超磁致伸缩驱动微定位平台的结构优化与建模分析

摘要

精密定位技术是国家制造水平的一个重要标志，是精密驱动、精密测量、精密加工中的关键技术之一，在集成电路制造、超精密加工、数据存储技术、生物工程等领域均得到广泛应用。随着我国科技的高速发展，高尖装备特别是航空航天、精密加工、生物医疗以及微型操控机器人等领域，对定位的精密度提出了更高的挑战，传统的定位精度已经无法满足这些技术领域的要求，因此，利用现代精密驱动理论设计出行程大、性能高、可靠性强、定位速度快的定位平台成为这些技术领域突破的关键。
　　论文基于超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简称GMM）具有磁致伸缩应变大、能量密度高、响应速度快、输出力大、磁机耦合系数大、居里温度高并且能够实现电磁能-机械能的可逆转化等众多优点，设计出一种精密微定位驱动器，并以此为驱动源，设计出精密定位平台。主要工作以及结论如下:
　　1、根据自由能极小值原理，阐述了超磁致伸缩材料的磁致伸缩机理。根据超磁致伸缩材料的材料特性，分别设计了超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive actuator，简称GMA)的磁场结构、预应力机构、温控系统等，并以此为基础，结合实际加工技术能力，设计了超磁致伸缩驱动器的整体结构，依据现有GMM棒的几何形状尺寸确定GMA的各部分的几何尺寸。
　　2、借助柔性铰链单元材料受力产生的弹性变形具有运动分辨率高、无摩擦、无需润滑、制造工艺简单等独特优点，基于理论力学和材料力学理论建立了直圆形柔性铰链机构的静力学模型，获得了柔性铰链几何参数与柔性铰链平台输出位移之间的理论数学模型。运用Matlab数值仿真软件对柔性铰链平台的几何参数进行了优化，获得了柔性铰链定位平台最优的设计参数，分别是最小厚度t=0.8mm，切割圆半径R=2.5mm，高度h=10mm，工作平台宽度为60mm。通过有限元方法对所设计的柔性铰链定位平台结构进行仿真验证，结果表明理论分析和仿真结果的最大误差仅为3.06％，从而验证了静力学理论分析的正确性，为柔性铰链定位平台的结构优化设计提供了理论基础。通过有限元方法对所设计的柔性铰链定位平台进行模态分析，结果表明理论分析和仿真结果的最大误差仅为0.8％，从而验证了动力学理论分析的正确性。
　　3、介绍了国内外学者针对GMM磁滞非线性所创建的Preisach模型、神经网络模型、Duhem模型、J-A模型、自由能模型这五种磁滞非线性模型，基于此，选取了Preisach模型，阐述了经典Preisach模型的含义，并在经典Preisach模型上，通过对Preisach模型的离散化，创建了GMA磁滞特性数值模型。根据所设计的GMA具体尺寸，求解出磁场模型（Id～H）、以及磁滞伸缩模型（λ～M），确定了GMA的位移输出模型。性能测试表明:磁场强度H的实验结果与理论计算的最大误差为2.43kA/m;偏置线圈，磁场强度H的实验结果与理论计算的最大误差为1.74kA/m，验证了所建磁场强度公式的正确性。随着偏置电流的逐渐增大，GMA在同等电流下的最大行程变小，这与GMM的磁滞回线一致;随着偏置电流的增大即偏置磁场的增大，GMA的回程误差减小;所设计的GMA在偏执电流为0.6A时其状态最佳，验证了GMA设计理论的正确性。位移测试平台实验结果与模型计算的结果基本吻合，证明所建模型能够较好的反映出GMA输出位移的实际情况，验证了所建Preisach模型的正确性。

目录

声明

摘要

附表清单

插图清单

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究意义

1．2 微定位平台的研究现状

1．2．1 微定位平台驱动器的研究现状

1．2．2 微定位平台传动机构的研究现状

2 超磁致伸微定位平台驱动器的结构优化设计

2．1 磁致伸缩材料

2．2 超磁致伸缩材料的优点

2．3 超磁致伸缩材料的磁致伸缩机理

2．4 超磁致伸缩驱动器的结构设计

2．4．1 超磁致伸缩驱动器设计目标

2．4．2 超磁致伸缩驱动器磁路设计

2．4．3 超磁致伸缩驱动器预应力机构设计

2．4．4 超磁致伸缩驱动器降温系统设计

2．4．4 超磁致伸缩驱动器的整体结构

2．5 本章小结

3 微定位平台传动机构的优化设计与分析

3．1 传动机构的结构

3．2 传动机构的传动模型

3．2．1 单组柔性铰链数学模型

3．2．2 柔性铰链传动机构的数学模型

3．3 柔性铰链传动机构的优化设计

3．4 柔性铰链传动机构的有限元分析

3．4．1 柔性铰链传动机构有限元模型

3．4．2 静力学仿真分析

3．5 柔性铰链传动机构的动力学建模与模态分析

3．5．1 动力学模型

3．5．2 模态仿真分析

3．7 本章小结

4 超磁致伸缩驱动微定位平台的输出位移建模方法

4．1 微定位平台结构与工作原理

4．2 微定位平台的磁滞非线性分析

4．3 微定位平台的Preisach磁滞非线性模型

4．3．1 建模方法分类

4．3．2 Preisach磁滞模型

4．4 微定位平台的输出位移建模

4．4．1 磁场模型

4．4．2 磁致非线性模型

4．4．3 磁致伸缩模型

4．5 本章小结

5 超磁致伸缩微定位平台的性能测试

5．1 实验平台搭建

5．1．1 超磁致伸缩驱动器

5．1．2 高精度直流电源

5．1．3 高精度位移传感器

5．1．4 数字高斯计

5．1．5 冷却水泵

5．1．6 温度传感器

5．2 线圈内部磁感应强度测试

5．3 超磁致伸缩驱动器的输出位移测试

5．4 超磁致伸缩驱动微定位平台的位移测试

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读硕士学位期间主要科研成果