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g m m 驱动的压曲放大机构研究 硕士生：常国强 导师：王兴松东南大学机械工程学院 摘要 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 ，简称伽) 是指具有磁致伸缩效应的磁 ( 电) 一机械能转换材料，g 删的饱和磁致伸缩系数蛔与普通的磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系 数地相比要高约两个数量级，与压电陶瓷的电致伸缩系数相当，由伽组成的致动器我们称之为 超磁致伸缩致动器( 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 ，简称g m a ) 。 本文在调研之后提出了一套完整、经济、实用的g m m 驱动的压曲放大系统。整个系统采用模 块化的设计思想，分为计算机及其硬件组成模块、信号检测模块、压曲放大机构模块和系统控制 软件模块。文中对模块的关键部件( 计算机、位移传感器、模拟数字转换板卡、数字模拟转换 板卡) 进行了详细的分析、设计与选择。在对目前存在的大多是基于压电陶瓷驱动的位移放大结 构做了分析比较后，论文提出了一种新型的g m m 驱动的压曲放大机构，从位移放大机构、电气部 分、系统模型、系统放大特性等方面进行了详细的研究与论述。 本文对工作台的结构设计主要包括g 姒的结构设计、压曲放大定位系统结构设计以及运行控 制。压曲放大定位系统结构设计给出了压曲放大机构工作原理、有限元分析、运动过程的实现及 控制。文中给出了设计的微位移工作台的整体结构的机械图。同时也给出了具体的设计方案、功 能框图和系统原理图。 本文对课题所选用的压曲g 姒的简化模型并对其传递函数进行了深入的分析；并且对基于g 埘 驱动的压曲放大机构进行了测试和分析，系统的特性包括静态特性和动态特性。本课题主要应用 到g m m 的静态特性，即阶跃响应和在不同负载下压曲g 姒的输出位移与超磁致伸缩棒驱动电流i 的关 系曲线。 系统的运行控制界面用m a t l a b s i m u l l n kr t w 编写，采样时间可在0 1 i m s 连续可调，我们研 制的压曲g m a 的性能指标是：总行程为0 4 n u n ，具有功耗低、定位精度高等特点。 关键词：超磁致伸缩材料压电陶瓷致动器压曲放大机构有限元分析磁滞 t h ep r e s s i n g b e n d 矾g m 匝c h a n i s md r i v e nb yg m m c h a n gg u o q i a n gs u p e r v i s e r ：p r o f e s s o rw a n gx i n g s o n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t g i a n tm a g n a t o s t r i c t i v em a t e r i a l ( g m m ) ，i sd i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n i t s 地i sh i g h e rt h a n o r d i n a r ym e g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a la n dp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ，s 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 , m a d e o f g m m , i sc a l l e dg m a a ni n t e g r a t e dp r e s s i n g - b e n d i n gm a g m f y i n gs y s t e mi sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ew h o l e s y s t e mi n c l u d e sf o u rm o d u l e s ：i n d u s t r i a lc o m p u t e ra n di t sh a r d w a r em o d u l e ，s i g n a ld e t e c t i n gm o d u l e ， p r e s s i n g - b e n d i n gm a g n i f y i n gm e c h a n i s mm o d u l ea n dc o n t r o ls o t h a r em o d u l e t h ek e yp a r t so fe a c h m o d u l ea r ea n a l y z e d , d e s i g n e da n ds e l e c t e di nd e t a i li nt h ed i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f p i e z o e l e c t r i c i t y a c t u a t o rf o r d i s p l a c e m e n tm a g n i f y i n gm e c h a n i s m , an o v e lp r e s s i n g - b e n d i n g m e c h a n i s md r i v e nb yo m mi sd e s i g n e da n di t sc o r r e s p o n d e da c c e s s o r i e sa r ea l s od a s i g n e da n ds e l e c t e d c a r e f u l l y t h et e s tb e d ss t r u c t u r ed e s i g ni n c l u d e sg m aa n dp r e s s i n g - b e n d i n gm a g n i f y i n g m e c h a n i s m , 鹤 w e l la sm o t i o nc o n t r 0 1 t h ep r a s s i n g - b e n d i n gm a g n i f y i n gm e c h a n i s mi sb a s e do ni t sm a g m f y i n g p r i n c i p l e s ，f e aa n di t sm e t h o d s ，a n dm e c h a n i c a ld r a w i n go f b e n c h a tt h es a m et i m et h ed e s i g np r o j e c t ， f u n c t i o na n ds y s t e mg r a p ha r eg i v e n t h es i m p l el i n e a rm o d e la n dt r a n s f e r r i n gf u n c t i o n , a sw e l la st h em a g n i f y i n ga n dm a g n e t i s m c h a r a c t e r sh a v eb e e nt e s t e da n da n a l y z e d m a g n e t i s mc h a r a c t e r si n c l u d et h es t a t i cc h a r a c t e r so f m a t e r i a l a n dd y n a m i cb e h a v i o rc h a _ r a c t e f s t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa r em a i n l yc o n c a m e d , w h i c hd e a l sw i t ht h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u td i s p l a c e m e n ta n dd r i v i n gc r r r e l 3 t t h em o t i o nr a n g eo f t h et e s tb e di s0 4 0 0 0 u ma n dp o s s e s s e st h e s em e r i t so f l o w p o w e r , h i g h a c c u r a c y k e yw o r d s ：g m mp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r p r e s s i n g - b e n d i n gm a g n i f y i n gm e c h a n i s m f e a h y s t e r e s i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：蔬l 盈骚、日期：坦堑生! ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：盔：叠j 生导师签名：过日期：! ! ! ：! ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超磁致伸缩致动器的研究背景和意义 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 ，简称g 删) 是指具有磁致伸缩效应的磁 ( 电) 一机械能转换材料，g m m 的饱和磁致伸缩系数缸( 1 0 。数量级) 与普通的磁致伸缩材料的饱和 磁致伸缩系数缸( 1 0 4 数量级) 相比要高约两个数量级，与压电陶瓷的电致伸缩系数相当，由g m m 组成的致动器我们称之为超磁致伸缩致动器( 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 ，简称g m a ) 。 为了满足现代高新技术发展的要求，机械制造业正从提高生产率和精度两个方面迅速发展在 提高生产率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向，近年来，从c n c 至u c i m s 发展迅速，并且 在一定范围内得到了应用。在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这也是世界各主要 发达国家发展的方向。其加工精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日益广泛 在超精密磨削加工和测量中，为实现刀具或工件的精确、微小位移，进一步提高加工的分辨 率，必须采用微位移系统。高精度的微位移系统是超精密加工的关键部件，它除了具有微量控制 切削厚度的功能外，还可以用它来进行机床导轨直线度和主轴回转误差的补偿及非对称表面的加 工等。例如磨床必须具备很高的静态和动态特性、定位精度和运动精度、微位移进给分辨率和可 控性。但是由于传统的磨床，无论是外圆磨床还是平面磨床，一般采用砂轮进给的结构方式，很 难满足上述要求。因此，如何在现有条件的基础上进行高精密器件的超精密磨削，是现代制造业 和科研工作者所面对的关键技术问题其中超精密切削中的微量进给系统是目前亟待解决的问题。 美国、日本、欧洲等国家和地区都已经把纳米级超精密加工作为本世纪机械加工技术的极限 目标，投入了大量的人力、物力和财力进行这一技术的最后攻关1 1 1 。 归因于超磁致伸缩材料t b o 。, d y o f e 2 诸多特点，超磁致伸缩材料自从被研制成功以来，一直受 到各国政府及相关机构的高度重视，以至于各国竞相投入巨资及人力从事于材料生产和应用器件 的开发研制。 以t b d y f e 为代表的稀土超磁致伸缩材料是一种有广泛发展前景的功能材料，它具有磁致伸 缩系数大( 0 0 0 1 0 0 0 2 ) 、响应速度快( 3 k l t z ) 、磁一机械耦合系数大于0 6 、磁滞小、大的输 出力( 1 7 0 0 n ) 和能量密度等优点，是理想的微位移驱动材料，能够满足超精密加工的需要。 1 2 超磁致伸缩致动器国内外研究现状 1 2 1 国外的研究发展状况 早期观察到的磁致伸缩现象出现在有关永磁体发声的报道中，当永磁体置于或靠近一个通有 交变电流的线圈时，它将发出声音1 2 j j o u l e 首次获得了可重复的实验结果。他测量了一根铁棒的纵 向磁致伸缩，即沿铁棒的轴线磁化时棒长度的相对变化。除上面提到的j o u l e 效应外，还有它的逆 效应，即材料在受到应力时磁化状态相应改变的现象，有时称为v i l l a r i 效应。也有一些由于磁化 状态变化引起弹性性质改变的情形，其中之一被称为e 效应，即磁致伸缩材料由于磁化状态的改 变引起杨氏模量的变化。相反，某些材料在受到变化的应力或应变时，它们的磁化率和磁导率也 会变化。c l a r ke ta l p 叫，r h y n ee ta 1 i ，1 于六十年代相继发现t b ，d y 等重稀土元素在低温下具有 超大的磁致伸缩系数x s ( 为常规磁致伸缩材料的1 0 0 1 0 0 0 倍) 。从此，稀土金属作为新一带磁致伸 缩材料受到各国专家的重视。但是由于单质金属的居里温度大多远远低于室温( 表1 ) ，因而不具备 实用价值旧。 l 东南大学硕士学位论文 表1 部分稀土元素的 痢居里温度t c 汰竺 c d t b d ym e r k ( p 田) 一2 2 0 3 3 0 0 5 0 0 03 3 0 03 2 0 0 测量温度( i )08 02 0 4 5 2 0 t 两 2 9 3 2 2 2 18 5 2 0 1 9 6 为了寻求有实用意义的超磁致伸缩材料，美国海军表面武器研究中心和依阿华州立大学合作，将 具有高磁化率的t b 和d y 与磁性过渡族金属f e ，c o ，n i 化合，得到非晶态合金。其中含f e 的立方莱 夫斯相r f e 2 不仅具有较高的t c ，而且具有很高的室温 s 。然而，这类二元化合物的各项异性能过 高，其易磁化方向与难磁化方向的饱和场相差两个数量级。为了解决这一问题，c l a r ke ta i 7 4 1 采用化学结构相似，磁致伸缩符号相同而各向异性常数符号相反的两种或两种以上的r f e 2 型化合 物形成互为补偿的伪二元系合金。其中t b o z 7 d y o , s f e 2 呈现了超磁致伸缩的各项同性，它们在外磁 场的作用下产生的伸缩量比传统磁致伸缩材料如铁、钻、镍等磁致伸缩材料大几十倍，比压电陶 瓷大5 1 0 倍。被称为超磁致伸缩材料。 从超磁致伸缩材料的出现到商品化大约经过了近二十年的时间，主要是制各工艺限制了它的 发展和应用。 制各超磁致伸缩材料须十分注意保证合金具有公称成分。稍微偏离成分将导致产生一或两组 附加相。这样的偏差将导致磁性的明显变化。 改进超磁致伸缩材料的制备方法的目的在于： 1 、提高其材料性能，包括磁性、机械性能、表观性能、加工性能等： 2 、 使材料的制备工艺适合于大规模生产，即简单化、大容量和高效率，在保证材料性能的 同时降低成本。 直至1 9 8 8 年市场上才出现小尺寸的棒材供用户试用。开始主要用于军事，以后逐渐向民用领 域扩展。到1 9 9 0 年各种规格的包括较大尺寸的棒材开始在市场上出售，此后超磁致伸缩材料工艺 研究和应用研究发展都极为迅速。目前主要采用悬浮区域熔炼和改进的布里奇曼两种方法生产各 种形状和尺寸的材料。 经过了近二十年的研究和发展，目前能大量供应各种尺寸的超磁致伸缩棒料的公司有：美国边 缘技术公司( e t i ) 、瑞典菲罗迪公司( f a b ) 和英国稀土制品公司( r e p ) ( 1 ) 美国边缘技术公司( e t i ) 美国边缘技术公司的技术是由依俄华州立大学及美国能源部阿姆斯实验室所提供的，也用到 美国海军水面武器中心的研究成果。该公司是世界上主要供应超磁致伸缩材料的公司之一，它生 产的商品牌号为t e r f e n o l - d t m ，使用的棒料长度在2 0 c m 以下。除供应棒料外，还可少量供应其它 形状的超磁致伸缩材料。 ( 2 ) 瑞典菲罗迪公司( f 既d l ! f n a b ) 瑞典f a b 公司建于1 9 5 8 年，其技术来源于瑞典乌普沙拉( u p p s a l a ) 大学固体化学研究小组。该 公司产品牌号为m a g m e k 8 6 ，成分为t b o 2 7 1 ) y o 7 3 f e l 9 5 ，产品尺寸为0 6 3 0 mx2 0 0 m 。它是瑞典 唯一的生产超磁致伸缩材料的公司。 ( 3 ) 英国稀土制品公司( r a r ee a r t hp r o d u c t s ) p e p 公司是英国j o h n s o nm a t t h e y 集团的子公司，专门从事稀土产品的生产和销售。该公司于 1 9 9 0 年6 月开始生产超磁致伸缩材料，产品最大直径为2 0 d 。 此外，在亚洲以日本的发展最为迅速，目前已开始应用于耐振、油压、地震探查、声纳等方 面，并且已有产品上市。 2 第一章绪论 1 2 2 国内的研究发展状况 以r f e 2 为代表的超磁致伸缩材料是稀土功能材料中的一个新分支，随着当今世界范围内高科 技的飞速发展，对它的需求会日益增多。我国作为一个稀土大国应当也必须在超磁致伸缩材料的 应用研究中在世界上占有一席之地。近年来我国的一些研究小组在材料性能、制各工艺及应用诸 多领域中已取得巨大进展，尤其在制各工艺方面有所突破。中国冶金部钢铁研究总院( c l s r i ) 从8 0 年代开始研究超磁致伸缩材料州，至9 0 年代初进入小批量试验生产阶段。其工艺为合金冶炼，区域 熔炼等。可生产a 8 2 0 m x l 5 0 _ 的棒材，设备能力为年产2 0 0 支左右。广东新会市引进国外生产线 进行小规模生产。中国稀土资源丰富，原材料价格便宜，售价远比国外价格低，具有很强的竞争 能力。目前已提供国内一些用户试用，使用结果表明己接近国外产品水平。 总体说来，稀土超磁致伸缩材料是利用两个方面的优异特性一巨大的应变和较高的能量密度 一在声纳和换能器、传感器、致动器和精密控制器等领域都具有广泛的应用，它可以大功率、高 效率地实现电磁能和机械能或电磁信息与机械位移信息之间的相互转换。目前在日本、美国欧洲 己经用该材料制造了超精密机床系统、精密控制喷射系统、并应用于打印机的墨水喷射系统、高 精密减震系统、各种传动装置和各种致动器等p “。 在我国也开展可稀土超磁致伸缩材料的应用研究已经制造出不同型号的水深低频大功率换能 器、稀土超磁致伸缩材料致动器、光频滤波器和清洗油井管路用的低频大功率换能器等【l “2 1 。 1 2 3 超磁致伸缩材料的应用 超磁致伸缩材料有广泛的应用，其主要是作为换能器功能材料。可应用的领域归纳如下： ( 1 ) 机械制造业：造纸业的纸边质量控制系统，包装机冲压系统。 ( 2 ) 汽车及汽车零件制造业：燃料注入系统，液压系统，有源振动控制系统，扬声器。 ( 3 ) 海运和船舶制造业：燃料系统，阀门系统，液压系统，有源振动及降低噪音系统。 ( 4 ) 飞机工业：燃料系统，液压系统。 ( 5 ) 海军军事工业：水下声纳系统，勘测装置，声音模拟系统，地震探测系统。 ( 6 ) 海洋及近海工程业：阀门，油井勘测，地震预报及探测系统，水下通讯，海洋声学。 ( 7 ) 液压机空气阀门业：阀门，燃料控制及气体混合系统。 ( 8 ) 精密加工工业，例如浙江大学利用稀土超磁致伸缩材料的特性，开发研制了活塞异性销 孔的制造系统。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室利用稀土超磁致伸缩材料研制成 了蠕动微位移机械。 ( 9 ) 打印机制造业：墨水注入系统。 ( 1 0 ) 电子技术业：电驱动及大型旋转机械中有源振动控制系统，机器人，超高电压、大电流回 路中断路系统。 ( 1 1 ) 振动机械，建筑机械，焊接装置：地层研究( 或建筑用) 大功率振动起，塑料件焊接系统， 振动辅助机械。 ( 1 2 ) 光学与光纤维工业：微距离控制，激光器调整，照相机快门。 总之，无论是从材料研究、换能器研究、还是在生产中的应用我国都还处于起步阶段，应用 领域涉及面广，技术复杂，但是作为一种与当代高科技密切相关的新型智能材料，超磁致伸缩材 料的研究和发展必将会有广阔的前景。 1 3 课题主要研究任务 本文以超磁致伸缩材料的特性及其应用为研究对象，围绕如何对超磁致伸缩致动器的磁滞非 3 东南大学硕士学位论文 线性进行建模描述以及压曲放大机构的数值计算，如何设计前馈和反馈控制器来对磁滞非线性进 行补偿而展开，主要内容体现在以下几个方面： 1 在介绍了压曲位移放大机构和超磁致伸缩致动器结构设计及工作原理的基础上，对总体方 案的设计有了进一步的了解。 2 在对超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应数学模型的基础上。对超磁致伸缩致动器的设计，通 过仿真和实物实测( 实时控制) 对超磁致伸缩材料存在的磁滞特性，详细介绍了基本建模理论的 内容、模型表达式及推导过程，深入研究了磁致伸缩棒建模理论。 3 建立了在w i n d o w s 系统环境下，以高性能的m a r l a b s i m u l i n kr t w 雠t j 软件为核心的闭环控 制系统，包括驱动电源的研制、传感器的选择与实现、模拟量输入、输出通道的设计、以及压曲 放大机构的设计与分析。在此基础上对压曲超磁致伸缩致动器的前馈( p i d ) 和反馈两种控制方案 进行了实验研究，分别实测了执行器在不同幅值下的阶跃响应，执行器的轨迹( 定值) 跟踪曲线， 对执行器的开环和闭环控制系统的精度以及滞后性、非线性、系统误差进行了分析。 综上所述，论文主要从致动器的设计及建模理论与方法、压曲放大机构的数值计算和有限元 分析、前馈和反馈控制器设计以及执行器闭环控制系统的建立与实验研究等三个方面研究执行器 的建模和控制技术。由于目前国内关于超磁致伸缩执行器的磁滞建模与控制技术的研究较少，论 文作者查阅了大量的外文文献，对目前国外比较流行的磁滞建模理论进行了深入的分析，并对开 环和闭环两种控制方法进行了有益的实验探索，实验的结果与结论为国内在超磁致伸缩材料及其 执行器的建模与控制方面提供了崭新的研究思路和方法，必将极大的促进新型、高性能微位移压 曲超磁致伸缩致动器的研制、生产、商品化，产生很好的经济效益和社会效益。同时，也会促进 压电陶瓷、形状记忆合金等具有磁滞非线性的其它功能材料的相关研究。 4 第二章微位移放大系统总体方案的设计 第二章微位移放大系统总体方案的设计 在研究微位移系统的研究与开发中，课题首先调查了并分析了目前所采用的微位移致动器， 大多是基于压电陶瓷驱动的结构，由于超磁致伸缩致动器的机械驱动工作方式与压电陶瓷相同， 因此这里首先介绍压电陶瓷致动器及其工作原理，并对其中存在的问题进行了论述和分析，并提 出了超磁致伸缩致动器所具有的优点。在此基础上采用模块化设计的思想，确定了微位移放大进 给系统的总体结构，并对其中的微位移放大进给控制系统组成模块和信号检测模块进行了详细说 明。 2 1 目前微位移放大致动器原理的分析 对于致动器的设计，首先需要解决的问题：致动器类型的选择，如图2 1 ，目前国际上微小型 致动器采用的原理【l ”大致有以下几种：电磁驱动型、静电引力型、压电效应( 电致伸缩) 型、磁致效 应( 磁致伸缩) 型、s m a ( 形状记忆合金) 型和热膨胀型。电磁驱动型，即传统的电磁阀，目前常用的 电磁阀存在着能量消耗高、线圈升温高、噪声大以及体积大等缺点，这是由于电磁力的驱动效率 与电磁线圈的电流密度以及动铁芯的体积有关，这也是阻碍电磁致动器微型化的一个主要障碍。 压电效应型致动器具有位移控制精度高、响应快、工作频率宽等优点，但压电驱动方式的缺点是 驱动电压较高( 一般为百伏到万伏之间) 、位移量小、电绝缘要求高：另外由于迟滞效应明显，通常 要辅以升压和迟滞补偿电路，而且不易控制。形状记忆合金具有力的输出大( 约为5 0 0 m p a ) 和形变 量大( 约为5 5 ) 的优点。但其缺点是响应速度比较慢，而且形变呈阶跃性变化，因此限制了其应 用。超磁致伸缩致动器不仅具有位移控制精度高、响应快、工作频率宽等优点，并且具有位移量 大，驱动电压低的优点，是一种可选择的理想致动器。 图2 - 1 微位移致动器类型 2 i 1 压电复合刚性位移致动器 压电电致伸缩致动器可分为刚性位移致动器和谐振位移致动器。刚性位移致动器是电场感生 的单向刚性应变，而谐振位移致动器则是由交流电场激励的谐振应变( 即起声电机) 。 ( i ) 多层片式陶瓷致动器 多层片式陶瓷致动器( m i a s ) 是利用单片陶瓷电场作用下直接伸长变形，再通过多层叠加使总 的变形量达到一个较大的数值。儿a s 具有承载力大，响应速度快，位移可重复性好，体积效率高，电 5 东南大学硕士学位论文 场控制相对简单等优点，其缺点是位移量较小、电容高 ( 2 ) 双晶片弯曲致动器 d 。双晶片弯曲致动器是由两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的，其 结构如图2 - 2 所示“”。出- 双晶片弯曲致动器能得到较大的位移量，但其承载力较低。d 竹双晶片弯 曲致动器无论是位移量还是承载力较之也- 弯曲致动器都有大幅度提高，且断裂韧性较高，不易损坏 是一种性能优良、有应用前景的致动器。 ( 3 ) i c a i n b o w 致动器 r a i n b o w 是一种集还原和压电介质层于一体的新型压电致动器，1 9 9 4 年由h a e r t l i n g 首先提 出。通过将压电陶瓷p l z t 圆片在高温下由石墨还原的特殊制备工艺，大致形成压电陶瓷层和还原 层自然结合的两层结构，冷却后由于两层收缩率不同，产生了独特的拱形器件结构( 见图2 3 ) 1 1 4 o r a i n b o w 致动器能获得超大位移量，又有一定的承载能力，是一种很有发展前景的压电器件。缺点是 稳定性与带负载能力差。 图2 - 2 双晶片致动器示意图图2 - 3r a i n b o w 结构示意图 ( 4 ) g o o n i e 致动器 图2 - 4 为m o o n i e 型压电陶瓷一金属复合体结构的截面示意图f “。这种致动器可得到中等的 位移量和承载力，其工作原理如下：在外电场作用下，陶瓷体通过如作用纵向膨胀、通过出l 作用横 向收缩，而陶瓷体的横向运动通m o o n i e 结构作用转变为外套的弯曲延伸运动。所以，总的轴向位 l ，z 上久 l 、 v 一 聪电嘲诲 食猫帽 图2 - 4m o o n i e 结构示意图 i 、 图2 - 5c y m b a l 结构示意图 移来自陶瓷体的自身纵向变形和外套在d 。，作用下转变而来的弯曲变形。缺点是器件中的粘结剂使 器件在电场的作用下产生较大的蠕变，不利于位移的精密控制，特别是器件长时间在高电场作用 下或反复使用后粘结剂易与陶瓷片脱落，造成器件性能恶化，甚至出现器件断裂现象，缩短了器 件寿命。 ( 5 ) c y m b a l s 致动器 图2 - 5 是c y m b a l 型结构截面示意图【“。这种结构实际上是对g o o n i e 型结构的一种改进，不 同的是复合体中金属帽为铙钹形状。它具有比g o o n i e 型结构更简单的制作方法和更大的位移和承 载力。 上述的几种刚性位移致动器具有位移小，稳定性差，承载力小等缺点。 6 第二章微位移放大系统总体方案的设计 2 1 2 超磁致伸缩致动器 超磁致伸缩致动器主要应用在微位移进给、超精密加工、振动控制装置及水声换能器中。过 去的研究主要集中在直动型超磁致伸缩致动器的研究上，本文在结合前人研究的基础上，将压曲 位移放大机构与超磁致伸缩致动器结合在一起，达到我们设计的要求。精密仪器定位是超磁致伸 缩致动器的重要应用领域之一，本课题设计实现的压曲放大型超磁致伸缩致动器将应用在超精密 仪器的微位移定位装置上。随着科学技术的进步，超精密仪器所能达到的定位精度越来越高，因 而对微量进给机构的要求也越来越高，相应地对其微位移致动器的设计要求也就更高了。 根据精密仪器微位移定位装置的实际需求确定的压曲超磁致伸缩致动器设计要求：最大输出 力可达至u 2 0 0 n ，最大输出位移不小于4 5 0um ，响应时间不大于5 m s ，致动器的体积不大于 l o o m m x 2 0 0 m ；可保证精密仪器定位装置定位精度达到微米或亚微米级精度，致动器位移输出的线 性度较好，位移滞回较小，稳定性好，从而保证可重复性较好。 超磁致伸缩致动器设计的任务就是根据设计要求和相关己知参数，确定超磁致伸缩致动器的 总体结构、伸缩棒材料牌号、特性参数、几何尺寸、致动器的磁路结构、外围结构尺寸和驱动电 源参数等待求参数。相关已知参数主要有相对磁导率和真空磁导率等。 根据应用要求，压曲放大型超磁致伸缩致动器的总体结构通常在其基本结构的基础上增加一 定的辅助功能机构。本课题设计的压曲放大型超磁致伸缩致动器采用预压弹簧加螺母组合机构来 施加预载荷：由于精度要求高，位移放大变换由致动器外部专门的机构实现，传感器均可安置在固 定架上，因此致动器内部不需这类辅助机构。 超磁致伸缩致动器不仅结构简单、位移大、输出力强，而且机械强度高、过载能力强，易于 实现微型化并可采用无线控制。 通过以上分析可知，超磁致伸缩致动器有突出的优点和广泛的应用前景，超磁致伸缩致动器 的关键技术研究具有十分重要的意义。 2 2 微位移进给控制系统的组成模块 本课题采用模块化设计思想，设计了一套完整、经济、可行的控制系统方案，控制系统原理 如图2 - 6 所示，它主要包括以下几个主要模块： 1 ) 工业计算机及其硬件组成模块 计算机为整个控制系统的核心控制部件，它负责控制程序的运行、信号的输入和输出、数据 计算以及控制指令的发送等功能。系统的硬件还包括多功能采集卡( p c l 8 1 8 - i - i d ) ，这种数据采集 卡是计算机与外部传感器和控制器之间交换信息的通道，负责传感器信号的采集和对控制器控制 指令的传送。 2 ) 控制系统的信号检测模块 检测部分主要包括位移传感器及其信号调理器、电流传感器及其相关电路，位移传感器及信 号放大器对压曲型超磁致伸缩工作台的位移进行实时的测量和处理，电流传感器及其相关电路对 驱动线圈的电流及磁场进行测量，然后将数据传送至计算机进行分析。 3 ) 电气、机械执行模块 这里的执行机构包括自行研制的压曲放大机构及其驱动功率放大器及超磁致伸缩致动器，由 计算机输出的控制信号传送至功率放大器，由功率放大器将电压控制信号送入超磁致伸缩致动器 的励磁线圈，完成相应动作。 4 ) 控制系统的软件模块 控制系统的软件在整个控制系统中起着信息处理、分析、判断以及指令发送的作用，同时负 责人机信息的交换。在所设计的系统中，通过软件模块对由检测模块送入计算机中的数据( 包括 压曲型超磁致伸缩致动器的输出位移，励磁线圈的电流) 进行分析、处理，然后通过软件实现合 7 东南大学硕士学位论文 适的控制算法，将控制指令发送给超磁致伸缩致动器的励磁线圈，位移传感器将输出的位移经过 a d 转换卡给计算机，使三者协调动作。控制系统的软件模块将在下一章中详细介绍。 上述四个部分组成一个完整的精密仪器位置控制系统，缺一不可。 2 2 1 计算机及其硬件组成模块 图2 - 6 总体方案设计简图 数宇梗拟 信号 刊础蹴p 信号 输入输入 输出 输出 接口接口 图2 7 计算机及其硬件圈 如图2 7 所示，计算机及其硬件主要包括以下几个主要部分：工业计算机、模拟量信号输入 输出接口、数字量信号输入输出接口等。本节首先介绍控制系统的硬件配置，包括计算机的选型 和信号输入输出接口的原理，并简要阐述各部件所起的作用：然后介绍如何将其组成完整的硬件 控制系统，以及计算机是如何与外界传感器、电气部件进行信息交换的。 1 ) 工业计算机 8 第二章微位移放大系统总体方案的设计 工业计算机是整个非圆车削加工控制系统的主体设备，应能满足控制系统的实时性要求，其 主要性能指标包括c p u 字长、计算机主频、内存容量以及外部设备的连接等等。根据目前市场上 工业计算机的一般配置，选择配置奔腾芯片，3 2 位字长，主频为7 3 3 m h z ，1 2 8 m 内存，并带有四 个i s a 插槽接口。该计算机配置足以满足控制系统的要求，能够保证控制系统的正常运行。 2 ) 数据采集卡简介 由台湾研华科技公司研制的p c l 8 1 8 一肪工控卡是一款高性能快速的多功能数据采集卡，可以广 泛地应用到各种工厂和实验室中，进行数据的采集、处理控制、自动检测以及转换输出等。其主 要特点有： ( 1 ) 可用开关选择8 个差分模拟量输入或1 6 个单端模拟量输入通道； ( 2 ) 使用工业标准的1 2 位逐次逼近的转换器来转换模拟量输出，在d 姒模式下，最大采样频 率为1 0 0 k h z ： ( 3 ) 模拟量输入范围( 双极性) ：1 0 v ，5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，0 6 2 5 v ； ( 4 ) t t l d t l 可兼容的数字输入，1 6 路数字输出通道。 它不但具备数据采集的功能，而且还具备信号控制、输出的功能。通过数据采集卡，把从外 界采集的电信号转换为数字信号输入计算机，并把计算机输出的数字信号转换为模拟信号传递给 外设，可以控制外设的行为。其过程如图2 - 8 所示。 姊箨电嚣号 荣鬟嗜譬a d 一p c l s l 8 一h o 夏j ；磊j 匿一多功能数据罹筑卡 毅信号 蟊嚣罨? 稿 算帆最线 图2 - 8 数据采集卡原理 p c l 8 1 8 一肪的硬件电路主要是由模拟i o 电路、数字i 0 电路、时序控制电路、接口电路等构成， 全卡的功能由数字逻辑控制电路统一控制。 2 2 2 信号检测技术 信号检测技术是机电一体化技术的重要组成部分，是机械、电子等技术有机结合的中间环节。 在机械制造或工业过程控制中，如果要对机械动作和加工过程进行准确无误的控制，需要对位移、 转速等参数进行准确、快速、可靠的测量，并且将数据传回控制系统作进一步的处理和分析。 在微位移控制过程中，信号检测的主要作用是检测和控制运动对象使之处于预定的理想状况。 实时检查和测量各种参数的数值及其变化，发送反馈信号，构成半闭环、闭环控制。在微位移控 制过程中执行机构的动作是否和指令值一样，误差有多大，与系统中的驱动装置及传动机构的精 度和检测装置的性能有关，但检测装置的性能是起主要作用或决定性作用。 检测装置的性能主要反映在其静态特性和动态特性上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、 测量范围和量程、迟滞、零漂与温漂。动态性能主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量 的响应特性。为适应微位移控制的定位精度，要求检测装置工作可靠、抗干扰能力强；满足分辨 精度、速度和测量范围的要求；使用维护方便；易于实现高速的动态测量和处理；易于实现自动 化；成本低等“。 下面就课题中所使用的测量微位移系统放大机构的位移传感器和测量致动器线圈中的电流传 感器和检测原理做一介绍。 1 ) 接触位移传感器 目前微位移测量的传感器主要有电感式、电容式、电涡流式、激光干涉式、电阻应变式等， 它们各有优缺点及适用的场合。本实验室研制的超磁致伸缩执行器采用的是差动式电感式中的螺 管插铁型电感传感器，该传感器具有测量精度较高、频率响应特性好，且结构简单、尺寸小、重 量轻、易于实现小型化、整体化等优点。 9 东南大学硕士学位论文 垂直( 水平) 两个位移传感器相同，都是差动式电感式中的螺管插铁型电感传感器【l s l 。由两 个完全相同的单个线圈的电感传感器合用一个活动衔铁便构成了差动电感式传感器，如图2 - 9 所 示。 l 一线腰i2 一线圈3 一衔铁 ( a )( b ) 图2 - 9 差动电感式位移传感器机构原理图 为说明差动电感式位移传感器的结构原理，先介绍一下单个线圈的电感传感器。如图2 - 9 ( a ) 中，假设只有线圈2 ，且螺管内的磁场强度是均匀的，衔铁插入的深度上c 小于螺管长度厶此时 有 l l _ 掣 d 2 + 帆一1 ) l c r2 】 ( 2 1 ) 或 l 1 = 1 m 。- 1 ) 等( 2 】 ( 2 2 ) 式中，l l 单个线圈的电感量；l 。一空心螺管线圈的电感量，l 。= 4 石丁2 w 2 ；w 一单个线圈的 匝数；r 线圈的平均半径；k 一柱形衔铁的半径；卜单个螺管线圈长度；厶柱形衔铁插入到 单个螺管内的长度；。一铁芯的有效磁导率 从式2 2 可看出，当螺管结构确定后，i v , l ，r c 和a 。均为定值，而且l c 实际上为衔铁的 位移量。由此可见，螺管插铁型电感器的电感量工，与位移量x ( 工c ) 有线性关系。若衔铁上输入 一个位移x ，则螺管线圈电感的变化量为e = 三j 幻，把此式带入到2 2 中可得， f a l ：( 以一1 ) 季阳2 】 ( 2 3 ) l l， 由2 3 式表明，螺管插铁式电感传感器的电感量( 或电感相对变化量) 与输入位移量成正比，但 由于螺管内磁场强度沿轴向并非均匀，因而实际上螺管插铁传感器的工，z 并非线性。 第二章徽位移放大系统总体方案的设计 如图2 9 ( b ) ，它就是差动电感式传感器常用的工作连接桥路，当衔铁3 位于中间时，电桥处 于平衡位置，电压输出为零。当传感器工作时。即衔铁输入一个位移，此时一边的电感量增加， 一边的电感量减小，电桥失去平衡。此时根据交流电桥的工作原理，输出电压为： u s c 2 面面z z z , - - 瓦z 2 z j 3 丽u 汀 ( 2 4 ) 起初时有：z 1 。z2 2zo = ro + j c o lo ，z 3 = z 4 = r ，当传感器- r 作时有； z 1 = z o + z 1 = r o + j r o ( l o + 厶) ，z 2 = z o 一z 2 = r o + j o j ( l o a e 2 ) ，将这些式子代入 式2 4 后，可得： u s c =鸶l 二些2 ：u 盯( 2 5 ) 2 ( 2 z o + z 广z 2 ) 又z l - j m l 1 ，a z 2 _ j c o a l 2 ，所以l l = l 2 = a l ，故上式可变换为 u s c ：一u s r j 丝 ( 2 6 ) 2 r o + j 缸。 又由于传感嚣的线圈电感乩o ) ) r o ，即线圈品质因素q ( c o l o ) r o ) 很高，故又可得： u s c ：堕些 2 l o 将式2 3 代入2 7 得： ( 2 7 ) u s e = 些! ( 聊一1 ) 至( 生) 2 1 ( 2 8 ) 2 “ l 、r 。 从式2 8 可看出，输出电压的u s c 的大小与衔铁的位移量x 成正比，其相位与传感器的运动方向 有关，假设向右运动为正，且输出电压u s c 为正，则衔铁向下运动时，输出电压相位相差1 8 0 。 在实际测量中的方向判断同上述中的水平传感器。 差动电感式传感器的特性与差动变压器式类似，不再赘述。在本仪器中，垂直( 水平) 传感 器选用的也是中原量仪股份有限公司生产的d g c - - 8 z g d 型差动电感式位移传感器，外形如图 2 1 0 所示。 图2 - 1 0 上( 下) 位移传感器外形图 主要性能规格为： 重复误差：0 0 3 m 测量范围： 0 m m 测量力：0 4 5 0 6 5 n 前行程：0 5 0 8 u 总行程：3 0 u 装卡尺寸：由8 f 7 外形尺寸：巾1 2 x 9 7 m 为了保证测量时的精度，测量时的线性精度，传感器的初始行程要尽量设在平衡位置。 水平( 垂直) 接触传感器的标定在专门的标定工作台上进行，标定数据如表2 、表3 及图2 1 2 ， 图2 - 1 3 所示。 3 ) 电流传感器 1 l 东南大学硕士学位论文 为了测定驱动线圈所产生的磁场强度( h ) ， 我们用电流传感器间接测量通过驱动线圈的电 流，在励磁电路中串联一个阻值为l 欧的电阻。 如图2 1 1 ，所测量的电压信号输入到单片机控制 单元的模拟量输入通道，就为通过励磁线圈的电 w 流，然后换算为h = 二，就测得了所要的磁场 j 强度h 。 毽x 嘣 图2 1 l 电流传感器连接电路 表2 标定工作台的位移与接触传感器1 输出电压的关系 s ( m m )研”研细哪c 7 ms ( m 畸柳s ( n u n )即， o o o- 4 8 7 31 02 ”32 0 0 o 4 1 53 o o3 0 7 l o 2 0 4 3 9 71 2 01 7 0 72 2 0o 9 4 9 73 3 5 9 1 o 4 0- 3 8 5 31 4 01 1 7 72 4 01 4 8 43 4 04 0 9 7 o 6 0 3 3 1 51 6 0- 0 6 4 72 印2 0 1 43 6 04 5 7 8 o 8 0- 2 7 8 11 _ o 1 1 52 2 5 3 93 8 0