基本信息
- 项目名称：
- 磁致伸缩式惯性冲击精密直线电机的研究与开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品“磁致伸缩式惯性冲击精密直线电机”采用稀土超磁致伸缩材料（GMM）为驱动源，基于惯性冲击运动原理，提出了一种新型精密直线电机。 电机以锯齿波形电流为驱动信号，可实现双向直线运动，并能实现精确定位。经测试，样机的位移分辨率优于0.05μm，最大速度大于200μm／s，能够以低电压驱动，驱动能力强（大于10N），可实现无缆驱动，运动稳定性好。
- 详细介绍：
- 惯性冲击电机是利用惯性冲击来实现精密位移的一种驱动机构，具有运动范围大、位移分辨率高、结构简单等优点, 可在进行步进运动的同时实现精确定位。 目前, 惯性冲击电机已在生物工程、微型零件操作与装配、机器人和医疗器械等领域获得初步应用。现有的惯性冲击电机一般采用压电功能材料驱动，但是由于压电材料存在有缆驱动、变形量小、功率密度小、高电压驱动的不足，导致现有的压电式惯性冲击电机存在运动稳定性较差、运动速度慢、负载能力弱、可靠性低的问题，因而在较大功率场合应用受到限制。 针对现有惯性冲击电机的不足，作品提出了一种新型精密直线电机。利用稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，结合惯性冲击原理，实现直线电机的驱动。直线电机以锯齿波形电流为驱动信号，可实现双向直线运动，并能实现精确定位。经测试，作品样机的位移分辨率优于0.05μm，最大正向速度大于200μm／s，能够以低电压驱动，驱动能力强（大于10N），而且实现了无缆驱动，可靠性高。 我国是稀土资源大国，“中东有石油，中国有稀土”，但是，我国在稀土应用领域的研究远落后于美国、日本等发达国家。稀土应用产品可带来超过稀土材料价值数十倍、甚至数百倍的经济效益。在稀土产业链中，越向下游延伸，产品的技术含量越高，附加值也越高。 2011年，国务院通过了《国务院关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见》，提出进行稀土产业结构调整，改变我国目前稀土产业“资源大国、产业弱国”的状况，充分发挥稀土应用产品的龙头作用，带动稀土产业的可持续发展。 国内外很多专家认为，作为一种新型的功能材料，稀土超磁致伸缩材料（GMM）的应用将会诱发一系列的新技术、新设备、新工艺。作品开展稀土超磁致伸缩材料应用器件研究与开发，对于拓宽我国稀土材料应用领域具有积极的意义。
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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
- 1、作品设计、发明的目的 惯性冲击电机是利用惯性冲击来实现精密位移的一种驱动机构，它具有运动范围大、位移分辨率高、结构简单的优点。现有的惯性冲击直线电机一般采用压电功能材料驱动。但是由于压电材料存在有缆驱动、变形量小、功率密度小、高电压驱动的不足，导致现有的压电式惯性冲击直线电机存在运动稳定性较差、运动速度慢、负载能力弱、可靠性低的问题，因而应用受到限制。 针对现有惯性冲击直线电机的不足，作品提出采用稀土超磁致伸缩材料为驱动源构造一种新型惯性冲击直线电机。 2、作品设计、发明的基本思路 稀土超磁致伸缩材料（GMM）是一种新型功能材料，能有效地实现电磁能与机械能的转换，具有磁场(无缆)驱动、变形量大、输出力大、能量密度大、响应速度快、低电压驱动等特点。因而，与现有的惯性冲击电机相比，作品具有运动稳定性更好、运动速度更快、负载能力更强、可靠性更高等优势。 3、作品设计发明的创新点 采用稀土超磁致伸缩材料为驱动源，提出了一种新型惯性冲击直线电机，比现有的惯性冲击电机具有更快的运动速度，更大的驱动能力。同时实现了无缆驱动，稳定性高，拓宽了电机的应用范围。 4、作品主要技术指标 (1)电机可实现双向直线运动，最大速度大于200μm／s； (2)直线电机的位移分辨率优于0.05μm； (3)驱动负载能力大于10N；
科学性、先进性
- 现有的惯性冲击电机一般采用压电材料为驱动源。上海大学研究了圆形压电双晶片驱动的管内移动机构，该机构尺寸16mm×9mm，重9.5g，可以在直径为20mm的管道内移动。台湾国立高雄第一科技大学研制了惯性冲击精密定位工作台，整个机构质量为187g，定位精度可达到10nm。2002 年，日本丰田工学院 Katsushi Furutani等人基于惯性原理提出一种3自由度精密运动机构，既可以进行平面移动，也可以进行平面转动。 但是由于压电材料存在有缆驱动、变形量小、功率密度小、高电压驱动的不足，导致现有的压电式惯性冲击直线电机存在运动稳定性较差、运动速度慢、负载能力弱、可靠性低的问题，因而应用受到限制。 作品提出采用稀土超磁致伸缩材料为驱动源构造一种新型的直线电机。与现有的压电惯性冲击电机相比，位移分辨率优于0.05μm，最大正向速度大于200μm／s，能够以低电压驱动，驱动能力强（大于10N），可实现无缆驱动，运动稳定性更好。
获奖情况及鉴定结果
- （1）2010年9月，作品获**校大学生课外科研训练计划重点课题资助，项目立项； （2）2011年3月作品获第十二届“挑战杯”大学生课外科技学术作品竞赛**校级一等奖； （3）2011年5月作品获第十二届“挑战杯”大学生课外科技学术作品竞赛**赛区一等奖； （4）2011年5月，针对作品内容，我们委托**科学技术情报研究所进行了项目查新，查新结论为：未见采用稀土超磁致伸缩材料为驱动源应用于惯性冲击式精密直线电机的文献报道，本查新项目具有新颖性。
作品所处阶段
- 开发出有缆和无缆两种惯性电机，处于中试阶段。在**公司试应用，该公司有合作开发意向。
技术转让方式
- 可采用部分转让、企业合作等方式进行技术转让。
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片
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
- 1、使用说明 将直线电机安装在工作导轨或者工作台上，输入正向或反向锯齿波电流信号。 2、技术特点和优势 工作电压低、结构简单、步进运动的同时实现精确定位，并可实现无缆驱动。位移分辨率达到0.05μm，最大运动速度200μm／s。 与现有的惯性冲击电机相比，作品具有运动稳定性更好、运动精度高、驱动力大、可靠性高的优势。 3、作品的适用范围 （1）管道机器人、微小机器人驱动； （2）细胞微操作； （3）超精密定位工作台； （4）超精密加工； （5）微型零件装配； （6）数码相机的防抖装置。 4、推广前景 作品成果可广泛应用于生物与医疗工程中的微操作、光纤对接、微型机械零件的操作和装配等领域，具有广阔的市场前景。 我国拥有丰富的稀土资源，作品为稀土超磁致伸缩材料应用器件，对于拓宽我国稀土材料应用领域具有重要的意义。
同类课题研究水平概述
- 现有的惯性冲击直线电机一般采用压电功能材料驱动，是利用压电材料在迅速通电时的快速变形产生惯性冲击，继而形成驱动力来实现精密位移的一种驱动机构。 惯性冲击式压电电机引起国内外研究人员的广泛研究。国内研究相对较少，主要集中在高等校院。 1）台湾国立高雄第一科技大学研制了惯性冲击精密定位工作台，定位精度可达到10nm。 2）中国科学院研究的惯性冲击电机，是以压电陶瓷材料（PZT）作为驱动源设计的电机，其工作性能也相当好，已经被运用到实际生产当中。工作电压幅度0-150Ⅴ，最大运动速度150μm/s。 3）吉林大学机械科技与工程学院研究的压电双晶片型2自由度精密驱动器。是以压电双晶片为基础运用惯性冲击原理的电机，移动驱动能力2N，旋转驱动能力0.02N，移动最大速度5mm/min。 国外关于压电惯性式精密驱动器的研究开展更为广泛，并已初步应用于精密加工、医学工程、光学精密工程等领域。 1）2002 年，日本丰田工学院 Katsushi Furutani等人基于惯性原理提出一种3自由度精密运动机构 ，该机构包括3个电磁体FA、FB、FC，以方波驱动；2 个压电体EA、EB，以梯形波驱动。机构既可以进行平面移动，也可以进行平面转动。 2）日本J.Mendes等人研制的用于印刷扫描系统的惯性冲击式驱动平台。该平台安装了5个惯性冲击式驱动器，移动分辨率为0.5μm，旋转分辨率为5μrad，其行程只与平台有关，而驱动器本身没有限制。 3）瑞士ETHZ机器人研究所开发的小型惯性冲击旋转精密驱动器扫描模式运动分辨率20nm。 但是由于压电材料存在有缆驱动、变形量小、功率密度小、高电压驱动的不足，导致现有的压电式惯性冲击直线电机存在运动稳定性较差、运动速度慢、负载能力弱、可靠性低的问题，因而应用受到限制。 稀土超磁致伸缩材料（GMM）是一种新型功能材料，被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，具有磁场驱动、伸缩应变大、能量密度高、输出力大、可低电压驱动等特点。因此，作品提出一种以稀土超磁致伸缩材料为驱动源的惯性冲击直线电机，可望应用于需要较大功率精密直线驱动的场合。
