淺談智能材料- 磁流變液在智能制造中的應(yīng)用

史宇

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司執(zhí)行器分公司，重慶 401121)

1 概述

磁流變(Magneto-Rheological(MR))材料最早于1948 年被美國(guó)學(xué)者Robinow[1]發(fā)現(xiàn)，磁流變材料在沒(méi)有增加磁場(chǎng)的情況下，載體液中磁性顆粒隨機(jī)分布，流變特性表現(xiàn)為具有各向同性的類(lèi)牛頓狀態(tài)。而加入磁場(chǎng)后，其物理性質(zhì)馬上發(fā)生變化，在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了一個(gè)偶極矩，該偶極矩與鐵粒子中的磁場(chǎng)對(duì)齊，并且使這些粒子形成了與之平行的線(xiàn)性鏈，其流變特性表現(xiàn)為半固體狀態(tài)，且發(fā)生這種現(xiàn)象的時(shí)間在毫秒級(jí)別內(nèi)。撤回磁場(chǎng)后，磁鏈結(jié)構(gòu)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)崩塌，再次表現(xiàn)為類(lèi)牛頓流狀態(tài)。這里展現(xiàn)了磁流變材料的快速響應(yīng)性能和可逆的性能。磁流變材料憑借優(yōu)良的物理性質(zhì)在沖擊領(lǐng)域、緩沖領(lǐng)域、智能制造領(lǐng)[2-5,7]域有著廣泛的運(yùn)用。智能制造發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出自動(dòng)化、集成化、信息化、綠色化[6]。自動(dòng)化和智能化是智能制造的重要發(fā)展趨勢(shì)，一方面表現(xiàn)在能根據(jù)用戶(hù)的需求完成制造的過(guò)程自動(dòng)化，并對(duì)制造對(duì)象和制造環(huán)境具有高度適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的優(yōu)化。另一方面，環(huán)境友好與高效的資源利用率是智能制造應(yīng)對(duì)資源、能源壓力的內(nèi)在要求。在智能制造過(guò)程中，智能材料-磁流變材料對(duì)于設(shè)備的可持續(xù)使用性、儀器儀表的靈活性能、產(chǎn)品的質(zhì)量保證等都顯現(xiàn)出身影，磁流變材料在智能制造中有著廣泛的應(yīng)用，如國(guó)防科技大學(xué)[7]通過(guò)磁流體拋光應(yīng)用過(guò)程中工件的定位要求較高的實(shí)際需求，提出了工件自定位的測(cè)量方法。

2 磁流變材料在自動(dòng)控制原件- 磁粉機(jī)中的應(yīng)用

2.1 磁粉機(jī)介紹

磁粉機(jī)(如圖1 所示)又稱(chēng)為磁粉制動(dòng)器，是一種利用磁粉的磁場(chǎng)特性產(chǎn)生作用力，而磁場(chǎng)又是通過(guò)電流控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)將磁粉的這種作用力轉(zhuǎn)換為阻尼制動(dòng)。具有輸入電流與輸出阻尼力基本成線(xiàn)性比例的特點(diǎn)，因此常用于制動(dòng)控制系統(tǒng)或者阻尼力測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 磁粉機(jī)

2.2 磁粉機(jī)工作原理

磁粉機(jī)工作介質(zhì)是具有較好導(dǎo)磁特性的鐵粉或者鎳粉，當(dāng)線(xiàn)圈通入電流時(shí)，在磁路上形成閉合的磁場(chǎng)，鐵粉或者鎳粉在磁場(chǎng)的作用下形成一種磁粉鏈，旋轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)剪切這種磁粉就形成了阻尼力。其結(jié)構(gòu)主要包括：旋轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)盤(pán)、固定盤(pán)、線(xiàn)圈與工作介質(zhì)。當(dāng)線(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，工作價(jià)值形成磁鏈的大小將發(fā)生改變，磁鏈將轉(zhuǎn)盤(pán)和固定盤(pán)聯(lián)系起來(lái)并隨電流變化而改變，與轉(zhuǎn)盤(pán)連接的旋轉(zhuǎn)軸將這種變化傳遞給工件，即形成制動(dòng)力或者阻尼力。當(dāng)沒(méi)有電流輸入時(shí)，工作介質(zhì)不作用，轉(zhuǎn)盤(pán)與固定盤(pán)沒(méi)有聯(lián)系，轉(zhuǎn)軸不輸出制動(dòng)力。

2.3 磁粉機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用研究

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行平穩(wěn)、在啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、制動(dòng)的狀態(tài)下，沖擊和振動(dòng)均與運(yùn)行速度相關(guān)，低速運(yùn)行下表現(xiàn)良好。

缺點(diǎn)：由于工作介質(zhì)在工作腔內(nèi)很難保障均勻特性與受控制濕度影響巨大，因此輸出阻尼力會(huì)出現(xiàn)頓挫、不均勻跳動(dòng)甚至是結(jié)坨卡死轉(zhuǎn)盤(pán)。對(duì)于磁粉制動(dòng)器的研究開(kāi)發(fā)，研究人員通過(guò)精確建模和改善工作介質(zhì)等研究，研究者基于粒子群算法提出了改進(jìn)的磁路模型，以及將工作介質(zhì)粒徑加大等方式來(lái)獲得更高的制動(dòng)力矩。同時(shí)，在影響加載質(zhì)量與快速性上，研究人員采用底的磁滯效應(yīng)的磁路材料來(lái)提升響應(yīng)時(shí)間。針對(duì)磁粉制動(dòng)器一階慣性滯后的系統(tǒng)特點(diǎn)，各類(lèi)算法都具有一定的局限性，其主要原因是被控制量與輸入在時(shí)間上的不同步，導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量過(guò)大，需要整定調(diào)諧的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯變差，進(jìn)而表現(xiàn)在系統(tǒng)的控制是算法設(shè)計(jì)上的難度大大增加。

2.4 解決缺點(diǎn)的方法

磁粉機(jī)核心的原理是利用電磁效應(yīng)使得磁粉在磁力線(xiàn)作用下形成磁粉鏈，但是由于可能長(zhǎng)時(shí)間靜置、不使用或者運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生震動(dòng)使得磁粉掉落一邊導(dǎo)致卡死?；蛘呤且?yàn)榭諝庵械乃质沟么欧郯褰Y(jié)等，這些都要影響磁粉機(jī)的輸出性能，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的驗(yàn)證發(fā)生。智能材料中的磁流體材料作為一種先進(jìn)的智能材料，可以很好的解決這些問(wèn)題。并且磁流體材料具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、磁控特性和微秒級(jí)的可逆變化特性，是一種替代磁粉的最為有效的材料。同時(shí)，由于磁流變材料的沉降問(wèn)題在如今已經(jīng)得到了很好的解決，如重慶大學(xué)[8]研究出的磁流變膠泥經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)1 年的靜置沉降發(fā)生現(xiàn)象也是不明顯的，如圖2 所示，且磁性顆粒分布均勻，故采用磁流變材料可以很好的解決磁粉機(jī)磁粉散落導(dǎo)致卡死情況。

圖2 磁流變膠泥靜置365 天后泥線(xiàn)目視觀測(cè)結(jié)果

磁粉機(jī)在使用前一般要預(yù)熱半個(gè)小時(shí)，顯然效率是不夠高的，而采用磁流變材料后可以大大提高效率，磁流變材料從液體到半固體的轉(zhuǎn)換時(shí)間通常在毫秒級(jí)別，故采用磁流變材料可以提工作效率。

2.5 采用磁流變材料的磁粉機(jī)

如圖3 所示，核心部分為磁流變阻尼體9，采用的材料為磁流變液體，經(jīng)加載電流后，磁流變材料發(fā)生磁流變效應(yīng)，在瞬間將類(lèi)牛頓介質(zhì)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，傳遞扭矩，經(jīng)力扭矩傳感器7 可以轉(zhuǎn)矩值傳遞出去，連接法蘭1 作為支撐，扭矩經(jīng)聯(lián)軸器6 將扭矩傳遞給連接軸2，連接軸2 就可將扭矩傳遞給與之連接，并且在傳遞扭矩過(guò)程中，由軸向支撐8 和導(dǎo)向支撐3 保證扭矩不會(huì)偏移導(dǎo)致整個(gè)工作臺(tái)發(fā)生震動(dòng)。

圖3 制動(dòng)器原理圖

基于磁流變液的磁粉機(jī)工作原理：安裝在法蘭連接座1上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)中心軸花鍵槽2 將轉(zhuǎn)矩傳遞到磁流變阻尼本體9 的中心轉(zhuǎn)軸上，安裝在中心轉(zhuǎn)軸上的中間旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁剪切盤(pán)在轉(zhuǎn)矩的作用下剪切阻尼體內(nèi)固定導(dǎo)磁盤(pán)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁板之間填充的磁流變流。磁流體與固定導(dǎo)磁盤(pán)、旋轉(zhuǎn)剪切盤(pán)、導(dǎo)磁筒、上下導(dǎo)磁蓋板之間形成磁通路。通過(guò)控制箱控制繞置在隔磁筒上的勵(lì)磁線(xiàn)圈中電流的大小，使得上述磁通路中磁場(chǎng)的大小發(fā)生改變。而在間歇內(nèi)的磁流變液在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁流變效應(yīng)，使得剪切應(yīng)力發(fā)生改變，從而使得剪切盤(pán)旋轉(zhuǎn)阻尼力增大，進(jìn)而將這種阻尼力轉(zhuǎn)換成中心旋轉(zhuǎn)軸輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)設(shè)置在中心軸上的力矩傳感器7 即可獲得被測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等。

3 磁流變材料在表面質(zhì)量控制方面的應(yīng)用

3.1 表面質(zhì)量的重要性

表面質(zhì)量是加工制造和設(shè)備正常運(yùn)行的非常重要量，往往表面損壞即使一個(gè)設(shè)備出問(wèn)題的開(kāi)始，而經(jīng)加工過(guò)后的表面都存在不同的粗糙度，這種粗糙度主要由波紋、裂紋及冷硬等缺陷構(gòu)成。而就是這么極薄的一層，對(duì)零部件甚至整機(jī)的影響是非常重要的。隨著精密化、高速化、多功能發(fā)展的需求加大，現(xiàn)代化的設(shè)備對(duì)工作溫度、壓力、速度、應(yīng)力等要求提高，對(duì)于任何的表面缺陷都會(huì)加速零件的失效。因此，必須重視機(jī)械加工表而質(zhì)量。

3.2 提高表面質(zhì)量的方法

提高表面質(zhì)量的方法有很多，比如說(shuō)在加工時(shí)注意提高切削速度，這樣可以有效防止積屑瘤的產(chǎn)生；減少刀具的進(jìn)給量、主偏角以及提高刀具的前角等策略也可以合理的提高表面質(zhì)量。不過(guò)最終的表面質(zhì)量控制方法一般都是研磨，因?yàn)檠心タ梢允沟霉ぜ@極高的表面質(zhì)量。當(dāng)前磁性磨具按照工作介質(zhì)主要分為磁粉磨和磁流變膠基柔性磨。由于磁粉磨采用的是分散顆粒，使得設(shè)備的制作成本高，而且磁粉飛散導(dǎo)致重復(fù)利用率底。磁流變膠基柔性磨介質(zhì)采用聚合物與鐵磁顆粒混合制成柔性材料，具有一定的柔韌性和自適應(yīng)性，使得工件表面光滑處理過(guò)程中具有教好的表面貼合，使得各種復(fù)雜曲面、異形面、溝槽等均能使用。

3.3 使用磁流變材料對(duì)智能研磨的優(yōu)點(diǎn)

3.3.1 零件拋光后，被拋光表面獲得高質(zhì)量的光學(xué)特性。

3.3.2 有比較強(qiáng)的可控性，通過(guò)精確的控制電流和定位，可以處理較復(fù)雜的工藝表面。

3.3.3 擁有非常高的去除效率。

3.3.4 利用液體的流動(dòng)性，使得傳統(tǒng)的因控制不當(dāng)造成的刀具損壞，或者加工過(guò)程中的堵塞造成的設(shè)備故障等問(wèn)題得到解決。

3.3.5 獨(dú)特的磁流變效應(yīng)剪切拋光，使得拋光的速度、精度等均可以獲得教好的控制，同時(shí)還可以完成諸如納米級(jí)別厚度的精確拋光，而且可以零損傷的被拋光零件表面。

故磁流變材料對(duì)于提高智能制造過(guò)程中表面質(zhì)量的效果是明顯的，可以極大的提高效率和質(zhì)量。

4 磁流變材料在智能傳感器中的應(yīng)用

4.1 智能傳感器在智能制造中的作用

當(dāng)我們提到智能制造，智能制造實(shí)施的關(guān)鍵步驟首先被提出：狀態(tài)感知→實(shí)時(shí)分析→自動(dòng)決策→精準(zhǔn)執(zhí)行[9]。其中第一步是基礎(chǔ)、是關(guān)鍵、狀態(tài)感知是通過(guò)智能傳感器準(zhǔn)確感知設(shè)備或系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。智能傳感器將“感知”和“認(rèn)知”結(jié)合起來(lái)，可以感知系統(tǒng)各種現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)判斷、推理功能，沒(méi)有傳感器，就沒(méi)有采集信息、數(shù)據(jù)的功能，所有制造基礎(chǔ)無(wú)從下手，智能制造的地基如同空中樓閣。故智能制造是由智能傳感器作為基礎(chǔ)的，其重要性不可言語(yǔ)。

4.2 基于磁流變材料的傳感器

關(guān)靜[10]等基于磁場(chǎng)變化引起磁流體折射率的變化的理論，提出了一種了基于磁流體的長(zhǎng)周期光纖光柵(long period fiber grating, LPFG)光學(xué)電流傳感器(如圖4 所示)，根據(jù)可知LPFG 波長(zhǎng)受到環(huán)境折射率的影響，通過(guò)LPFG的耦合模理論確定其波長(zhǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)平行光波方向作用時(shí)，磁流體折射率與磁場(chǎng)大小存在特定遞增關(guān)系，再由LPFG 的環(huán)境折射率敏感特性，利用磁場(chǎng)與電壓之間的遞增關(guān)系，達(dá)到電流電流傳感的目的。該傳感器具有體積小、無(wú)磁滯等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)，具有與電力監(jiān)測(cè)高度契合特性。同時(shí)，對(duì)于在智能制造過(guò)程中對(duì)于電流敏感性較大的場(chǎng)合可應(yīng)用。

圖4 傳感器實(shí)物圖

胡國(guó)清[11]等提出磁流變新型微加速度傳感器，如圖5 所示。當(dāng)對(duì)磁流體施加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變材料發(fā)生磁流變效應(yīng)，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)由液體變?yōu)榘牍腆w，除了流變特性發(fā)生變化，磁流變流體的介電常數(shù)也發(fā)生改變，電容極板由兩部分組成，分別是懸臂梁和質(zhì)量快，且與兩測(cè)固定板構(gòu)成差分電容，當(dāng)有加速度信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)候，質(zhì)量塊受慣性力發(fā)生位移，電容間隙發(fā)生變化，同時(shí)差分電容也發(fā)生變化，進(jìn)而可得到加速度的值。輸入電壓和加速度的關(guān)系由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)決定，極板的變形與電壓的關(guān)系取決于加速度的大小，于是輸入與輸出就建立起了明確的聯(lián)系。最終實(shí)驗(yàn)表面此傳感器穩(wěn)定耐用、動(dòng)態(tài)范圍廣。

圖5 微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

先進(jìn)材料是衡量現(xiàn)代科技和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，是制造業(yè)皇冠頂端的明珠。智能材料是21 世紀(jì)的尖端科技之一，作為一種智能控制載體及其應(yīng)用將對(duì)工業(yè)安全產(chǎn)生重要的影響。面向機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的智能測(cè)試技術(shù)屬于前沿交叉學(xué)科領(lǐng)域，直接決定了基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展水平，同時(shí)也反映了國(guó)家的科技、軍事等綜合競(jìng)爭(zhēng)力。隨著智能制造的快速發(fā)展，智能材料在其中的作用表現(xiàn)的非常出色，產(chǎn)品質(zhì)量、自動(dòng)化原件以及智能傳感器需要智能儀器，智能儀器一方面需要擁有互聯(lián)網(wǎng)，另一方面需要智能材料作為介質(zhì)，這是制造趨智能化的重要物理介質(zhì)。如何將智能材料和智能制造搭配更加優(yōu)勝、如何提高智能制造的效率將是長(zhǎng)期研究的問(wèn)題。因此，加快基礎(chǔ)行業(yè)測(cè)試共性關(guān)鍵技術(shù)的研究，著力推進(jìn)工業(yè)發(fā)展質(zhì)量，推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)，改善人民生活水平具有重要意義。