（机械工程专业论文）超磁致伸缩智能构件驱动系统的研究和开发.pdf

摘要 超磁致伸缩执行器( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ，g m a ) 是一种基 于超磁致伸缩材料( 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 ，g m m ) 的新型磁一机换 能执行器件。作为一种具有高定位精度、高频率响应、大输出位移的执行器，广 泛应用于超精密加工机床、超精密位置控制、精确位移传感器、振动控制等领域。 活塞是发动机的核心零件之一，其工作性能直接影响发动机的运行性能。传 统的圆形活塞销孔存在应力集中等缺陷，采用异形销孔能够有效地减小销孔的应 力集中。然而传统的异形活塞销孔加工方式较为落后，为此提出了基于g m m 智能 镗杆( 超磁致伸缩执行器中的一种) 的弯曲型活塞销孔加工系统。针对该加工系 统的实际应用，驱动系统作为一个电磁转换的驱动部件是整个加工系统中必不可 少的。 论文的第一章节，首先介绍了超磁致伸缩执行器的性能特点和研究应用现 状；然后针对本课题中g 删智能镗杆实际应用状况，以及它对电磁转换驱动部件 性能要求的基础上，参考国内外应用于g m m 智能镗杆的驱动系统的研究现状，阐 述了适用于本实验室的g m m 智能镗杆驱动系统的研制意义和实用价值。 第二章节基于g 删智能镗杆的执行条件，预先设定了驱动系统的性能参数。 在性能参数已定的前提下，首先将驱动系统划分为不同的功能模块；再以各个功 能模块为基础完成相应的具体设计，包括各个功能模块的运行方式、元器件的选 型等；最后整合各个功能模块的理论计算与仿真，完成驱动系统的总体设计方案。 第三章节，在设计方案的基础上完成了驱动系统制作，在研制过程中根据驱 动系统对输出功率、输出电流、输出电压、控制精度、频率响应特性、噪声干扰 等要求，分析总结了制作驱动系统时遇到的主要问题及其相应的解决措施。主要 包括电源纹波干扰对运算放大器的影响；功率元器件的热量耗散分析和可行的散 热方式；电路应用过程中的各种保护措施。 第四章通过基于虚拟仪器的驱动系统测试平台，对驱动系统的性能进行了测 试分析。测试内容主要包括输出特性测试、电流纹波测试、频率响应测试以及可 靠性测试。得出了驱动系统的具体性能指标。 第五章针对驱动系统最终的研制目的( 用于基于g 删智能镗杆的活塞异形销 孔加工系统) ，将驱动系统应用到g m m 智能镗杆上，测试驱动系统在系统中的实 际工作性能和g m m 智能镗杆的输出位移；通过对采集得到的电流信号和位移信号 等实验数据进行分析，得出驱动系统性能可靠的结论。 第六章在归纳总结研究工作之后，对可进一步深入的研究问题进行了展望。 关键词：超磁致伸缩材料；超磁致伸缩执行器；驱动系统；性能测试；输出 位移测试。 g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ( g m a ) i san o v e ls m a r ta c t u a t o rw h i c hi sb a s e d o ng 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 ( g m m ) f o rg ma ? sm e r i t so f h i g hp r e c i s i o n ，f a s t r e s p o n s e ，l a r g eo u t p u td i s p l a c e m e n t ，i ti sn o ww i d e l yu t i l i z e di ns o m eu l t r a - p r e c i s i o n m a c h i n i n gt o o l s u l t r a - p r e c i s i o np o s i t i o nc o n t r o l , s e n s o r s ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，e t c p i s t o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fa ne n g i n e ，i t sp e r f o r m a n c eq u a l i t y d i r e c t l ya f f e c tt h eo p e r a t i o no fa ne n g i n e a c c o r d i n gt oe x p e r i e n c e ，a d o p t i n gp i s t o n w i t hn o n - c i r c u l a rp i s t o nh o l ec a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s et h er i s ko fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n w h i c hc i r c u l a rp i s t o nh o l eh a v e a n dg r e a t l ye n h a n c et h ep i s t o n sp e r f o r m a n c e b u ti nf a c t ，t r a d i t i o n a ln o n - c i r c u l a rp i s t o nh o l em a n u f a c t u r i n gm e t h o d sh a v e v a r i o u sd i s a d v a n t a g e s ，f l e x u r eb o r i n gs y s t e mw h i c hb a s e do nt h eg m ac o u l da c h i e v e h i g h e rp e r f o r m a n c e s oa sam a g n e t o m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r t e r , p o w e ra m p l i f i e ri s o n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta r t so f t h a ts y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e ro f t h i sp a p e r , t h ef i r s ti sa ni n t r o d u c eo fg m a sc h a r a c t e r i s t i c f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n s ；t h e n , a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fg m a , t h er e q u i r e m e n t sf o ra m a g n e t o m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r t e r , p o w e ra m p l i f i e r sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l d e v e l o p m e n tr e s e a r c h sa r es u m m a r i z e d o nt h a tb a s i s ，ad e s i g no fap o w e ra m p l i f i e r w a sp r o p o s e df o rf l e x u r et y p eg m a i nt h es e c o n dc h a p t e r , w es e tt h ep a r a m e t e r so fp o w e ra m p l i f i e ri na d v a n c e ， w h i c hb a s e do nt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h eg m a a tf i r s tw ed i v i d et h ew h o l e p o w e ra m p l i f i e ri n t od i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l u s ；t h e n , m a k es p e c i f i cd e s i g nf o r e a c h f u n c t i o nm o d u l u s ，i n c l u d et h eo p e r a t i o nm o d eo fe a c hf u n c t i o nm o d u l u s ，c h o o s et h e r i g h tc o m p o n e n t sa n ds oo n ；a tl a s t ，i n t e g r a t ee a c hm o d u l u st o g e t h e r , a n dc o m p l e t e t h ep o w e ra m p l i f i e r ss c h e m a t i cd i a g r a m i nt h i r dc h a p t e r , i n t r o d u c ev a r i o u sm a t t e r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st h a t m e e t i n gi nt h ep r o c e s so fm a k i n gp o w e ra m p l i f i e rf o rh i g ho u t p u tp o w e r , h i g ho u t p u t c u r r e n t ，o u t p u tv o l t a g e ，c o n t r o lp r e c i s i o n , f a s tr e s p o n s ea n dn o i s ei n t e r f e r e n c e m s e m a t t e r si n c l u d ep o w e ri n t e r f e r e n c eo nt h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ，p o w e r d i s s i p a t i o no fp o w e rm o s f e ta n dc o r r e s p o n d i n gc o o l i n gm e t h o d s ，a n dv a r i o u s p r o t e c t i v em e t h o d sf o rt h ep o w e ra m p l i f i e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w et e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w e ra m p l i f i e ro np o w e r a m p l i f i e rt e s tp l a t f o r mw h i c hb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t h e s et e s t i n g si n c l u d i n g o u t p u tc h a r a c t e r i s t i ct e s t i n g ，n o i s ei n t e r f e r e n c et e s t i n ga n ds oo i l b e c a u s et h i sp o w e ra m p l i f i e ri su s e df o rn o n - c i r c u l a rp i s t o nh o l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m , s oi nt h ef i f t hc h a p t e ro ft h i sp a p e r ，w e t e s tt h et o t a lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f p o w e ra m p l i f i e ri nt h i sg m 队s y s t e m e x p e r i e n c e s r e v e a lt h a ti th a sh i g hp r e c i s i o no f a m p l i t u d ea n dp h a s e ，a n ds u i t a b l ef o rt h es y s t e m i nt h el a s tc h a p t e r , m a i nw o r ka n dk e yi n n o v a t i v ep o i n t sa r es u m m a r i z e d ，a n d f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e yw 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 ；g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ； p o w e ra m p l i f i e r ；o u t p u tc h a r a c t e r i s t s ；o u t p u td i s p l a c e m e n t 浙江大学硕士学位论文 1 i 超磁致伸缩材料的发展历程和典型应用状况概述 第一章绪论 本论文旨在研制一种用于驱动活塞异形销孔加工系统中的超磁致伸缩材料 ( 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 ，g m m ) 智能镗杆的驱动系统。本章从超 磁致伸缩材料的发展历程和典型应用状况概述、活塞异形销孔加工方式，以及超 磁致伸缩执行器( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ，g m a ) 应用等方面阐述 本论文的研究背景。 1 1 超磁致伸缩材料的发展历程和典型应用状况概述 超磁致伸缩材料是一种具有广阔应用前景的新型智能材料，本小节简单阐述 超磁致伸缩材料的发展历程和典型应用场合。 1 1 1 超磁致伸缩材料的发展历程概述 铁磁性或者亚铁磁性物质在磁化状态变化时，外型尺寸会发生细微的变化， 这种现象被称为磁致伸缩效应，又被称为焦耳效应【1j 。磁性物体被磁化时，沿磁 化方向伸长或缩短的现象被称为线磁致伸缩；体积发生膨胀或收缩的现象则称为 体积磁致伸缩。在未加外在磁场时，磁畴的磁化方向是随机的。加入外在磁场后， 磁畴的磁化方向开始转向外场，假如磁化方向是自发形变的长轴，则材料宏观上 将伸长( 见图1 1 ) ，如果是短轴，则材料会缩纠2 | a ) h = 0b ) 0 h h ” 图1 1g l v l l v l 磁畴变化 材料磁致伸缩程度的大小用材料的相对伸缩比表示：力= a i 1 ，其中脚为材 料的伸缩量，7 为材料的原有长度。一般情况下，普通的铁磁性材料的力值非常 小，与热膨胀系数相差不远。直到上世纪4 0 年代含有n i 和c o 的多晶材料研制 后，超磁致伸缩材料才实质性地出现。5 0 年代，磁致伸缩系数约为1 0 0 p p m 的 a l f e r f e 一1 3 a 1 合金的出现，在磁致伸缩材料领域的研究取得了进一步发展。 此后人们致力于稀土类磁致伸缩材料的研究，7 0 年代先后发现了室温和低磁场 下有很大磁致伸缩系数的二元稀土铁合金以及常温下饱和磁致伸缩系数为1 0 。 数量级的三元稀土铁合金。随着技术的成熟，8 0 年代后陆续出现商业化的稀土 超磁致伸缩材料【3 】，主要有美国e d g et e c h n o l o g y 公司的t e r f e n o l - d 和瑞典f e r e d y n 浙江大学硕士学位论文1 - l 超磁致伸缩材料的发展历程和典型应用状况概述 a b 公司的m a g m e k 8 6 ，其他国家也在这一方面进行了相关研究 1 1 2 超磁致伸缩材料的典型研究应用概述 1 ：足t e r f e n o l d 为代表的稀土超磁致伸缩材料和压电材料( p z t ) 与传统的磁 致伸缩材料相比，具有非常独特的性能特征1 4 副： 1 常温下较大的磁致伸缩系数。可以达到1 5 0 0 p p m ，是压电陶瓷的5 2 5 倍， 是n i 的4 0 5 0 倍。 2 较高的能量密度( j m 3 ) 。其能量密度为1 4 2 5j o ，是n i 的4 0 0 8 0 0 倍，是 压电陶瓷的1 4 3 0 倍。 3 响应速度快。响应速度仅取决于激励线圈的激励时间，一般情况下响应时 间约为1 0 。6 s ，最快可达到1 0 饵，几近即时响应。 4 能量转换效率高。机电耦合系数大于0 7 ，即能量转换效率高于7 0 ，远高 于n i 的2 0 和压电陶瓷的4 0 6 0 。 5 较高的居里温度。可以用于2 0 0 以上的高温环境。 6 输出应力大。超磁致伸缩材料可以承受高达2 0 0 7 0 0 m p a 的压力 7 较低的声速。超磁致伸缩材料的声速仅为1 7 2 0 m s ，相比压电陶瓷小3 4 倍。 基于以上种种特点，超磁致伸缩材料在众多的工程应用领域起着重要的作 用，或是利用其设计新产品，或是通过它提高原有产品的性能，甚至实现传统技 术无法实现的功能。 1 在电( 磁) 声技术领域的应用。超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声 换能器的核心材料，使用稀土超磁致伸缩材料制造的水声换能器其能量密度为压 电换能器的1 0 倍，工作距离超过1 0 4h - n , 是压电换能器的几十倍。在声纳领域 应用的基础之上，通过成功克服高频下的涡流损耗问题后，在超声换能器领域的 得到了成功应用【6 j 。 2 在主动振动控制方面的应用。各种工程结构在外力作用下都会产生动力 响应，当响应超出工程结构正常工作所允许的程度时，就需要对其进行控制。振 动控制过程中采用特殊装置提供主动力时，此类振动控制被称为主动控制【_ 7 1 。 由于超磁致伸缩材料具有较高的电磁耦合，能够非常高效地将磁能转化为机 械能；能够承受很高的负载压力；在静态或者动态负载下，坚固耐用；以及低压 控制和极高的可靠性和近乎无限的工作寿命等显著的特性，所以主动振动控制领 域也正在研究基于超磁致伸缩执行器的应用。 下图1 2 所示的是一款用于主动振动控制的超磁致伸缩执行器，该执行器由 一根t e r f e n 0 1 d 棒、用于产生磁场的励磁线圈、产生磁偏置的环型永磁铁以及位 于两端的两个铁端板组成。 2 浙；1 人学颐上。伊论文1 1 超磁毁伸缩材料的发展历程和典犁j 竖用状；兕概述 口永_ 体 国i n 口铰 口m 呻 围1 2 用于主动振动控制的g m m 执行器及其内部结构 在执行器性能测试范围内时，该执行器的位移和控制电流之间有良好的线性 关系( 比值约为9 17 p m a ，尤其是在0 4 5 f i z 范围内) 。下图1 3 是该款超磁致伸缩 执行器的应用测试实验布局引。 圜i 3 超磁致伸缩驱动器主动振动试验 3 在椭密加工领域已经有成熟的基于g 、 1 的加工设备。下图1 4 所示的是基于 t e r f e n o l d 材料制作的车削设备，在加工超精密非圆工件时可以达到4 0 0 h z 的轴向 二作频率，同时进给量可达2 0 0 p m 6 0 0 p m t 。 f p e r m a n e n t 讧, a g t l e t 圈1 4 用于非匮工件高精爱车刳的l e r f e n 0 1 d 的执行器 i n e do b j e c t 浙江大学硕士学位论文 1 il 超磁致伸缩材料的发展历程和典型应用状况概述 4 在精密测量领域，超磁致伸缩材料也有所应用。基于g m m ，可以测量用于 微电子和徽电机g , j a i , a u ，c u 等金属薄膜1 0 】。图1 5 是一种基于超磁致伸缩材料实 现无损测量金属薄膜杨氏弹性模量的示意图。 图1 5 驱动和探测线圈测量超磁致伸缩机体传感器变化的原理图 无损检测线圈中超磁致伸缩机体传感器覆膜前后谐振频率会有所变化，通过 推导可以得出金属薄膜的弹性模量。 图1 6 是覆膜前后超磁致伸缩传感器的幅频特性曲线，其测量误差随着金属 薄膜厚度的增加不断减小，当薄膜厚度超过0 1 p m 后，误差小于6 图1 6 覆膜前后传感器幅频特性变化 5 同样由于其独特的性能，在光学应用领域超磁致伸缩材料也有其独特的 典型应用。图1 7 是一种基于超磁致执行器装置的镜面导向器。在励磁线圈磁场 变化时，t e r f e n o l - d 棒的长度会发生相应的伸缩，该伸缩量通过探针作用在连接 镜面的偏移梁上，从而产生所需的镜面偏移角度【1 1 1 。 图中g 姗棒长度为4 0 m m ，最大能够产生1 6 p m 的伸缩量，相应的镜面偏移角 度大约为5m r a d 。 4 浙江大学硕上学位论文 1 1 超磁致伸缩材料的发展历程和典型应用状况概述 图i 7 用于镜面偏移的超磁致伸缩执行器 1 镜面偏移梁；2 探针：3 螺纹盖；4 碟形弹簧；5 坡莫合金顶板；6 t e r f e n 0 1 d 棒；7 激励线 圈；8 永磁体；9 坡莫合金环；1 0 冷却孔；1 1 铝管；1 2 坡莫底板；1 3 螺纹底板。 6 除以上领域应用外，超磁致伸缩材料还应用于旋转翼襟翼的控制，取代 传统方式，取得极佳的效果【4 1 ；在主动六自由度微振动控制系统中，超磁致伸缩 驱动器配合气垫、加速器等，在一定范围内降低环境振动对控制系统的影响【1 列； 此外在电控柴油喷射系统中的高速开关电磁阀 13 - 1 5 】、基于振动的能量收集器1 1 6 】 等方面也开展了一定的探索和研究。 1 2 活塞异形销孔以及加工方法 1 2 1 活塞异形销孔简介 活塞是发动机最核心的零件之一，其性能好坏直接影响发动机的工作性能。 与此同时，在发动机运行过程中，活塞始终处在燃料爆炸后产生的交变高压和高 温的影响下，在热变形和弯曲变形的作用下，活塞本身会发生弹性变形，链接活 塞的活塞销轴也会发生一定的变形。在燃气压力作用下，销孔和销轴之间仅为局 部接触，这必将使得活塞销孔受力不均匀，且销孔内侧应力最大，外侧应力最小 1 7 1 。为了能够延长活塞销孔的使用寿命，通常采用改变销孔几何形状的方式改 善其受力状况，提高其承载能力。 在设计理论方面，b k r i s h n ak u m a r 、j e b a r a j 等人对活塞销孔受力状况做了一 定程度的分析，并得出了改善销孔受力的大致设计理论【l 引。 温州活塞厂的吴劲松、吴声震等人基于对活塞长年的实际生产制造经验，整 理得出了一些关于销孔的设计理论1 19 | 。 浙江大学硕士学位论文1 2 活塞异形销孔以及加工方法 在实际应用中，为了减小应力集中主要采用下图1 8 所示的三种异形销孔形 状：椭圆销孔，卸荷销孔( 离隙销孔) ，倒喇叭销孔( 内锥形销孔) 。其中倒喇叭 形销孔的效果最好，可以降低3 0 以上的应力集中，椭圆销孔和卸荷腔销孔约为 10 左右 1 9 , 2 0 】 ( a ) 椭圆销孔( b ) 卸荷腔销孔( 离隙销孔)( c ) 倒喇叭形销孔 图1 8 常见的活塞异形销孔类型 1 2 2 传统的活塞异形销孔加工方法 传统的活塞异形销孔加工方法是对镗床机械结构进行再设计，以机械的方式 完成异形孔的；0 口t - - 。 1 斜截法活塞椭圆异形孔加工 这种加工方法是基于圆柱的斜截面是椭圆的原理，通过调整刀具的加工角度 来实现 2 1 , 2 2 1 。如下图1 9 所示，将镗7 j 主轴的中心线相对于被加工的工件在垂 直方向倾斜一定的角度，巧妙地将原本椭圆形孔的加工转变为圆形孔的加工。 图i 9 斜截法活塞椭圆异形孔加工原理图 该加工方法实现简单，只需改装普通镗刀机构就可达到，同时有较为理想的 加工效率和精度。但是这种方法仅限于加工标准椭圆形孔，无法实现非标准椭圆 孔加工，且不能用于内喇叭形销孔的加工。此外由于镗刀倾斜，会引起刀杆和已 加工孔的干涉，限制被加工销孔的孔径大小p 3 2 机械仿形法 这种方式是通过靠模的控制，调整镗刀径向进给实现销孔加工。靠模仿形法 利用刀具和工件的相对运动轨迹，形成所需的表面形状。与斜截法相比，靠模仿 形法的优点是加工范围广，在加工不同活塞零件时设备调整方便，只需更换相应 的靠模即可。可以加工复杂截面形状的活塞( 如非标准椭圆截面) 。除了用于异 形销孔加工外，该加工方式也适用于下图1 1 0 所示的活塞外表面的加工，但是由 于仿形机构涉及的环节较多，各环节的装配误差及刚性对加工精度的影响较大， 6 浙江大学硕士学位论文 1 2 活塞异形销孔以及加工方法 存在加工精度较低的缺点。瑞士s i m 工厂生产的t p o - 1 5 0 金刚石靠模车床即采用 中凸仿形机构加工活塞裙部中凸型【2 4 1 。 靠模 仿形刀架 活塞 图1 1 0 靠模仿形加工活塞外表面 此外，在国内的机床生产企业中，李喜、堪国权、邓美军等人在传统变形理 论和数控技术的研究基础之上，开发了一套精密微位移伺服镗杆系统，该系统类 似于一个传动精度和刚度极高的变形装置，将轴向位移精度转换为径向位移口5 1 。 该系统的主轴回转精度最高可以达到0 0 0 2m m 。 1 2 3 新型活塞异形销孔加工方法 如上述所示的传统的活塞异形销孔的加工方式，主要是通过调整镗刀轴线偏 移、机械靠模、精密变形机构等方式实现活塞销孔加工。这些方式改装成本较低， 但使用范围也有较大局限性。 在新技术的应用上，基于主轴磁悬浮控制技术的加工方法得到了一定的研究 和应用。k i m 等人采用具有逆传递函数补偿的周期学习控制算法减小加工误差， 并进行了1 5 0 0 r m i n 的镗削试验加工精度达虱j 2 p m 2 6 1 , 王海峰，胡德金等人利用 磁悬浮主轴的可移动特性，通过控制主轴的旋转轴心沿设定的轨迹运动，在国内 首次研制了基于磁悬浮控制技术的异形孔加工闭j 。 在新材料的应用上，有人使用压电陶瓷结合柔性铰链结构实现异形孔的加 工，这方面有上海交通大学的张凯、胡德金、马浩全、王海峰等【2 引此外基于 g 删智能材料的应用，也应用到活塞加工领域 1 3 基于g m m 智能构件的镗刀弯曲型加工系统 由于传统的活塞异形销孔加工方式有不可避免的局限性，为了克服这些技术 难题，本实验室基于g 姗智能镗杆( g m m 智能镗杆是超磁致伸缩执行器中的一种) 搭建了活塞异形销孔加工平台系统，该系统在传统静压精密镗床的基础上，通过 局部改造，实现异形孔精密加工。 具体硬件结构原理图如下所示： 浙江大学硕士学位论文1 3 基于g 姗智能构建的镗刀弯曲型加工系统 1 静压主轴镗床；2 主轴旋转编码器；3 交直流分离式励磁机构；4 g m m ；5 电涡流传感器； 6 镗杆；7 活塞( 销孔截面) ；8 托板运动位移感应同步器； 图1 1 1 嵌入式g 蛳微进给机构控制系统硬件平台 整个闭环控制系统由d s p 控制板、上位机p c 、驱动系统、6 m m 智能镗杆、位置 检测传感器等组成在整个系统中d s p 控制板是控制中心、上位机p c 完成系统参 数传输、驱动系统根据控制信号，驱动激励线圈、超磁致伸缩智能镗杆在激励线 圈磁场控制下执行异形孔精密加工、位置检测传感器间接采集与镗刀相关的径向 位移量，反馈回d s p 控制板，最终完成整个系统的闭环控制。 g m m 智能镗杆设计的关键在于镗杆设计、g m m 镶嵌以及线圈磁场的控制。从图 1 1 1 可以看出g m m 材料被固定镶嵌在镗杆上，当线圈生成的磁场变化时，g m m 随 着周围磁场变化相应地伸长或恢复，通过挤压刀杆使其产生弯曲变形，从而控制 镗刀的径向位移。 驱动线圈 图1 1 2 镗杆弯曲型g m m 智能镗杆结构简图 已知，包围g 删的磁场发生变化时会引起g m m 的伸长，g m m 的伸长或恢复又会 直接作用在与之接触的镗杆端面上，镗杆的弯曲使镗刀产生一定的径向位移。 这个变形过程中，励磁线圈中磁场的变化通过一系列磁一机转换最终转换为镗刀 的径向位移。当g 删规格、预压力、镗刀结构、镗刀位置等参数已知时，励磁线 8 浙江大学硕士学位论文 1 4g 删执行器驱动系统的研究现状 圈中磁场变化直接取决于驱动电流。 综合上述分析可知，在边界条件确定的情况下，g m m 智能镗杆上的镗刀径向 位移与励磁线圈中的驱动电流有关。所以通过控制励磁线圈中驱动电流，就能实 现对镗刀径向位移的控制，从而实现活塞异形销孔的精密加工。 驱动系统作为励磁线圈工作的重要部件，是不可或缺的。作为整个加工系统 的重要组成部分，驱动系统的研制有着非常显著的实用价值。 1 4g m m 执行器驱动系统的研究现状 1 4 1g m m 执行器驱动系统的性能要求 驱动系统的工作性质类似于一个功率放大器系统，按照其实现的方式不同， 可以分为连续调整，开关调整、组合调整型。 在三种实现方式中，开关调整型虽然工作效率高，能耗小，但其输出纹波干 扰大，不适用于高精密加工的g m m 智能镗杆；组合调整型虽然性能符合要求， 但其结构复杂，成本较高；连续调整型输出电流稳定、系统结构简单、工作可靠 性高。基于以上对比，在本课题中采用连续调整型驱动系统。 考虑到g m m 智能镗杆的机械结构和所使用的励磁线圈的不同，其对驱动系统 的性能指标要求也会有所不同。通常情况下，在设计超磁致伸缩驱动器放大器时 主要考虑以下几个方面： 1 驱动特性参数 g m m 智能镗杆的驱动系统必须具有足够的输出电流与输出电压，能够驱动励 磁线圈，产生所需的可变磁场实现超磁致伸缩材料的伸缩。 2 时频响应特性 g 删智能镗杆在运行时，其响应速度一定程度上取决于励磁线圈中电磁场变 换的速率，而磁场的变化速率取决于驱动系统的响应频率。所以在实际应用中， 驱动系统应具有较高的频率响应，使g m m 智能镗杆运行时，能够达到所需的响应 速度。 3 控制精度 本驱动系统涉及的g m m 智能镗杆主要用于精密加工系统，驱动系统应具有良 好的稳流特性和线性度，纹波电流和噪声电压控制在适当的范围内。 4 可靠性和稳定性 g m m 智能镗杆励磁线圈是感性负载，实际运行时，励磁线圈上的电压和电流 存在一定的相位差，驱动系统应具有相位超前补偿功能，降低相位差引起的不稳 定性影响。 此外，在驱动系统开启或关断瞬间，感性负载会产生较大的瞬间反向高压， 所以驱动系统必须能够承受瞬间反向高压。 最后超磁致伸缩驱动器工作时，不同的工作频率下，线圈阻抗会明显不同， 而且线圈上产生的热量会使励磁线圈一定的温升，线圈阻值也会有所变化，所以 驱动系统应有较好的负载调整率，且长时间运行时输出电流稳定。 1 4 2g m m 执行器驱动系统的应用现状 基于超磁致伸缩材料的应用情况不同，不同的高校和科研院所根据具体的科 9 浙江大学硕士学位论文 1 4g 删执行器驱动系统的研究现状 研课题选购或者自制了不同仪器实现基于超磁致伸缩材料的电一磁能量转换。 在驱动系统选购方面，浙江大学的唐志峰在g m m 智能镗杆的基础理论与实验 研究中，