超磁致伸縮微位移驅動系統的研究

時間:2011-02-27 10:21:54 來源:

1 前言

微位移技術是精密加工和超精密加工的關鍵技術之一，被廣泛應用于超精密加工中，以調整工具、保證工件的加工尺寸精度和表面質量。如超精密車削中，金剛石刀具的切深微調要保證在亞微米級的精度：在超精密磨削中，砂輪的微進給量要求達到百分之幾微米；用于超精密機床的誤差補償微量進給機構，其位移精度要求更高。近年來，隨著大規模和超大規模集成電路的迅速發展，微機械研究的興起，以及與之相應的微操作的迫切需要，對微位移技術提出了越來越高的要求，要求其定位精度高、響應速度快、轉換效率高、功率密度大。

目前，隨著一些新型功能材料的出現，為微位移及其相關的研究又開拓了一片新的領域。本文著重對基于超磁致伸縮材料——一種新型的電(磁)—機械能轉換材料的微位移驅動系統進行研究。

2 超磁致伸縮材料及其驅動原理

稀土鐵系超大磁致伸縮材料是一種新型、高效的磁(電)一機械能轉換材料，是繼稀土永磁、稀土發光、稀土高溫超導材料之后興起的又一種稀土功能材料，是由美國水面武器中心的Clark博士于20世紀70年代初首先發現的在室溫和低磁場下有很大的磁致伸縮系數的三元稀土鐵化合物。與壓電材料(PZT)及傳統的磁致伸縮材料鎳、鉆等相比，超磁致伸縮材料具有獨特的性能：在室溫下的應變值很大，是鎳的40～50倍，是壓電陶瓷的5～8倍；能量密度高 (14000～25000J/m³)，是鎳的400～500倍，是壓電陶瓷的10～14倍；機電藕合系數大(0.72) ；響應速度快(達到µs級)；輸出力大，可達220～880N。

1.冷卻水管 2.出水口 3.可控恒流源 4.進水口 5.超磁致伸縮材料 6.預壓彈簧 7.變形部分 8.永久磁鐵 9.導磁體 10.驅動線圈

圖1 超磁致伸縮材料驅動原理簡圖

超磁致伸縮材料的特性可由磁致伸縮方程表示，式(1)和式(2)是考慮熱變形的磁致伸縮方程式。

e=s^Hs+dH+a∆T	(1)
B=ds+m^sH	(2)

式中：e、H、B、s和d分別表示超磁致伸縮材料的應變、平均磁場強度、磁感應強度、內應力和磁致伸縮應變系數；a和∆T分別表示超磁致伸縮材料單位長度的熱膨脹系數和平均溫升；s^H和m^s分別表示超磁致伸縮材料的柔度系數和磁導率，它們分別受磁場強度及應力的影響。

圖1 是筆者根據超磁致伸縮材料的驅動特性所采用的驅動原理簡圖。圖中，導磁體9、永久磁鐵8與超磁致伸縮材料5組成閉合磁路，以減少磁泄漏；預壓彈簧6給超磁致伸縮材料5提供一定的預壓力，以增大其伸長量；超磁致伸縮材料5的驅動磁場是由永久磁鐵8產生的偏置磁場與驅動線圈10產生的變化磁場疊加而成，并通過改變可控恒流源3的驅動電流以產生相應的微位移；為了抑制由于驅動線圈10的發熱而引起的超磁致伸縮材料5的熱伸長，采用通入恒溫水的方法將超磁致伸縮材料的溫升控制在一定范圍內。

3 系統的組成及工作原理

圖2 超磁致伸縮微位移驅動系統的組成原理框圖

圖2 是超磁致伸縮微位移驅動系統的組成原理框圖。從圖中可知：本系統的核心是內置單片機的超磁致伸縮執行器驅動電源，單片機通過讀取按鍵的設定值來調用相對應的程序，并將相應的輸出電流的數字量經D/A轉換器轉換為-5～+5V的電壓信號，功率放大部分再將其放大為-3～+3A的電流信號，以使驅動線圈產生相應的磁場來驅動超磁致伸縮材料，然后將超磁致伸縮材料產生的位移通過執行機構傳遞出來。

為了提高超磁致伸縮微位移驅動系統的控制精度，減小滯回等非線性特性，筆者通過霍爾傳感器直接對超磁致伸縮材料的驅動磁場進行監測，并通過位移傳感器實現了輸出位移的閉環控制。并加入了恒溫水冷卻系統，以抑制由于驅動線圈的發熱而引起超磁致伸縮材料的熱伸長。超磁致伸縮材料的微位移和輸出力的傳遞是整個系統設計的難點和重點之一，普通的傳動副的微位移精度低，并且存在摩擦和爬行現象，難以滿足微米、納米級微位移驅動精度的要求。因此設計了一種中心厚、邊緣薄、周邊固支的圓形膜片做為該微位移執行器的傳遞機構，這種結構不僅具有柔性鉸鏈的零件少、無摩擦、無磨損、無傳動間隙、自身具有回程反力等優點，同時還具有柔性部分在變形時無應力集中、疲勞強度高、制造較為容易等特點。

本系統不僅可以采用單片機控制，還可以通過RS-232 串行口，實現與上位微機之間的數據交換和微機控制。

4 實驗結果及微進給精度分析

我們對所研制的超磁致伸縮微位移驅動系統進行了實驗研究。實驗中采用的超磁致伸縮棒的直徑為Ø11mm，長度為88mm；位移傳感器選用中原量儀廠生產的高精度電感測微儀；磁場傳感器選用中科院半導體所生產的霍爾片；特斯拉計選用首都師范大學生產的PG-5型特斯拉計。

圖3 磁感應強度與位移曲線

將實驗裝置置于隔振平臺上，首先通入恒溫水預熱一段時間，并通入電流對超磁致伸縮材料訓練數次。然后，通入連續變化的電流，采用電感測微儀測出超磁致伸縮微位移驅動系統的輸出位移，并通過霍爾傳感器測出相應的磁感應強度。圖3是系統的輸出位移與磁感應強度的關系曲線。

由圖3可知，系統的輸出位移可達40µm。由于本系統采用了磁感應強度作為控制量，在一定程度上減小了滯回系數，提高了位移輸出的重復性和控制精度。但是，當驅動磁場低于200mT時，系統的位移輸出較小，并且滯回系數較大，因此在實際使用時，應盡量避免使用這段曲線。

我們同時還對系統的微進給閉環系統采用通入恒溫水的辦法將系統的熱伸長抑制在很小的范圍內，同時采用位移傳感器進行了補償，因此系統的誤差主要由傳感器的誤差和微位移驅動系統的最小步距兩部分組成。根據誤差合成理論，將上述兩項誤差合成為系統的微位移誤差為

s=(s_傳²+s_s²)^½

(3)

式中：s_傳——傳感器誤差

s_s——驅動系統的最小步距

驅動系統的最小步距s，是由D/A轉換器的分辨率、驅動磁場的變化范圍和系統的輸出位移與磁感應強度的關系曲線的最大斜率三部分共同決定的。本系統選用的D/A轉換器AD7521的分辨率為12位，驅動磁場的變化范圍為677.4mT，并且系統的輸出位移與磁感應強度的關系曲線的最大斜率K_max可由圖3得出：K_max=0.00873µm/T，則微進給系統的最小步距可由下式求得

s_s=	677.4	K_max=0.014µm

	2¹²-1

對于傳感器誤差。傳可以采用精度更高的傳感器對其進行實驗測定。通過實測，本系統的傳感器誤差不大于0.1µm。由式(3)可得系統的微位移誤差為 s=(0.1²+0.014²)^½≈0.101µm

由上式可知，系統的微位移誤差主要是由傳感器的誤差引起的，如果選用更高精度的位移傳感器，將會大幅度提高系統的微位移精度。

5 結束語

采用超磁致伸縮材料這種新型的功能材料作為微位移器件，研制成功了微位移驅動系統。通過實際測定，系統的輸出位移可達40µm，閉環控制誤差不大于0.101µm，并具有滯回小和輸出力大、重復性好、控制精度高等優點。

本系統不僅可以應用于精密機床刀具或工作臺的微動進給，還可作為一個頻率和振幅可調的激振源應用于其它領域。

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