超磁致伸縮驅(qū)動微定位平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建模分析.pdf

1、精密定位技術(shù)是國家制造水平的一個重要標(biāo)志，是精密驅(qū)動、精密測量、精密加工中的關(guān)鍵技術(shù)之一，在集成電路制造、超精密加工、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。隨著我國科技的高速發(fā)展，高尖裝備特別是航空航天、精密加工、生物醫(yī)療以及微型操控機器人等領(lǐng)域，對定位的精密度提出了更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的定位精度已經(jīng)無法滿足這些技術(shù)領(lǐng)域的要求，因此，利用現(xiàn)代精密驅(qū)動理論設(shè)計出行程大、性能高、可靠性強、定位速度快的定位平臺成為這些技術(shù)領(lǐng)域突破的關(guān)鍵。<

2、br>　　論文基于超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡稱GMM）具有磁致伸縮應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大、磁機耦合系數(shù)大、居里溫度高并且能夠?qū)崿F(xiàn)電磁能-機械能的可逆轉(zhuǎn)化等眾多優(yōu)點，設(shè)計出一種精密微定位驅(qū)動器，并以此為驅(qū)動源，設(shè)計出精密定位平臺。主要工作以及結(jié)論如下:
　　1、根據(jù)自由能極小值原理，闡述了超磁致伸縮材料的磁致伸縮機理。根據(jù)超磁致伸縮材料的材料特性，分別設(shè)計了超

3、磁致伸縮驅(qū)動器(Giant Magnetostrictive actuator，簡稱GMA)的磁場結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力機構(gòu)、溫控系統(tǒng)等，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合實際加工技術(shù)能力，設(shè)計了超磁致伸縮驅(qū)動器的整體結(jié)構(gòu)，依據(jù)現(xiàn)有GMM棒的幾何形狀尺寸確定GMA的各部分的幾何尺寸。
　　2、借助柔性鉸鏈單元材料受力產(chǎn)生的彈性變形具有運動分辨率高、無摩擦、無需潤滑、制造工藝簡單等獨特優(yōu)點，基于理論力學(xué)和材料力學(xué)理論建立了直圓形柔性鉸鏈機構(gòu)的靜力學(xué)模型，獲得

4、了柔性鉸鏈幾何參數(shù)與柔性鉸鏈平臺輸出位移之間的理論數(shù)學(xué)模型。運用Matlab數(shù)值仿真軟件對柔性鉸鏈平臺的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了柔性鉸鏈定位平臺最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，分別是最小厚度t=0.8mm，切割圓半徑R=2.5mm，高度h=10mm，工作平臺寬度為60mm。通過有限元方法對所設(shè)計的柔性鉸鏈定位平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明理論分析和仿真結(jié)果的最大誤差僅為3.06％，從而驗證了靜力學(xué)理論分析的正確性，為柔性鉸鏈定位平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供

5、了理論基礎(chǔ)。通過有限元方法對所設(shè)計的柔性鉸鏈定位平臺進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明理論分析和仿真結(jié)果的最大誤差僅為0.8％，從而驗證了動力學(xué)理論分析的正確性。
　　3、介紹了國內(nèi)外學(xué)者針對GMM磁滯非線性所創(chuàng)建的Preisach模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Duhem模型、J-A模型、自由能模型這五種磁滯非線性模型，基于此，選取了Preisach模型，闡述了經(jīng)典Preisach模型的含義，并在經(jīng)典Preisach模型上，通過對Preisach模型的

6、離散化，創(chuàng)建了GMA磁滯特性數(shù)值模型。根據(jù)所設(shè)計的GMA具體尺寸，求解出磁場模型（Id～H）、以及磁滯伸縮模型（λ～M），確定了GMA的位移輸出模型。性能測試表明:磁場強度H的實驗結(jié)果與理論計算的最大誤差為2.43kA/m;偏置線圈，磁場強度H的實驗結(jié)果與理論計算的最大誤差為1.74kA/m，驗證了所建磁場強度公式的正確性。隨著偏置電流的逐漸增大，GMA在同等電流下的最大行程變小，這與GMM的磁滯回線一致;隨著偏置電流的增大即偏置磁場的