基本信息
- 项目名称：
- 基于超磁致伸缩材料的微驱动系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于超磁致伸缩材料的应用研究目前已成为国内外机电工程领域研究的热点。在超精密加工领域，因其具有应变大、能量密度高以及驱动电压低的特点，可以替代目前主要采用的电致伸缩微位移驱动器，具有良好的应用前景。 本作品的基本思路是利用超磁致伸缩材料的磁机耦合工作原理，开发和制作基于超磁致伸缩材料的微驱动系统，主要解决微驱动系统的结构设计和控制方法等关键技术。作品使用国产Terfenol-D材料的超磁致伸缩棒，结构采用封闭磁回路结构和密封冷却机构，使用叠簧进行预压紧；控制系统以DSP控制芯片为核心完成设计开发。 经测试，驱动器激励电流区间在[-0.6A，0.6A]，输出线性度良好，在预压力为150N时，最大输出位移达到43 μm，控制系统的总误差δ为0.21μm。
- 详细介绍：
- 基于超磁致伸缩材料的应用研究目前已成为国内外机电工程领域研究的热点。在超精密加工领域，因其具有应变大、能量密度高以及驱动电压低的特点，可以替代目前主要采用的电致伸缩微位移驱动器，具有良好的应用前景。 本作品的基本思路是利用超磁致伸缩材料的磁机耦合工作原理，开发和制作基于超磁致伸缩材料的微驱动系统，主要解决微驱动系统的结构设计和控制方法等关键技术。1、采用铝材线圈骨架和水循环冷却结构，具有较好的隔磁和冷却散热效果，保证系统控制精度。2、采用模糊自适应PID控制调节方法，提高系统的鲁棒性和抗外部干扰能力，保证系统精度和工作稳定性。3、综合考虑温度、漏磁和材料强度等因素对系统工作性能的影响，进行系统建模，提高系统模型精度。 本作品利用Terfenol-D这种超磁致伸缩材料的独特性能，进行微驱动系统的设计和开发。在50mm超磁致伸缩材料棒长、预压力150N、激励电流在[-0.6A，0.6A] 工作条件下，所完成的作品最大输出位移达到43 μm，且有良好的线性度，输出位移最小步距可达0.04 µm，控制系统的总误差δ为0.21 µm。 本作品较目前所使用如压电陶瓷等电致伸缩微驱动材料有更好的工作性能。采用铝材线圈骨架和水循环冷却结构，综合考虑了温度、漏磁等影响因素，控制系统采用DSP高速信号处理器，通过模糊自适应PID控制调节方法，具有控制精度高、抗干扰性能强的特点。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：研发超磁致伸缩微驱动系统，取代电致伸缩微驱动系统，为超精密加工机床等高精度设备提供新型驱动装置。 思路：利用超磁致伸缩材料的磁机耦合原理，选用国产Terfenol-D超磁致伸缩棒，采用铝材线圈骨架和水循环冷却结构，以DSP为控制芯片，采用模糊自适应PID控制逻辑，设计开发基于超磁致伸缩材料的微驱动系统。 创新点：①采用铝材线圈骨架和水循环冷却结构，隔磁和冷却散热效果较好，保证系统控制精度。②采用模糊自适应PID控制调节法，提高系统的鲁棒性和抗外部干扰能力，保证系统精度和工作稳定性。③综合考虑温度、漏磁和材料强度等因素对系统工作性能的影响，进行系统建模，提高系统模型精度。 技术关键：①基于超磁致伸缩材料的微驱动系统结构设计。使用国产超磁致伸缩棒，采用磁密封结构、碟形弹簧的预紧力以及循环水冷却机构实现系统稳定可靠的工作。②控制系统的开发。以DSP为核心，进行系统硬件设计；采用模糊自适应PID控制策略设计开发系统控制软件。③恒流驱动电源的设计制作。选用大功率达林顿管、LM358运算放大器等元件，采用连续可调双向恒流电源方案，设计电源线路，为超磁致伸缩微驱动器提供高品质特性的恒流电源。 技术指标：预压力150N；偏置磁场激励电流4A；良好线性度的工作激励电流区间[-0.6A，0.6A]；最大输出位移43μm；微驱动系统总误差0.21μm。
科学性、先进性
- Terfenol-D超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，较如压电陶瓷等电致伸缩功能材料有更好的工作特性：室温下磁致伸缩应变值可达1500～2000ppm；能量密度达14000～25000焦/立方米；输出力可达220～880N；磁－机耦合系数大，响应速度快，可达μs级。 本作品利用Terfenol-D这种超磁致伸缩材料的独特性能，进行微驱动系统的设计和开发。在50mm超磁致伸缩材料棒长、预压力150N、激励电流在[-0.6A，0.6A] 工作条件下，所完成的作品最大输出位移达到43μm，且有良好的线性度，输出位移最小步距可达0.04μm，控制系统的总误差δ为0.21μm。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年12月，作品参加某大学第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛，荣获一等奖。
作品所处阶段
- 作品目前处在实验室阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 作品可以以实物、图片和录像等形式进行展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品是利用超磁致伸缩材料的伸缩应变大、能量密度高、输出力大、磁－机耦合性能优良等特性，所完成的微位移驱动系统，它较目前所使用如压电陶瓷等电致伸缩微驱动材料有更好的工作性能，具有控制精度高、抗干扰性能强的特点。 市场分析：①我国是稀土生产大国，Terfenol－D是一种国产稀土基超磁致伸缩材料，研究符合国情，便于生产组织；②Terfenol－D超磁致伸缩材料具有高频响应、大位移、低能耗的特点，比传统的压电陶瓷等精加工微驱动器有更好的机电特性，产品具有实用性；③驱动器采用DSP设计开发控制器，具有结构紧凑，响应快、精度高等特点，控制性能好，使驱动器有较好的技术先进性。 在超精密加工领域，目前主要采用的电致伸缩微位移驱动器，这种驱动器位移量和输出功率相对较小，在机械结构中必须增加防止冲击力和高压驱动短路的措施等问题。而基于超磁致伸缩材料的微驱动器具有应变大、能量密度高以及驱动电压低的特点，因此能够扩大微驱动器的适用范围，具有广阔的前景。
同类课题研究水平概述
- 基于超磁致伸缩微驱动器的研究目前已成为国内外机电工程领域研究的热点。在声纳系统、流体机械、微型马达、超精密加工和振动控制等许多领域展现出良好的应用前景。尤其在超精密加工领域，目前刀具的驱动主要采用电致伸缩微位移驱动器。电致伸缩微位移驱动器的位移量和输出功率相对较小，在机械结构中必须采取一定措施，以防止冲击力和高压驱动造成的短路问题。由于超磁致伸缩材料具有应变大、能量密度高以及驱动电压低的特点，因而基于超磁致伸缩材料的微位移驱动器可很好的解决上述问题。 日本江田弘和Toshiba公司T.Kobayashi等人从事了将GMM驱动器用于超精密位置控制装置的开发研究，将其作为微进给装置装备在大型光学金刚石车床上，它使得在加工玻璃类硬脆材料时的尺寸精度和表面粗糙度可控制在几个纳米以内。美国ETREMA PRODUCTS公司也利用超磁致伸缩材料研制出超精密车床的微进给机构，并取得良好的控制效果。 浙江大学利用超磁致伸缩材料研制了活塞异型销孔进给系统，解决了异型销孔制造中的实际问题。同样国内还有许多高校和研究机构从事超磁致伸缩驱动器的研究，如大连理工大学于1998年研制了基于单片机控制的GMM精密驱动系统，该系统可实现直线双向运动，闭环控制精度达到0.2μm，在预压力为0MPa时微位移可达40μm；河北工业大学于2002年设计了超磁致伸缩驱动器，建立了该驱动器传递函数模型，开发了基于TMS320C31 DSP高速信号处理器PID数字控制系统，在40μm量程范围内可达到40nm的分辨率，具有稳定性好、抗干扰性能高的特点。
