1 前言
微位移技術(shù)是精密加工和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于超精密加工中，以調(diào)整工具、保證工件的加工尺寸精度和表面質(zhì)量。如超精密車削中，金剛石刀具的切深微調(diào)要保證在亞微米級的精度：在超精密磨削中，砂輪的微進(jìn)給量要求達(dá)到百分之幾微米；用于超精密機(jī)床的誤差補(bǔ)償微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)，其位移精度要求更高。近年來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，微機(jī)械研究的興起，以及與之相應(yīng)的微操作的迫切需要，對微位移技術(shù)提出了越來越高的要求，要求其定位精度高、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大。
目前，隨著一些新型功能材料的出現(xiàn)，為微位移及其相關(guān)的研究又開拓了一片新的領(lǐng)域。本文著重對基于超磁致伸縮材料——一種新型的電(磁)—機(jī)械能轉(zhuǎn)換材料的微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。
稀土鐵系超大磁致伸縮材料是一種新型、高效的磁(電)一機(jī)械能轉(zhuǎn)換材料，是繼稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土高溫超導(dǎo)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(jì)70年代初首先發(fā)現(xiàn)的在室溫和低磁場下有很大的磁致伸縮系數(shù)的三元稀土鐵化合物。與壓電材料(PZT)及傳統(tǒng)的磁致伸縮材料鎳、鉆等相比，超磁致伸縮材料具有獨(dú)特的性能：在室溫下的應(yīng)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(jī)電藕合系數(shù)大(0.72) ；響應(yīng)速度快(達(dá)到µs級)；輸出力大，可達(dá)220～880N。
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。
圖1 是筆者根據(jù)超磁致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)特性所采用的驅(qū)動(dòng)原理簡圖。圖中，導(dǎo)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(yù)壓彈簧6給超磁致伸縮材料5提供一定的預(yù)壓力，以增大其伸長量；超磁致伸縮材料5的驅(qū)動(dòng)磁場是由永久磁鐵8產(chǎn)生的偏置磁場與驅(qū)動(dòng)線圈10產(chǎn)生的變化磁場疊加而成，并通過改變可控恒流源3的驅(qū)動(dòng)電流以產(chǎn)生相應(yīng)的微位移；為了抑制由于驅(qū)動(dòng)線圈10的發(fā)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(nèi)。
圖2 是超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成原理框圖。從圖中可知：本系統(tǒng)的核心是內(nèi)置單片機(jī)的超磁致伸縮執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源，單片機(jī)通過讀取按鍵的設(shè)定值來調(diào)用相對應(yīng)的程序，并將相應(yīng)的輸出電流的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生相應(yīng)的磁場來驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮材料，然后將超磁致伸縮材料產(chǎn)生的位移通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞出來。
為了提高超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)磁場進(jìn)行監(jiān)測，并通過位移傳感器實(shí)現(xiàn)了輸出位移的閉環(huán)控制。并加入了恒溫水冷卻系統(tǒng)，以抑制由于驅(qū)動(dòng)線圈的發(fā)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一，普通的傳動(dòng)副的微位移精度低，并且存在摩擦和爬行現(xiàn)象，難以滿足微米、納米級微位移驅(qū)動(dòng)精度的要求。因此設(shè)計(jì)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(zhí)行器的傳遞機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅具有柔性鉸鏈的零件少、無摩擦、無磨損、無傳動(dòng)間隙、自身具有回程反力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有柔性部分在變形時(shí)無應(yīng)力集中、疲勞強(qiáng)度高、制造較為容易等特點(diǎn)。
本系統(tǒng)不僅可以采用單片機(jī)控制，還可以通過RS-232 串行口，實(shí)現(xiàn)與上位微機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換和微機(jī)控制。
我們對所研制的超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)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(chǎn)的高精度電感測微儀；磁場傳感器選用中科院半導(dǎo)體所生產(chǎn)的霍爾片；特斯拉計(jì)選用首都師范大學(xué)生產(chǎn)的PG-5型特斯拉計(jì)。
將實(shí)驗(yàn)裝置置于隔振平臺(tái)上，首先通入恒溫水預(yù)熱一段時(shí)間，并通入電流對超磁致伸縮材料訓(xùn)練數(shù)次。然后，通入連續(xù)變化的電流，采用電感測微儀測出超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出位移，并通過霍爾傳感器測出相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖3是系統(tǒng)的輸出位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。
由圖3可知，系統(tǒng)的輸出位移可達(dá)40µm。由于本系統(tǒng)采用了磁感應(yīng)強(qiáng)度作為控制量，在一定程度上減小了滯回系數(shù)，提高了位移輸出的重復(fù)性和控制精度。但是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)磁場低于200mT時(shí)，系統(tǒng)的位移輸出較小，并且滯回系數(shù)較大，因此在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)盡量避免使用這段曲線。
我們同時(shí)還對系統(tǒng)的微進(jìn)給閉環(huán)系統(tǒng)采用通入恒溫水的辦法將系統(tǒng)的熱伸長抑制在很小的范圍內(nèi)，同時(shí)采用位移傳感器進(jìn)行了補(bǔ)償，因此系統(tǒng)的誤差主要由傳感器的誤差和微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最小步距兩部分組成。根據(jù)誤差合成理論，將上述兩項(xiàng)誤差合成為系統(tǒng)的微位移誤差為
式中：s傳——傳感器誤差
ss——驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最小步距
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最小步距s，是由D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率、驅(qū)動(dòng)磁場的變化范圍和系統(tǒng)的輸出位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線的最大斜率三部分共同決定的。本系統(tǒng)選用的D/A轉(zhuǎn)換器AD7521的分辨率為12位，驅(qū)動(dòng)磁場的變化范圍為677.4mT，并且系統(tǒng)的輸出位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線的最大斜率Kmax可由圖3得出：Kmax=0.00873µm/T，則微進(jìn)給系統(tǒng)的最小步距可由下式求得
對于傳感器誤差。傳可以采用精度更高的傳感器對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。通過實(shí)測，本系統(tǒng)的傳感器誤差不大于0.1µm。由式(3)可得系統(tǒng)的微位移誤差為
s=(0.12+0.0142)½≈0.101µm
由上式可知，系統(tǒng)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(huì)大幅度提高系統(tǒng)的微位移精度。
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(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過實(shí)際測定，系統(tǒng)的輸出位移可達(dá)40µm，閉環(huán)控制誤差不大于0.101µm，并具有滯回小和輸出力大、重復(fù)性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。
本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于精密機(jī)床刀具或工作臺(tái)的微動(dòng)進(jìn)給，還可作為一個(gè)頻率和振幅可調(diào)的激振源應(yīng)用于其它領(lǐng)域。
2 超磁致伸縮材料及其驅(qū)動(dòng)原理
1.冷卻水管 2.出水口 3.可控恒流源 4.進(jìn)水口 5.超磁致伸縮材料 6.預(yù)壓彈簧 7.變形部分 8.永久磁鐵 9.導(dǎo)磁體 10.驅(qū)動(dòng)線圈
圖1 超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)原理簡圖
| e=sHs+dH+a∆T | (1) |
| B=ds+msH | (2) |
式中：e、H、B、s和d分別表示超磁致伸縮材料的應(yīng)變、平均磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力和磁致伸縮應(yīng)變系數(shù)；a和∆T分別表示超磁致伸縮材料單位長度的熱膨脹系數(shù)和平均溫升；sH和ms分別表示超磁致伸縮材料的柔度系數(shù)和磁導(dǎo)率，它們分別受磁場強(qiáng)度及應(yīng)力的影響。
3 系統(tǒng)的組成及工作原理
圖2 超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成原理框圖
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及微進(jìn)給精度分析
圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度與位移曲線
| s=(s傳2+ss2)½ | (3) |
| ss= | 677.4 | Kmax=0.014µm |
| 212-1 |
5 結(jié)束語
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