超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動器的實驗研究

公 濤，李國康

（沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

超磁致伸縮材料是最近幾年在國內(nèi)發(fā)展起來的可實現(xiàn)電磁能－機(jī)械能高效轉(zhuǎn)換的新型材料。超磁致伸縮微材料位移驅(qū)動器（GMA）是稀土超磁致伸縮材料（GMM）的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，GMM因其能量密度高、承載大、可伸縮和響應(yīng)快等優(yōu)點在驅(qū)動器領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1 超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動器工作原理及組成

超磁致伸縮材料本身的工作特性可依據(jù)磁致伸縮方程進(jìn)行描述，其應(yīng)變值ε不僅受預(yù)緊力大小的影響，還受材料中磁場強(qiáng)度的影響，在精密定位的應(yīng)用場合中還需考慮驅(qū)動線圈發(fā)熱引起的材料熱變形的影響，故表示為：

其中：s為棒長度方向的柔性系數(shù)；σ為棒長度方向的應(yīng)力；d為磁場伸縮應(yīng)變常數(shù)；H 為驅(qū)動磁場強(qiáng)度；α為居里溫度系數(shù)；T為居里溫度。

圖1為穩(wěn)定狀態(tài)時超磁致伸縮材料磁場強(qiáng)度H與磁致伸縮系數(shù)λ的關(guān)系曲線。測試時環(huán)境溫度為210℃，預(yù)壓力為10 MPa。

圖1 磁場強(qiáng)度H與磁致伸縮系數(shù)λ的關(guān)系

我們根據(jù)廠家的要求及超磁致伸縮材料的工作特點設(shè)計微位移驅(qū)動器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，它主要由預(yù)緊機(jī)構(gòu)、放大機(jī)構(gòu)、冷卻裝置、驅(qū)動線圈、驅(qū)動器套筒以及各種支承元件組成，微位移驅(qū)動器的核心為超磁致伸縮材料棒。

超磁致伸縮材料的驅(qū)動磁場由驅(qū)動線圈中通入的按一定規(guī)律變化的電流產(chǎn)生；位移傳遞和放大機(jī)構(gòu)基于杠桿原理和相似三角形原理設(shè)計而成。

圖2 微位移驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖

2 微位移驅(qū)動器的設(shè)計理論及研究方法

2.1 微位移驅(qū)動器預(yù)緊機(jī)構(gòu)

通過大量的實驗研究，我們了解到：針對不同的超磁致伸縮材料棒和不同的加工精度要求，對超磁致伸縮材料棒施加的預(yù)緊力也不盡相同。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力不僅可以提高加工精度以及增強(qiáng)材料的抗拉能力，更能提高材料伸長對磁場的靈敏度。

目前大多采用可調(diào)節(jié)螺釘預(yù)緊機(jī)構(gòu)，雖然這種機(jī)構(gòu)便于調(diào)節(jié)，但是我們不能確定調(diào)節(jié)后準(zhǔn)確的預(yù)緊力，更不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)到最佳預(yù)緊力位置，因此本文設(shè)計了彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

因為實際加工時，刀尖處于水平位置，設(shè)計的預(yù)緊機(jī)構(gòu)既要滿足預(yù)緊力要求又需要滿足刀尖位置要求，因此我們必須精確測量墊塊角度。測量方法如下：將彈簧板固定在水平測量臺上，用千斤頂在圖3的A點施加400 N（在已確定超磁致伸縮材料參數(shù)的前提下進(jìn)行預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計時，可預(yù)先選取最佳預(yù)緊力F＝400 N作為已知條件）的預(yù)緊力（壓力傳感器測量），并用光柵尺測量圖3中C點的位移，測試裝置如圖4所示。

圖3 彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)原理圖

圖4 測量裝置簡圖

用光柵尺反復(fù)測量10組數(shù)據(jù)，見表1。然后根據(jù)如下圓心角公式計算墊塊的角度：

θ＝180°L／R .

其中：L為弦長；R為半徑。

因為R＝19μm為已知條件，L的平均值為0.338 μm，所以可以算得：墊塊角度θ＝3°。加工3°墊塊，然后再用圖4測量裝置驗證角度是否正確。驗證方法為：按圖3所示的裝配將彈簧板固定，然后用千斤頂施加作用力，當(dāng)彈簧板處于水平位置時，讀取壓力傳感器的示數(shù)，反復(fù)測量10組數(shù)據(jù)，見表2。

表1 光柵尺測量的10組數(shù)據(jù)

由表2可得其平均值F＝400.4 N，誤差為0.001，小于允許誤差0.002，因此得出結(jié)論：墊塊角度為3°是正確的。

由于彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、誤差小，因此可以作為高精密驅(qū)動器的最佳預(yù)緊機(jī)構(gòu)。

表2 由壓力傳感器測得的預(yù)緊力

2.2 微位移驅(qū)動器放大機(jī)構(gòu)

超磁致伸縮材料輸出力的傳遞和微位移的放大是微位移驅(qū)動器最需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，要求具有放大比例適宜、重復(fù)定位精度高、具有回程反力、摩擦阻力小、傳動效率高等特點。

以前設(shè)計的微位移放大機(jī)構(gòu)是杠桿放大機(jī)構(gòu)，由于受自身原理及結(jié)構(gòu)形式的限制而造成輸出不穩(wěn)定且位移非線性，無法滿足精密機(jī)床的高精度曲面加工要求。本文中設(shè)計的微位移驅(qū)動器是基于相似三角形原理和杠桿原理，利用對應(yīng)邊成比例和單級杠桿的方式作為放大機(jī)構(gòu)。

微位移驅(qū)動器結(jié)構(gòu)中三角形－杠桿放大機(jī)構(gòu)可簡化為如圖5所示的原理簡圖。當(dāng)超磁致伸縮棒作用在剛性杠桿點A時，杠桿繞支點O轉(zhuǎn)動，由B點輸出放大位移，用光柵尺測量A點位移為Ka、B點的位移為Kb，所以實際放大倍數(shù)為：

圖5 三角形－杠桿放大機(jī)構(gòu)簡圖

用圖4中測量裝置反復(fù)測量10組數(shù)據(jù)，得到的Ka和Kb測量值見表3。

表3 位移Ka和K b的測量值

然后由式（3）算出其實際平均放大倍數(shù)K＝2.99。

設(shè)計時必須根據(jù)加工要求選擇適宜的放大倍數(shù)，一般可選2～3倍，放大倍數(shù)過大易造成位移損失、加工精度降低以及杠桿轉(zhuǎn)動處阻力過大。

3 微位移驅(qū)動器工作性能實驗研究和結(jié)果分析

為了檢驗上述設(shè)計理論是否真正解決了超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動器在精密定位控制中存在的遲滯和位移非線性等問題，研制了如圖6所示的微位移驅(qū)動器，并對其實際輸出位移和線性度進(jìn)行測試。

圖6 微位移驅(qū)動器

本文所選用的超磁致伸縮材料棒的參數(shù)為：電導(dǎo)率為1.877×106（Ω·m）－1，尺寸為Φ30 mm×500 mm，磁致伸縮系數(shù)為1.2×10－7m·A－1，彈性模量為3.43×1010N／m2。驅(qū)動器的主要設(shè)計參數(shù)為：驅(qū)動線圈內(nèi)徑R1＝15 mm，外徑R2＝45 mm，線圈長度為500 mm，預(yù)緊力為400 N，繞線直徑D＝2 mm，驅(qū)動線圈匝數(shù)為3 000匝，驅(qū)動線圈電阻為5Ω，刀尖與固定點的距離d＝60 mm。實驗得到的刀尖位移曲線見圖7。圖7中的電流為驅(qū)動線圈的電流，其變化為由弱到強(qiáng)再到弱，相應(yīng)位移由小到大再到小，電流20 A為根據(jù)加工需要的位移補(bǔ)償決定的最大電流。棒處位移曲線見圖8。

圖7 刀尖位移曲線

由圖7中可知，采用三角形－杠桿放大的超磁材料位移驅(qū)動器輸出位移最大可達(dá)550μm，可完全滿足我們機(jī)床的位移要求－50μm～＋50μm，更能滿足大位移量輸出。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，電流過大產(chǎn)生的熱量將成為影響加工的主要原因，所以電流應(yīng)小于20 A，此時電流產(chǎn)生的熱量可忽略不計。

4 實驗結(jié)論

基于超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動器的設(shè)計理論和方法設(shè)計了驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，通過實驗驗證了其能真正解決超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動器在精密定位控制中存在的遲滯和位移非線性等問題，并且具有輸出位移大、結(jié)構(gòu)緊湊、重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、驅(qū)動電壓低、無疲勞老化等特點。本文中所提出的三角形－杠桿放大機(jī)構(gòu)可滿足穩(wěn)定輸出較大位移并精確可控的要求，這為超磁致伸縮材料在微位移驅(qū)動器中的深入應(yīng)用提供了有力保證。

圖8 棒處位移曲線

［1］ 吳博達(dá)，鄂世舉，楊志剛，等.壓電驅(qū)動與控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2003，39（10）：79－85.

［2］ Visone C，Sperpico C.Hysteresis operators for the modeling of magnetostrictive materials［J］.Journal of Physica B，2001，306：78－83.

［3］ 王昌，李強(qiáng).新型微位移驅(qū)動器的研究［J］.機(jī)械工程材料，2003，27（1）：35－37.

［4］ Anjanappa M Bi J.A theoretical and experimental study of magnetostrictive mini－actuators［J］.Smart Mater Struct，1994（3）：83－91.

［5］ 呂春蘭，王立國，孟亞男，等.基于模糊自整定PID參數(shù)控制器的設(shè)計［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2002，19（2）：33－44.

［6］ 易繼銷，侯媛彬.智能控制技術(shù)［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［7］ 謝鵬程，鄧榮堅，楊衛(wèi)民，等.超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動的設(shè)計與實驗研究［J］.宇航學(xué)報，2008，29（3）：30－35.

［8］ 李國康，楊申.超磁致伸縮微位移系統(tǒng)的模糊PID控制方法［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011（6）：1025－1027.