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

1、精密定位技術(shù)是國(guó)家制造水平的一個(gè)重要標(biāo)志，是精密驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)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(chǔ)技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)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(jī)器人等領(lǐng)域，對(duì)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(wú)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(dòng)理論設(shè)計(jì)出行程大、性能高、可靠性強(qiáng)、定位速度快的定位平臺(tái)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(jiǎn)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(jī)耦合系數(shù)大、居里溫度高并且能夠?qū)崿F(xiàn)電磁能-機(jī)械能的可逆轉(zhuǎn)化等眾多優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種精密微定位驅(qū)動(dòng)器，并以此為驅(qū)動(dòng)源，設(shè)計(jì)出精密定位平臺(tái)。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(jī)理。根據(jù)超磁致伸縮材料的材料特性，分別設(shè)計(jì)了超

3、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器(Giant Magnetostrictive actuator，簡(jiǎn)稱GMA)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)、溫控系統(tǒng)等，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際加工技術(shù)能力，設(shè)計(jì)了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)分辨率高、無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、制造工藝簡(jiǎn)單等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(tái)輸出位移之間的理論數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用Matlab數(shù)值仿真軟件對(duì)柔性鉸鏈平臺(tái)的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了柔性鉸鏈定位平臺(tái)最優(yōu)的設(shè)計(jì)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(tái)寬度為60mm。通過(guò)有限元方法對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)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(yàn)證了靜力學(xué)理論分析的正確性，為柔性鉸鏈定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供

5、了理論基礎(chǔ)。通過(guò)有限元方法對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈定位平臺(tái)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(yàn)證了動(dòng)力學(xué)理論分析的正確性。
　　3、介紹了國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(guò)對(duì)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(jì)的GMA具體尺寸，求解出磁場(chǎng)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(cè)試表明:磁場(chǎng)強(qiáng)度H的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的最大誤差為2.43kA/m;偏置線圈，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的最大誤差為1.74kA/m，驗(yàn)證了所建磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的