基于GMM驱动位移自感知微进给装置设计及测试系统研究

摘要

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，可以完成一套完整测试仪器的数据采集、分析、显示和存储功能，是目前国际上应用最广的数据采集和控制软件之一。GMM(Giant Magnetostrictive Material)是超磁致伸缩材料的简称，用其制作的进给驱动装置，具有微位移进给、高精度响应、驱动能力强以及响应速度快等优点，在超精密加工以及精密微进给领域中应用广泛。基于GMM的微进给装置是目前研究的热点，由于磁场、预压力等因素对GMM材料的磁致伸缩性是直接影响的，使得GMM微进给装置的设计与测试具有一定的难度。
　　 本文以智能材料和超精密加工技术为背景，总结了GMM微进给装置在超精密加工领域应用的优势和实际意义，论述了磁致伸缩效应及其机理、超磁致伸缩材料性能特点及其在微驱动器件上的应用，为超磁致伸缩微进给装置的研究和应用提供了必要的基础。GMM微进给装置结构设计的关键在于磁场结构设计、温控结构设计、预压力设计和传感器设计四个方面。本文研究了GMM棒设计参数、电磁线圈设计方案，设计并制作出位移自感知传感器。并将GMM微进给装置应用到刀架上，设计出GMM微进给刀架，并研究出微进给刀架中的测量切削力的八角环传感器。GMM微进给装置的工作特性与其主要工作条件预应力、驱动磁场密切相关，论文通过实验分析了GMM微进给装置中预压力与电流的特性、装置的加卸载回线和磁滞回线特性，分析了各因素对GMM准静态工作条件下特性曲线的应变值、线性度、重合度、磁滞的影响。
　　 本文针对GMM装置测试系统采用事件驱动的程序设计方法，实现了对GMM微进给装置的信号采集、分析、显示的实时操作。论文使用国家仪器公司(National Instrument)提供的软件平台(LabVIEW)和国产USB式的数据采集模块搭建了基于虚拟仪器的位移测量系统，并通过LabVIEW编程实现了多通道数据的采集和监测，并且实现了采集数据的分析和数据库存储。对微进给位移信号的测量证明了以虚拟仪器为基础的测量系统是可靠精确而且实用的。最后，通过实验对位移传感器和八角环测力仪装置进行了标定，获得了标定曲线和标定系数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究的背景

1.1.1超磁致伸缩材料和磁致伸缩效应

1.1.2电阻应变式传感器

1.1.3 LabVIEW虚拟仪器平台

1.2论文的研究意义与内容安排

1.2.1论文的研究意义

1.2.2论文的内容安排

第2章 基于GMM的微进给自感知装置结构设计

2.1 GMM驱动原理和应用

2.1.1 GMM驱动原理

2.1.2 GMM驱动微进给装置的应用

2.2 GMM微进给装置设计原则

2.3 GMM微进给装置功能结构

2.3.1 GMM棒选择和参数设计

2.3.2电流磁场的确定

2.3.3线圈和冷却结构设计

2.3.4预压机构设计

2.3.5传感机构设计

2.4 GMM微进给装置位移传感器装置设计与制作

2.4.1弹性薄板结构设计

2.4.2基于弹性薄板弹性元件的应变式位移传感器

2.4.3基于八角环弹性元件测力传感器设计

2.5本章小结

第3章 基于GMM的位移自感知装置工作特性研究

3.1基于GMM微进给位移自感知装置特性实验条件

3.1.1 LVDT测微仪

3.1.2数控恒流源

3.2基于GMM微进给装置预压力与电流的特性分析

3.2.1实验方法和原始数据

3.2.2特性参数优化

3.3 GMM微进给刀架的加卸载回线分析

3.4 GMM微进给刀架的磁滞回线

3.4.1磁滞回线的产生

3.4.2迟滞

3.5本章小结

第4章 基于GMM的位移自感知装置的测试系统

4.1虚拟仪器测试平台

4.2 GMM装置测控系统硬件结构

4.3数据采集调理

4.3.1数据采集

4.3.2采集调理装置

4.4 GMM装置测试系统软件功能模块设计

4.4.1菜单界面

4.4.2采集模块

4.4.3分析模块

4.4.4存储模块

第5章位移自感知装置的实验标定

5.1引言

5.2弹性薄板力-应变标定实验

5.2.1标定实验过程

5.2.2实验数据和分析

5.3基于八角环弹性元件应变式测力传感器标定

5.3.1标定原理

5.3.2实验数据和分析

5.4本章小结

第6章总结与展望

6.1结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果