基本信息
- 項目名稱：
- 基于超磁致伸縮材料的微驅動系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 基于超磁致伸縮材料的應用研究目前已成為國內外機電工程領域研究的熱點。在超精密加工領域，因其具有應變大、能量密度高以及驅動電壓低的特點，可以替代目前主要采用的電致伸縮微位移驅動器，具有良好的應用前景。 本作品的基本思路是利用超磁致伸縮材料的磁機耦合工作原理，開發(fā)和制作基于超磁致伸縮材料的微驅動系統(tǒng)，主要解決微驅動系統(tǒng)的結構設計和控制方法等關鍵技術。作品使用國產(chǎn)Terfenol-D材料的超磁致伸縮棒，結構采用封閉磁回路結構和密封冷卻機構，使用疊簧進行預壓緊；控制系統(tǒng)以DSP控制芯片為核心完成設計開發(fā)。 經(jīng)測試，驅動器激勵電流區(qū)間在[-0.6A，0.6A]，輸出線性度良好，在預壓力為150N時，最大輸出位移達到43 μm，控制系統(tǒng)的總誤差δ為0.21μm。
- 詳細介紹：
- 基于超磁致伸縮材料的應用研究目前已成為國內外機電工程領域研究的熱點。在超精密加工領域，因其具有應變大、能量密度高以及驅動電壓低的特點，可以替代目前主要采用的電致伸縮微位移驅動器，具有良好的應用前景。 本作品的基本思路是利用超磁致伸縮材料的磁機耦合工作原理，開發(fā)和制作基于超磁致伸縮材料的微驅動系統(tǒng)，主要解決微驅動系統(tǒng)的結構設計和控制方法等關鍵技術。1、采用鋁材線圈骨架和水循環(huán)冷卻結構，具有較好的隔磁和冷卻散熱效果，保證系統(tǒng)控制精度。2、采用模糊自適應PID控制調節(jié)方法，提高系統(tǒng)的魯棒性和抗外部干擾能力，保證系統(tǒng)精度和工作穩(wěn)定性。3、綜合考慮溫度、漏磁和材料強度等因素對系統(tǒng)工作性能的影響，進行系統(tǒng)建模，提高系統(tǒng)模型精度。 本作品利用Terfenol-D這種超磁致伸縮材料的獨特性能，進行微驅動系統(tǒng)的設計和開發(fā)。在50mm超磁致伸縮材料棒長、預壓力150N、激勵電流在[-0.6A，0.6A] 工作條件下，所完成的作品最大輸出位移達到43 μm，且有良好的線性度，輸出位移最小步距可達0.04 μm，控制系統(tǒng)的總誤差δ為0.21 μm。 本作品較目前所使用如壓電陶瓷等電致伸縮微驅動材料有更好的工作性能。采用鋁材線圈骨架和水循環(huán)冷卻結構，綜合考慮了溫度、漏磁等影響因素，控制系統(tǒng)采用DSP高速信號處理器，通過模糊自適應PID控制調節(jié)方法，具有控制精度高、抗干擾性能強的特點。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的：研發(fā)超磁致伸縮微驅動系統(tǒng)，取代電致伸縮微驅動系統(tǒng)，為超精密加工機床等高精度設備提供新型驅動裝置。 思路：利用超磁致伸縮材料的磁機耦合原理，選用國產(chǎn)Terfenol-D超磁致伸縮棒，采用鋁材線圈骨架和水循環(huán)冷卻結構，以DSP為控制芯片，采用模糊自適應PID控制邏輯，設計開發(fā)基于超磁致伸縮材料的微驅動系統(tǒng)。 創(chuàng)新點：①采用鋁材線圈骨架和水循環(huán)冷卻結構，隔磁和冷卻散熱效果較好，保證系統(tǒng)控制精度。②采用模糊自適應PID控制調節(jié)法，提高系統(tǒng)的魯棒性和抗外部干擾能力，保證系統(tǒng)精度和工作穩(wěn)定性。③綜合考慮溫度、漏磁和材料強度等因素對系統(tǒng)工作性能的影響，進行系統(tǒng)建模，提高系統(tǒng)模型精度。 技術關鍵：①基于超磁致伸縮材料的微驅動系統(tǒng)結構設計。使用國產(chǎn)超磁致伸縮棒，采用磁密封結構、碟形彈簧的預緊力以及循環(huán)水冷卻機構實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。②控制系統(tǒng)的開發(fā)。以DSP為核心，進行系統(tǒng)硬件設計；采用模糊自適應PID控制策略設計開發(fā)系統(tǒng)控制軟件。③恒流驅動電源的設計制作。選用大功率達林頓管、LM358運算放大器等元件，采用連續(xù)可調雙向恒流電源方案，設計電源線路，為超磁致伸縮微驅動器提供高品質特性的恒流電源。 技術指標：預壓力150N；偏置磁場激勵電流4A；良好線性度的工作激勵電流區(qū)間[-0.6A，0.6A]；最大輸出位移43μm；微驅動系統(tǒng)總誤差0.21μm。
科學性、先進性
- Terfenol-D超磁致伸縮材料作為一種新型功能材料，較如壓電陶瓷等電致伸縮功能材料有更好的工作特性：室溫下磁致伸縮應變值可達1500～2000ppm；能量密度達14000～25000焦/立方米；輸出力可達220～880N；磁－機耦合系數(shù)大，響應速度快，可達μs級。 本作品利用Terfenol-D這種超磁致伸縮材料的獨特性能，進行微驅動系統(tǒng)的設計和開發(fā)。在50mm超磁致伸縮材料棒長、預壓力150N、激勵電流在[-0.6A，0.6A] 工作條件下，所完成的作品最大輸出位移達到43μm，且有良好的線性度，輸出位移最小步距可達0.04μm，控制系統(tǒng)的總誤差δ為0.21μm。
獲獎情況及鑒定結果
- 2008年12月，作品參加某大學第五屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽，榮獲一等獎。
作品所處階段
- 作品目前處在實驗室階段
技術轉讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 作品可以以實物、圖片和錄像等形式進行展示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本作品是利用超磁致伸縮材料的伸縮應變大、能量密度高、輸出力大、磁－機耦合性能優(yōu)良等特性，所完成的微位移驅動系統(tǒng)，它較目前所使用如壓電陶瓷等電致伸縮微驅動材料有更好的工作性能，具有控制精度高、抗干擾性能強的特點。 市場分析：①我國是稀土生產(chǎn)大國，Terfenol－D是一種國產(chǎn)稀土基超磁致伸縮材料，研究符合國情，便于生產(chǎn)組織；②Terfenol－D超磁致伸縮材料具有高頻響應、大位移、低能耗的特點，比傳統(tǒng)的壓電陶瓷等精加工微驅動器有更好的機電特性，產(chǎn)品具有實用性；③驅動器采用DSP設計開發(fā)控制器，具有結構緊湊，響應快、精度高等特點，控制性能好，使驅動器有較好的技術先進性。 在超精密加工領域，目前主要采用的電致伸縮微位移驅動器，這種驅動器位移量和輸出功率相對較小，在機械結構中必須增加防止沖擊力和高壓驅動短路的措施等問題。而基于超磁致伸縮材料的微驅動器具有應變大、能量密度高以及驅動電壓低的特點，因此能夠擴大微驅動器的適用范圍，具有廣闊的前景。
同類課題研究水平概述
- 基于超磁致伸縮微驅動器的研究目前已成為國內外機電工程領域研究的熱點。在聲納系統(tǒng)、流體機械、微型馬達、超精密加工和振動控制等許多領域展現(xiàn)出良好的應用前景。尤其在超精密加工領域，目前刀具的驅動主要采用電致伸縮微位移驅動器。電致伸縮微位移驅動器的位移量和輸出功率相對較小，在機械結構中必須采取一定措施，以防止沖擊力和高壓驅動造成的短路問題。由于超磁致伸縮材料具有應變大、能量密度高以及驅動電壓低的特點，因而基于超磁致伸縮材料的微位移驅動器可很好的解決上述問題。 日本江田弘和Toshiba公司T.Kobayashi等人從事了將GMM驅動器用于超精密位置控制裝置的開發(fā)研究，將其作為微進給裝置裝備在大型光學金剛石車床上，它使得在加工玻璃類硬脆材料時的尺寸精度和表面粗糙度可控制在幾個納米以內。美國ETREMA PRODUCTS公司也利用超磁致伸縮材料研制出超精密車床的微進給機構，并取得良好的控制效果。 浙江大學利用超磁致伸縮材料研制了活塞異型銷孔進給系統(tǒng)，解決了異型銷孔制造中的實際問題。同樣國內還有許多高校和研究機構從事超磁致伸縮驅動器的研究，如大連理工大學于1998年研制了基于單片機控制的GMM精密驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)直線雙向運動，閉環(huán)控制精度達到0.2μm，在預壓力為0MPa時微位移可達40μm；河北工業(yè)大學于2002年設計了超磁致伸縮驅動器，建立了該驅動器傳遞函數(shù)模型，開發(fā)了基于TMS320C31 DSP高速信號處理器PID數(shù)字控制系統(tǒng)，在40μm量程范圍內可達到40nm的分辨率，具有穩(wěn)定性好、抗干擾性能高的特點。
