公 濤，李國(guó)康

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

0 引言

超磁致伸縮材料是最近幾年在國(guó)內(nèi)發(fā)展起來(lái)的可實(shí)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(dòng)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(diǎn)在驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度的影響，在精密定位的應(yīng)用場(chǎng)合中還需考慮驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)度方向的柔性系數(shù)；σ為棒長(zhǎng)度方向的應(yīng)力；d為磁場(chǎng)伸縮應(yīng)變常數(shù)；H 為驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)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(shí)超磁致伸縮材料磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁致伸縮系數(shù)λ的關(guān)系曲線。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為210℃，預(yù)壓力為10 MPa。

圖1 磁場(chǎng)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(diǎn)設(shè)計(jì)微位移驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)線圈、驅(qū)動(dòng)器套筒以及各種支承元件組成，微位移驅(qū)動(dòng)器的核心為超磁致伸縮材料棒。

超磁致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)由驅(qū)動(dòng)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(jì)而成。

圖2 微位移驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖

2 微位移驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論及研究方法

2.1 微位移驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊機(jī)構(gòu)

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，我們了解到：針對(duì)不同的超磁致伸縮材料棒和不同的加工精度要求，對(duì)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(zhǎng)對(duì)磁場(chǎng)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(jì)了彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

因?yàn)閷?shí)際加工時(shí)，刀尖處于水平位置，設(shè)計(jì)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(cè)量墊塊角度。測(cè)量方法如下：將彈簧板固定在水平測(cè)量臺(tái)上，用千斤頂在圖3的A點(diǎn)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(jì)時(shí)，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(cè)量），并用光柵尺測(cè)量圖3中C點(diǎn)的位移，測(cè)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(cè)量裝置簡(jiǎn)圖

用光柵尺反復(fù)測(cè)量10組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。然后根據(jù)如下圓心角公式計(jì)算墊塊的角度：

θ＝180°L／R .

其中：L為弦長(zhǎng)；R為半徑。

因?yàn)镽＝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(cè)量裝置驗(yàn)證角度是否正確。驗(yàn)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(shí)，讀取壓力傳感器的示數(shù)，反復(fù)測(cè)量10組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表1 光柵尺測(cè)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(jiǎn)單、誤差小，因此可以作為高精密驅(qū)動(dòng)器的最佳預(yù)緊機(jī)構(gòu)。

表2 由壓力傳感器測(cè)得的預(yù)緊力

2.2 微位移驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)效率高等特點(diǎn)。

以前設(shè)計(jì)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(wú)法滿足精密機(jī)床的高精度曲面加工要求。本文中設(shè)計(jì)的微位移驅(qū)動(dòng)器是基于相似三角形原理和杠桿原理，利用對(duì)應(yīng)邊成比例和單級(jí)杠桿的方式作為放大機(jī)構(gòu)。

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

圖5 三角形－杠桿放大機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

用圖4中測(cè)量裝置反復(fù)測(cè)量10組數(shù)據(jù)，得到的Ka和Kb測(cè)量值見(jiàn)表3。

表3 位移Ka和K b的測(cè)量值

然后由式（3）算出其實(shí)際平均放大倍數(shù)K＝2.99。

設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)大易造成位移損失、加工精度降低以及杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)處阻力過(guò)大。

3 微位移驅(qū)動(dòng)器工作性能實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)上述設(shè)計(jì)理論是否真正解決了超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器在精密定位控制中存在的遲滯和位移非線性等問(wèn)題，研制了如圖6所示的微位移驅(qū)動(dòng)器，并對(duì)其實(shí)際輸出位移和線性度進(jìn)行測(cè)試。

圖6 微位移驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)徑R1＝15 mm，外徑R2＝45 mm，線圈長(zhǎng)度為500 mm，預(yù)緊力為400 N，繞線直徑D＝2 mm，驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)為3 000匝，驅(qū)動(dòng)線圈電阻為5Ω，刀尖與固定點(diǎn)的距離d＝60 mm。實(shí)驗(yàn)得到的刀尖位移曲線見(jiàn)圖7。圖7中的電流為驅(qū)動(dòng)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(jiàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電流過(guò)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(shí)電流產(chǎn)生的熱量可忽略不計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

基于超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論和方法設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其能真正解決超磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器在精密定位控制中存在的遲滯和位移非線性等問(wèn)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(dòng)電壓低、無(wú)疲勞老化等特點(diǎn)。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(dòng)器中的深入應(yīng)用提供了有力保證。

圖8 棒處位移曲線

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