基于GMM的微致動(dòng)研究及應(yīng)用.pdf

1、超磁致伸縮材料(GMM)是一種新型高效的磁-機(jī)轉(zhuǎn)換材料，被視作21世紀(jì)提高國(guó)家高科技綜合競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性功能材料。GMM具有輸出力大、位移分辨率高、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)勢(shì)，已在超精密加工、微電子技術(shù)、生物工程、光纖對(duì)接、微型零件操作等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。利用GMM的磁致伸縮效應(yīng)而制作的超磁致伸縮致動(dòng)器(GMA)是目前國(guó)內(nèi)外微致動(dòng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，已取得不少成果。但總體而言，GMA處于實(shí)驗(yàn)階段，特別是在GMM材料熱變形抑制和輸出非線性控制

2、等方面，尚存在許多問(wèn)題，影響了GMA的實(shí)際應(yīng)用。論文針對(duì)GMA現(xiàn)存的問(wèn)題，在綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能分析、遲滯建模與控制、微致動(dòng)應(yīng)用等方面展開(kāi)理論與實(shí)驗(yàn)研究，旨在提高GMA的輸出精度及溫度穩(wěn)定性。 論文以精密工程、超精密工程為背景，總結(jié)了現(xiàn)代微致動(dòng)技術(shù)的定義、特征、原理與分類(lèi)，論述了GMM的發(fā)展歷程、基本特性、性能優(yōu)勢(shì)及在微致動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。從GMM的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，運(yùn)用鐵磁學(xué)理論解釋了GMM磁致伸縮過(guò)程和磁滯的產(chǎn)生。為GMA的設(shè)計(jì)、

3、分析及控制等提供理論基礎(chǔ)。 GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括磁設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，二者緊密關(guān)聯(lián)，然而目前的研究多集中于單獨(dú)的磁設(shè)計(jì)或熱設(shè)計(jì)。論文根據(jù)GMA結(jié)構(gòu)特征，將磁參數(shù)和熱參數(shù)結(jié)合起來(lái)考慮，提出了一種綜合優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。在滿足磁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)GMA內(nèi)部熱產(chǎn)生與傳導(dǎo)的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和相關(guān)材料的選擇。系統(tǒng)地分析了GMA熱變形影響，提出了一種具有雙水冷腔結(jié)構(gòu)的整體溫控裝置。仿真和實(shí)驗(yàn)均表明，所提出的具有雙水冷腔的GMA位移輸出特性及溫度穩(wěn)

4、定性能都較優(yōu)。 基于電流模型建立了包括恒流源在內(nèi)的GMA線性化動(dòng)態(tài)模型，針對(duì)GMA系統(tǒng)的大時(shí)滯特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了包含Smith補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的PID控制器和模糊PID控制器，在Matlab環(huán)境中進(jìn)行了仿真分析和效果比較。仿真結(jié)果表明，帶有Smith預(yù)估器的模糊PID控制器能夠很好地滿足GMA系統(tǒng)快速響應(yīng)的需求。 根據(jù)精密驅(qū)動(dòng)和精密定位的要求，建立了GMA測(cè)控系統(tǒng)。在穩(wěn)定的環(huán)境中，進(jìn)行了GMA預(yù)壓力實(shí)驗(yàn)、偏置電流實(shí)驗(yàn)、遲滯特性實(shí)驗(yàn)

5、和精密定位實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了GMA偏置條件和工作范圍。對(duì)GMA的主遲滯回線和一階折返曲線進(jìn)行了精密測(cè)量和分析，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了GMA的Preisach遲滯修正模型。為了避免對(duì)Preisach算子求逆，提出了一種以當(dāng)前位置為基準(zhǔn)的輸入校正算法?；谠撍惴▽?shí)現(xiàn)了GMA開(kāi)環(huán)下的精密定位。 應(yīng)用是微致動(dòng)技術(shù)研究的目標(biāo)和方向，也是約束。討論了GMA工程應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)形式，提出了面向應(yīng)用的三個(gè)器件，分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)物制作，并分析了