位移驱动器，其原理图如图1 1 所示， 它具有结构简单、无间隙、无摩擦、无噪声、响应速度快、不需润滑、不产生内热、结构紧 凑等优点。能够实现o 叭，删精度的位移，响应速度达l o i 舀，但其伸长量有限，并且工作 电压较高。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 2 压电陶瓷迭堆微位移驱动器原理图 1 2 3 形状记忆合金( s m a ) 微位移驱动器”刀 形成压电陶瓷 由两种或多种金属元素组成的某种合金展现了被称为形状记忆效应的性能，即在不同温 度下合金的晶体结构将完全转变为另一种结构。也就是说，当一块合金被加热到一定温度时 它就完全变形，通常当温度在1 0 0 c 以下和其熔点以下时，它将恢复变形前的形状。 形状记忆合金在转变温度以下很容易被拉伸和变形。当其被加热到转变温度以上时，则 金属又回到未被拉伸和末变形的形状。这就是我们称其为形状记忆合金的原因。钛镍 ( t i n i ) 是实用化程度最高的形状记亿合金材料，被广泛应用，它的回复力可达6 0 k g m m ，在 反复地加热、冷却的热循环中，均会产生相同的相变，也会有相同的回复力输出，输出的回 复力是温度的函数，在几万次的热循环中，s m a 的回复力衰减很微小，可以忽略。 4 浙江大学硕士学位论文 外力做功 厂1 丽瓣面i j l l 1堡塑旦里 双程形状记忆效应 图1 - 3 形状记忆台金工作原理图 图1 - 3 是用t i n i 记忆合金丝绕成的螺旋弹簧状元件，在室温( 低温) 下，其形状如图中a 加热后，t i n i 合金在相变过程中回复到它所记亿的形状，如图中的b 。在这一过程中有力的 输出。冷却后有外力将其拉伸到a 的形状。再加热，又回复到b 状。这就是记忆合金的形 状记忆效应( s m e ) ，也叫单程s m e 如果采用一定的热处理方法，让s m a 元件在高温时记 住b 的形状，在低温时记住a 的形状，那么冷却后s m a 会自己由b 状回到a 状这叫双 程s m e 。s m a 用于微驱动器具有体积越小功重比越大，可省略传动机构，使结构大为简化， 可以实现精确微位移控制。 1 2 4 电磁微位移驱动器 冲击式电磁微位移驱动器原理” 电磁冲击式驱动器是利用通电线圈磁场产生的磁场力进行驱动。由动量定理可知，物体 动量的改变和两个因素有关：一个是作用在物体上的合外力，另一个是合外力持续作用的时 间。物体在运动过程中所受合外力的冲量，等于这物体动量的增量。设质量块m 最初处于 静止状态，速度v ，= 0 。当外加一个大于阻力厂的冲击力f 时，质量块聊将产生加速运动。 经过a t i 时间，质量块m 移动距离s l ，速度达到v 2 = v o 。撤去冲击力f ，质量块埘在阻 力f 的作用下开始作减速运动。经过r 2 时间，质量块埘又移动距离s 2 ，速度降至v 3 = 0 重新回到静止状态。整个运动过程移动的总距离s = s l + s 2 。用方程组将上述各变量之间 的关系表示如下： 由此方程组可求得 ( f f ) a t 。= m v s l = 一v a t l 一尬f 2 = 一肌7( 1 4 ) s 2 = 一v a t 2 s = s + s 2 浙江大学顿士学位论文 黔f 2 - 。f a t l 2 + 筹2z 什lz 脚7 ( 1 - 5 ) 当f 一定时，改变冲击力f 的大小和作用时间& ，就可控制移动距离的大小。由电 磁场理论可知，通电导体或线圈在磁场中会受到力的作用，如果通过的是冲击电流则会受到 一个冲击力的作用。若将通电导体或线圈与上述质量块m 固定在一起，置于磁场之中，通 过改变冲击电流的大小和作用时间就可以方便地控制质量块m 以指定的微移动距离，这就 是冲击式电磁驱动原理。 双向电磁驱动器的结构与原理 双向电磁驱动器结构如图1 4 所示，上支撑体1 和下支撑体5 分别与平台和底座相连， 在支撑体上分别绕有线圈2 ，支撑体之间装有预紧弹簧3 和弹簧缸体4 组成的结构，该结构 与支撑体之间固定连接。计算机控制信号经处理和放大控制驱动器中线圈电流的大小和方 向，产生相应的控制力以产生微位移驱动。如图1 - 5 所示，通过控制电流的方向，在两线圈 上1 ：形成不同的磁极方向，从而产生不同方向的磁力和位移。在该做动器中加入了双向预紧 弹簧，可以缓和驱动器和驱动对象的冲击，实现了双向徽位移控制。 图1 _ 4 双向电磁作动器结构原理图 1 一上支撑体；2 线圈：3 一预紧弹簧；4 一弹簧缸体；5 一下支撑体 ( a ) 相斥情况 ( b ) 相吸情况 图1 - 5 双向电磁作动器磁场分布留 ( n 表示磁场北极，s 表示磁场南极) 6 掰鲤 塑坚查兰堡主兰些堡苎 一 1 2 5 稀土超磁致伸缩微位移驱动器 稀土超磁致 牵缩材料 稀土超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料。稀土元素独特的物理化学性质，决定了它 们具有极为广泛的用途。稀土元素具有独特的4 f 电子结构，大的原子磁矩，很强的自旋轨 道耦台等特性，与其它元素形成稀土配合物时，配位数可在3 1 2 之间变化，并且稀土化台 物的晶体结构也是多样化的。在新材料领域，稀土元素丰富的磁学、电学、热学、及光学特 性得到了广泛应用。稀土磁效应材料是重要的种稀土新材料，主要包括稀土永磁材料、稀 土超磁致伸缩材料、稀土磁致冷材料、稀土巨磁电阻材料、稀土磁光存储材料等。 材剌在磁场作用下发生长度或体积的变化，这种现象称为磁致伸缩。特别是上世纪7 0 年代才发现的铽镝铁磁致伸缩材料的研制成功，实现磁电能一机械能的高效转换，对失端技 术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用，开辟了磁致伸缩材料的新时代。 稀土超磁致伸缩材料是国外8 0 年代末开发的额型功能材料，主要是指稀土铁系金属间 化台物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩系数，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩 ；f 料高约1 0 0 t 0 0 0 倍，因此被称为稀土超磁致伸缩耪料。稀土超磁致伸缩材料开始主要用 于声纳，目前已广泛应用于驱动器、石油、高能微型功率源、换能器、卫星定位系统、智能 电喷阀、微型助听器、超声洗衣机、医疗器械、传感器、阀门控制、精密车床、机器人、蠕 动马达、阻尼减振、延迟器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等，是军民两用高附 加值的稀土功能材料，具有广阔的市场前景。 美国边缘技术e d g e t e c h n o l o g i e s 公司1 9 8 9 年开始生产稀土超磁致伸缩材料，其商品牌 号为t e r f e n o l - d ，随后瑞典f e r e d y n a b 公司也生产、销售稀土超磁致伸缩材料，产品牌号为 m a g m e 9 8 6 。近十多年来，日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出t b d y f e 型 磁致伸缩材料，并有少量产品销售。据美国前沿技术公司统计，全世界t e f f e n o p d 材料产量， 1 9 8 9 年仅为1 0 0 千克，1 9 9 3 年约1 0 0 0 千克，1 9 9 5 年达到1 0 吨，而到1 9 9 7 年已达到7 0 吨， 增长曲线图如图1 - 6 。美国国内每年用于声纳等器件的t e r f e n 0 1 d 材料价值约数百万到1 0 0 0 万美元，声纳、油压机、机器人等器件的市场金额每年约6 亿美元。最近5 年来，t e r f e n o l d 的市场年增长率为1 0 0 。 图1 - 6 全世界t e r f e n 0 1 d 材料产量 我国在上世纪9 0 年代初北京有色金属研究总院、中国科学院物理所、包头稀土硐究院、 北京科技大学、北京钢铁研究总院等开始稀土超磁致伸缩材科的研究，实验室达到较先进水 7 浙江大学硕士学位论文 平。在器件研究方面，g v i m 的应用研究已列入国防科工委的“九五”攻关项目，近1 至2 年 器件应用研究方面进展很快，推动稀土超磁致伸缩材料产业的发展。北京有色金属研究总院 采用直拉工艺制备的铽镝铁t b d y f e 2 的磁致伸缩系数高达1 6 0 0 p p m ，并己成功研发熔炼、 浇铸、定向凝固、热处理在同一台设备实现的一步法新工艺，特别适用于制各大直径( m 5 0 m m t 9 7 0 m m ) 、多规格的稀土超磁致伸缩材料，目前，已经成功制成我国直径最大的稀土 超磁致伸缩材料。其直径为7 0 n m a 、长2 5 0 m m ，主要技术经济指标均达到国际先进水平。 与传统的磁致伸缩材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有磁致伸缩应变大、能量密度高、 频带宽、换能效率高、响应速度快、可靠性好等优点，已成为精密驱动器、智能传感器、换 能器等器件的核心材料，也是国际上这一材料领域的研究热点。 稀土超磁致伸缩微位移驱动器 基于稀土超磁致伸缩材料优良的磁致伸缩效应，驱动器中的磁场设计的微位移驱 动器具有分辨力高、体积紧凑、传动无间隙等优点。与压电材料( p z t ) 2 l 传统的磁致伸缩材 料镍、钴等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能。在室温下的伸燃( 1 5 0 0 xl 酽2 0 0 0 1 0 6 ) ，能量密度高( 1 4 0 0 0 2 5 0 0 0 j ，m 3 ) ，机电耦合系数大( 。o 7 2 ) ；响应速度快( 达到微秒 级) ；输出力大( 可达2 2 0 8 8 0 n ) 。 目前，对基于稀土超磁致伸缩材料的微位移驱动器研究已成为国内外研究热点，但国内 外文献中对微位移驱动器的结构设计、驱动器线圈稳流电源设计、驱动器磁场分析、驱动器 控制系统分析与软件设计和实验研究等工作还有待进一步研究。 1 3 稀土超磁致伸缩微位移驱动器应用现状 由于超磁致伸缩材料具有优良的特性，目前，国内外对基于超磁致伸缩材料的微位移驱 动器：( g i a n tm a g n e t o s t r c t i v ea c t u a t o r ，简称g m a ) 研究己成为热点，各国投入了大量人力与物 力，其中以美、日、德国尤甚。目前g m a 在下面一些领域中的具体应用尤为广泛【2 0 】： 1 3 1 国防军工及航空航天业 水下舰艇移动通讯、探测、检测系统、声音模拟系统和水声对抗用发射换能器：航空飞 行器、智能机翼、地面运载工具和武器等。 1 3 2 电子工业及高精度自动控制等技术行业 用超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红 外线、电子束、激光束扫描控制、各种精密仪器、光盘驱动器、打印机等。 1 3 3 换能器 换能器是超磁致伸缩材料迄今为止应用的主要产品，它能产生线性运动，可用于水声或 振动试验中。它具有功率大、适用频带宽、峰值尖锐余振小等特点。 8 浙江大学硕上学位论文 超磁致伸缩换能器的整体结构如图1 7 所示：在超磁致伸缩棒的两侧各有一块金属体， 左侧的金属块称为辐射面，右侧的金属块称为配重，用环氧树脂胶结。在超磁致伸缩棒的四 周缠绕线圈，使用碟簧的目的是使超磁致伸缩棒处于受压状态，当超磁致伸缩换能器工作时， 线圈通过高频电流，超磁致伸缩棒产生伸缩带动辐射面运动，通过介质耦合把声波发射出去。 图l - 7 超磁致伸缩换能器结构图 1 辐射面2 蝶簧3 超磁致伸缩棒4 线圈5 配重 1 3 4 液压控制阀 传统的液压阀常以电磁铁或力( 矩) 马达等作为电机转换元件。现在许多国家对基于 超磁致伸缩材料的转换器产生浓厚兴趣，其目的是利用超磁致伸缩材料优异的特性来提高液 压控制阀乃至整个液压系统的性能。瑞典一家公司已申请了用超磁致伸缩材料的燃料喷射注 入阀专利。m ，g o o d f r i e n d 等人设计的一台高频基于超磁致伸缩材料的比例阀，其驱动信号频 率最高为5 k h z ，其中在3 0 0 h z 时阀芯位移达o 3 m m 。u r a i 等人用超磁致伸缩转换器设计出 了直动式伺服阀，它最大特点是采用闭环控制，结构紧凑，精度高，响应快，最大输出流量 达2 l m i n ，频宽6 5 0 h z ( 一3 d b ) ，阶跃响应小于l m s 。国内浙江大学利用超磁致伸缩材料对气 动喷嘴挡板阀和内燃机的高速强力电磁阀进行了机构设计和特性研究。 1 3 5 液压泵 瑞典、日本等国已开发出利用t e r f e n o l - - d 棒的新型液压泵，即在柱塞式液压泵上利用 超磁致伸缩机构直接驱动活塞，现已制成形似一节电池那样的密闭型超磁致伸缩泵。例如， 日本住友轻金属工业公司研制的超磁致伸缩泵具有响应快和高精度控制流量等优点，可精确 控制1 0 - 5 1 0 - 3 m l m i n 数量级的流量。图1 - 8 是一种超磁致伸缩微型泵的原理图。该泵的 流量可通过调整磁场频率而改变，当圆盘状超磁致伸缩薄膜向上振动时，泵吸流，当向下振 动时，泵排液。当外磁场变化频率为2 k h z 时，泵的输出流量达1 0 l m i n 。可满足医疗及 液体色谱分析等方面的高精度控制的要求。 9 浙江大学硕士学位论文 图1 - 8 薄膜型磁致伸缩微型泵 1s i ( 1 0u m ) 2 t l o d o y f e 薄膜( 2 0u m ) 3s i ( 中l o m m 5 0u m ) 4 s m f e 薄膜( 2 0u m ) 5 s i ( 1 8 0 。2 4 0 p m ) 1 3 6 蠕动机械 蠕动机械是一种直线运动的电机转换装置，在远距离控制、机器人中的应用引人注 目。j em i e s n e r 等人采用超磁致伸缩材料与压电晶体组合而设计了谐振型蠕动马达。o w e n d b r i m b a l l 介绍了夹紧、伸缩部分均采用t e r f e n 0 1 d 棒的蠕动装置。国内有人利用国产的超 磁致伸缩棒设计研制了一种蠕动微位移机械，其结构简单，由吸紧机构和伸缩机构组成，整 体结构如图1 - 9 ( a ) 所示，其中a 、c 为吸紧机构，b 为伸缩机构。吸紧机构采用电磁铁式结 构( 图1 - 9 b ) ，伸缩机构( 图1 2 - 9 c ) 由超磁致伸缩棒、套筒等构成闭合磁路。其步距随驱动电 压的变化而变化，在信号频率为o 8 h z ，驱动电压为1 2 伏时，可实现步距均值o 0 1 l m m ， 并能进行双向可控运动。 扣 体精精圈 i t l 伸壤机构墙鞠慕蠢时 图i - 9 蠕动微位移机械的伸缩结构示意图 1 3 7 超精密机床加工控制 超精密机床加工控制实际上是超磁致伸缩材料在精密位置控制中具体应用，鉴于超磁致 伸缩材料的特性，它在超精密位置控制应用方面具有很大的优势和潜力。日本江田弘等人将 超磁致伸缩转换器用于超精密位置控制装置的开发，并将该装置用于超精密加工车床，加工 精度达到纳米级，获得了良好的控制效果。 1 0 浙扛大学硕士学位论文 国内有人研究了基于超磁致伸缩材料的超精密机床微进给机构的设计方法及控制系统， 并利用计算机闭环控制系统进行了发动机活塞非圆内孔镗削的跟踪模拟实验，图l l o 是其 原理图。在镗床转速为9 6 0 r r a i n ，采样频率为9 0 0 h z 时，经实测最大加t 误差为o ，0 0 3 ，聊。 图1 1 0 超磁致伸缩棒在超精密机床加工控制中的应用 1 3 8 新型电动机 美国、日本和欧洲分别研制了用超磁致伸缩材料或超磁致伸缩材料和压电材料组合的直 线电动机或振动型电动机，并且已有多个超磁致伸缩电动机专利。例如c f r a n k 等人用2 个 t e r f e n o l d 的线性驱动器和一个圆环装置设计出一个振动型电动机。其动作原理就是依靠圆 环顶部的椭圆形振动，其输出扭矩为2 1 n m ，最大预负载下的最高转速为l o o r s 。 j m v r a n i s h 等人研究了直接驱动的转动电动机的动态特性和模型设计，主要优点是输出扭 矩大( 1 2 2 n 埘) ，精确微步长，自制动能力和双向运动特性。 此外，超磁致伸缩材料在微移动机器人、线性马达、光频滤波器、声表面波、纳米测量、 振动和噪声控制及微电子传感器等诸多方面的应用研究均十分活跃，它们有的已申请了专 利，有的已在研究开发之中。有的还只是应用前景展望。 微位移驱动装置越来越多，另外还有静电型微驱动驱动器、热膨胀微驱动驱动器等。基 于材料的机敏性研制出来的微驱动器也层出不穷。有关g m a 的原理、设计和工作特性等将 在后面的章节作具体介绍。 1 4 论文研究内容及项目来源 本论文研究课题受到国家自然科学基金资助( n o ，5 0 0 7 5 0 7 8 ) ，项目名称是“精密装置仿 生隔振系统理论及基础技术研究”。该项目的研究目标是研究复合激励环境下的精密装置仿 生隔振系统的控制系统和动力学模型，建立精密装置仿生隔振系统理论和基础技术，并在实 验中应用主动隔振理论和控制方法，检验复合激励环境理论模型、隔振系统非线性动力学模 型及主动隔振平台系统控制理论：本文设计的超磁致伸缩微位移驱动器可以作为主动隔振系 统的驱动器。研究成果可以广泛应于超精密驱动与定位、精密测量、精密加工及超精密隔振 领域。论文的主要研究内容包括： 第一章介绍论文的研究背景和意义：综述了微位移驱动器的结构原理及研究现状，并重 点介绍了稀土超磁致伸缩微位移驱动器的应用现状：在此基础上提出了论文的研究内容及项 目来源。 第二章介绍稀土超磁致伸缩材料的特性和工作机理；分析了稀土超磁致伸缩微位移驱动 浙江大学硕士学位论文 器的驱动原理，并设计了微位移驱动器；由于驱动器线圈工作时电阻发生变化，作者设计了 稀土超磁致伸缩微位移驱动器的稳流电源，并进行仿真和实验研究；最后对驱动器工作频率 范围进行理论分析和计算。 第三章分析了稀士超磁致伸缩捧的磁场位移特性，得到驱动器工作磁场的分布特征：使 用a n s y s 有限元软件分析并给出了超磁致伸缩棒上磁场强度的分布情况和驱动器在线性区 工作的电流要求。分析表明：超磁致伸缩棒区域的磁场强度比较均匀，并能使g m m 棒工作 在线性区中。 第四章建立稀土超磁致伸缩微位移驱动器的控制系统模型：分析和比较了两种系统控制 途径，并基于电流控制方法阐述p i d 算法的设计思想；建立了系统的控制模型，并进行控 制系统的软硬件设计，基于s u a lc + + 开发软件设计了稀土超磁致伸缩精密定位系统控制软 件。 第五章对稀土超磁致伸缩微位移驱动器在不同预压力下的磁场位移特性、驱动器的静态 位移和力特性、动态位移和力特性进行实验研究与分析；并进行了稀土超磁致伸缩微位移驱 动器超精密位移输出的控制实验；分析了驱动器在超精密隔振平台振动控制中的应用。 第六章对论文的研究成果做出总结+ 并对以后有待进一步研究的工作进行展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章稀土超磁致伸缩微位移驱动器工作原理与系 统设计 【本章提要】本章介绍稀土超磁致伸缩材料的特性和工作机理；分析了稀土超磁致伸缩微位移驱动嚣的驱 动原理，并设计了微位移驱动嚣：由于驱动器线圈工作对电阻发生变化作者设计了稀土超磁致伸缩微位 移驱动器的稳流电源，井进行仿真和实验研究；最后对驱动器工作频率范围进行理论分析和计算。 2 1 稀土超磁致伸缩材料的特性 2 1 1 稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩机理 稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩现象产生的机理如图2 1 所示口”，超磁致伸缩材料在居里 温度以下发生自发磁化，铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来，形 成一个个磁畴。在未磁化的铁磁质中，各磁畴内的自发磁化方向不同，因而从统计平均的观 点来看，铁磁材料的统计平均磁矩值为零，故在宏观上不呈现磁性，如图2 - l ( a ) 。当外磁场 作用到铁磁体时，在每个磁畴内晶格都发生改变，其磁化强度方向是自发形成的一个主轴。 开始阶段是使磁畴间的边界发生移动，亦即使取向与外磁场方向夹角小的那些磁畴的体积增 大，如图2 - l ( b ) 所示。外磁场继续增强时，磁畴内的磁矩逐渐旋转到外磁场方向，直至饱和， 如图2 - 1 ( c ) 所示。倘若外磁场再增加时，则磁畴内的磁化强度几乎不再增加【”1 。 ( a ) h = o 外磁场n s ( b ) 0 h = h 。 图2 - l 磁畴内磁矩随外磁场变化情况 图中h 为铁磁材料的平均磁场强度，h 。为外磁场的磁场强度。 2 1 2 稀土超磁致伸缩材料的工作特性 超磁这伸缩材料工作特性可用如下本构方程表示【2 2 s ：s h d + d h ( 2 一1 ) 浙江大学硕士学位论文 b = d o - + h( 2 - 2 ) 式中，s 、h 、仃、d 和b 分别为超磁致伸缩材料的应变、磁场强度、所受应力、磁致伸 缩应变系数和磁感应强度；s “和4 分别表示柔度系数和磁导率，它们分别受磁场强度及 应力影响。 从本构方程可以看出，处于极化状态的超磁致伸缩材料的应变不仅与磁场强度有关，而 且与所受应力有关；同样，材料内任意一点的磁感应强度不仅和磁场强度有关，而且和所受 应力有关，即材料内部的磁学量和力学量之间是一种复杂的耦合关系。由于应力对超磁致伸 缩材料的伸长量有一点的影响，因此在设计微位移驱动器时，应预加一定的预紧力，以增加 超磁致伸缩材料的输出位移。 此外，超磁致伸缩材料的应变量还与温度有关，在o 8 0 的环境中使用能发挥其最佳 性能1 2 3 】。 磁场均匀性对超磁致伸缩棒的输出波形的有一定的影响，如图2 - 2 所示。图2 - 2 ( a ) 为优 化设计前实测的励磁线圈轴向一般情况下的磁场分布及相对应的正弦响应输出，图2 2 ( b ) 为优化设计后实测的励磁线圈轴向磁场分布及相对应的正弦响应输出。可见，均匀磁场中的 g m m 动态响应输出波形越好，高次谐振越小口4 1 。 盖 薹 3 0 0 0 2 。 t 0 毒 。 辅i 唧 2 ( _ 3 0 6 | 冉 。 心 a 博v 研v 絮v 博甜冒1 ( a ) 不均匀磁场下超磁致伸缩棒的动态输出信号 g 里 薯 八 八f ! vvv9vvv ( b ) 均匀磁场下超磁致伸缩棒的动态输出信号 图2 - 2 磁场均匀性对超磁致伸缩棒性能的影响 稀土超磁致伸缩材料的磁机耦合系数高，磁机耦合系数k 3 3 的数学表达式为【2 5 1 其中氏2 嚣， 如2 历d 3 瓦3 ( 2 - 3 ) 如：善争， z o h a c s “：l 4 c f r p 1 4 塑垩查兰塑主兰堡丝塞 d 为压磁系数( 磁致伸缩随磁场的变化率) ，s ”为超磁致伸缩棒的柔度系数， 即应 力为常数时材料的增量磁导率，a 。为真空磁导率，h c 为交变的磁场强度，l c 为交变磁 场下超磁致伸缩棒的交变应变，毋c 为交变的磁感应强度，l 为超磁致伸缩棒的长度，p 为