[發明專利]超精密磁致伸縮執行器

有效

• 申請號: 201510019804.0
• 申請日: 2015-01-15
• 公開（公告）號: CN104601038B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 尚慧琳;張濤;宋書峰;劉金博;陳益謙;李偉陽;文永蓬
• 申請（專利權）人: 上海應用技術學院
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根,王晶

技術領域

本發明涉及一種磁致伸縮執行器，特別是一種應用數字化控制的超磁致伸縮材料、溫度檢測與補償、應力應變的檢測與補償、磁場強度檢測與反饋控制、熱力學平衡溫度控制、輸出微位移檢測與補償控制的磁致伸縮執行器。

背景技術

由于磁致伸縮材料在磁場作用下, 其長度發生變化,可發生位移而做功或在交變磁場作用可發生反復伸張與縮短, 從而產生振動或聲波, 這種材料可將電磁能(或電磁信息)轉換成機械能或聲能(或機械位移信息或聲信息), 相反也可以將機械能(或機械位移與信息)轉換成電磁能(或電磁信息) , 它是重要的能量與信息轉換功能材料。他在聲納的水聲換能器技術, 電聲換能器技術、海洋探測與開發技術、微位移驅動、減振與防振、減噪與防噪系統、智能機翼、機器人、自動化技術、燃油噴射技術、閥門、泵、波動采油等高技術領域有廣泛的應用前景。

超磁致伸縮材料具有下列優點：磁致伸縮應變時產生的推力很大， 直徑約為l0 mm的TbDyFe的棒材，磁致伸縮時產生約2000N的推力；能量轉換效率高達70%，其彈性模量隨磁場而變化，可調控；響應時間(由施加磁場到產生相應的應變)所需的時間稱為響應時間)僅為百萬分之一秒；頻率特性好,工作頻帶寬；穩定性好、可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而變化；無疲勞、無過熱失效問題。

隨著尖端科技的飛速發展, 超精密加工技術成為當今機械制造最重要的發展方向之一。目前,超精加工刀具主要采用電致伸縮微位移器作為驅動器, 而電致伸縮微位移器的位移量和輸出功率相對較小, 而且在機構設計中必須采取有效措施,以防止沖擊力和高電壓驅動造成的短路問題, 采用超磁致伸縮材料作為微位移器則可很好的解決上述問題，因此，此方向已經成為國內外研究超精密制造技術及納米技術的熱點課題，未來必然成為主導相關領域發展的核心技術。典型的應用如裝備在大型光學金剛石車床上的微進給裝置，采用了磁致伸縮材料作為驅動器。系統中采用溫度控制器, 使冷卻線圈的水溫度控制在 0.01℃以內。采用此執行器的金剛石車床加工玻璃等硬脆材料的尺寸精度和表面粗糙度可控制在幾個納米以內。國外已經廣泛把此技術應用于機床刀具補償、直接用作執行器、超精密磨削、顯微雕刻、超聲波加工、超精密定位等，可以實現納米精度的制造，而我國目前的應用，特別是在超精密制造領域的應用很有限，國內關于超磁致伸縮材料商品化的產品僅有非常有限的幾種，在特定領域如超精密制造領域的商業化應用更是缺乏。

根據國內外已有的研究進展中多涉及到了溫度的控制和補償，但是鮮有對磁致伸縮材料的應變研究和工程應用，特別是系統工作頻率較高條件下的伸縮特性；在此基礎上提出的含有四個閉環反饋的數字化控制系統，致力于解決在低頻條件下的超精密控制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超精密磁致伸縮執行器，該伸縮執行器能實現納米精度的快速精確點位控制和速度控制，采用改進的設計方法可以有效降低制造工藝要求，提升系統的性能(響應速度、控制精度等)。

為實現上述目的，本發明采用以下技術解決方案：

一種超精密磁致伸縮執行器，具有一個驅動線圈，一個超磁致伸縮棒，一個微處理器及數字電路，所述微處理器及數字電路連接驅動線圈，用于控制驅動線圈的電流或電壓大小，來實現控制驅動線圈的磁場強度，進而控制執行器的微位移；所述驅動線圈內置有檢測線圈，用于實時檢測驅動線圈內部的磁場強度，來檢測執行器的驅動與輸出的滯后量，檢測線圈連接微處理器及數字電路，用于反饋檢測的磁場強度信號給微處理器，實現系統閉環控制；所述驅動線圈內部設有循環散熱系統，用于及時散去驅動線圈產生的熱量，來減小驅動線圈發熱對磁致伸縮材料的影響；所述循環散熱系統連接溫度控制系統，用于控制循環散熱系統的溫度恒定；所述執行器中安裝壓力傳感器，壓力傳感器連接微處理器，用于檢測一個超磁致伸縮棒結構體應力，根據材料的剛度特性以及受力情況準確的計算出結構應變大小，對驅動的磁場強度做出相應的調整以補償結構應變對微位移造成的誤差。

所述微處理器通過數字電路中的數模轉換濾波電路以及放大電路連接可控電流源及驅動線圈，通過微處理器輸出相應的數字量，并通過數模轉換電路和放大電路以及濾波處理，最終轉換為所需要的電壓。

所述循環散熱系統包括散熱銅導管、數字化溫度傳感器，所述散熱銅導管設置在驅動線圈與磁致伸縮體之間，其內通入散熱液；所述數字化溫度傳感器嵌入散熱銅導管的兩端的環氧樹脂骨架7圓筒中，用于檢測散熱液輸入口和輸出口以及超磁致伸縮棒的溫度。