精密磁致伸縮執(zhí)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁致伸縮執(zhí)行器，特別是一種應用數(shù)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(zhí)行器。
【背景技術(shù)】
[0002]由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動或聲波，這種材料可將電磁能(或電磁信息)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電磁能(或電磁信息)，它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。他在聲納的水聲換能器技術(shù)，電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機翼、機器人、自動化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門、泵、波動采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應用前景。
[0003]超磁致伸縮材料具有下列優(yōu)點:磁致伸縮應變時產(chǎn)生的推力很大，直徑約為10mm的TbDyFe的棒材，磁致伸縮時產(chǎn)生約2000N的推力；能量轉(zhuǎn)換效率高達70%，其彈性模量隨磁場而變化，可調(diào)控；響應時間(由施加磁場到產(chǎn)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(wěn)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。
[0004]隨著尖端科技的飛速發(fā)展，超精密加工技術(shù)成為當今機械制造最重要的發(fā)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(qū)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(gòu)設(shè)計中必須采取有效措施，以防止沖擊力和高電壓驅(qū)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(jīng)成為國內(nèi)外研究超精密制造技術(shù)及納米技術(shù)的熱點課題，未來必然成為主導相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的核心技術(shù)。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(qū)動器。系統(tǒng)中采用溫度控制器，使冷卻線圈的水溫度控制在0.01°C以內(nèi)。采用此執(zhí)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(nèi)。國外已經(jīng)廣泛把此技術(shù)應用于機床刀具補償、直接用作執(zhí)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(xiàn)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(lǐng)域的應用很有限，國內(nèi)關(guān)于超磁致伸縮材料商品化的產(chǎn)品僅有非常有限的幾種，在特定領(lǐng)域如超精密制造領(lǐng)域的商業(yè)化應用更是缺乏。
[0005]根據(jù)國內(nèi)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(tǒng)工作頻率較高條件下的伸縮特性；在此基礎(chǔ)上提出的含有四個閉環(huán)反饋的數(shù)字化控制系統(tǒng)，致力于解決在低頻條件下的超精密控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種超精密磁致伸縮執(zhí)行器，該伸縮執(zhí)行器能實現(xiàn)納米精度的快速精確點位控制和速度控制，采用改進的設(shè)計方法可以有效降低制造工藝要求，提升系統(tǒng)的性能(響應速度、控制精度等)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)解決方案:
一種精密磁致伸縮執(zhí)行器，具有一個驅(qū)動線圈，一個超磁致伸縮棒，一個微處理器及數(shù)字電路，所述微處理器及數(shù)字電路連接驅(qū)動線圈，用于控制驅(qū)動線圈的電流或電壓大小，來實現(xiàn)控制驅(qū)動線圈的磁場強度，進而控制執(zhí)行器的微位移；所述驅(qū)動線圈內(nèi)置有檢測線圈，用于實時檢測驅(qū)動線圈內(nèi)部的磁場強度，來檢測執(zhí)行器的驅(qū)動與輸出的滯后量，檢測線圈連接微處理器及數(shù)字電路，用于反饋檢測的磁場強度信號給微處理器，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制；所述驅(qū)動線圈內(nèi)部設(shè)有循環(huán)散熱系統(tǒng)，用于及時散去驅(qū)動線圈產(chǎn)生的熱量，來減小驅(qū)動線圈發(fā)熱對磁致伸縮材料的影響；所述循環(huán)散熱系統(tǒng)連接溫度控制系統(tǒng)，用于控制循環(huán)散熱系統(tǒng)的溫度恒定；所述執(zhí)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(jié)構(gòu)體應力，根據(jù)材料的剛度特性以及受力情況準確的計算出結(jié)構(gòu)應變大小，對驅(qū)動的磁場強度做出相應的調(diào)整以補償結(jié)構(gòu)應變對微位移造成的誤差。
[0008]所述微處理器通過數(shù)字電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換濾波電路以及放大電路連接可控電流源及驅(qū)動線圈，通過微處理器輸出相應的數(shù)字量，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和放大電路以及濾波處理，最終轉(zhuǎn)換為所需要的電壓。
[0009]所述循環(huán)散熱系統(tǒng)包括散熱銅導管、數(shù)字化溫度傳感器，所述散熱銅導管設(shè)置在驅(qū)動線圈與磁致伸縮體之間，其內(nèi)通入散熱液；所述數(shù)字化溫度傳感器嵌入散熱銅導管的兩端的環(huán)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。
[0010]所述溫度控制系統(tǒng)包括多個熱電偶溫度傳感器、直流微泵、半導體制冷片，多個熱電偶溫度傳感器置于散熱液儲存箱體內(nèi)，用于檢測散熱液儲存箱體內(nèi)部溫度場，直流微泵通過散熱液輸出管路連接散熱銅導管，半導體制冷片置于儲存箱體外壁，直流微泵、多個熱電偶溫度傳感器和半導體制冷片分別連接微處理器，通過微處理器及數(shù)字電路控制直流微泵轉(zhuǎn)速和半導體制冷片的散熱效果，實現(xiàn)散熱液流速和溫度的控制。所述散熱液儲存箱體內(nèi)裝有液體攪拌器，用于均勻散熱液溫度。
[0011]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下有益效果:
1.采用數(shù)字電路作為控制與通信單元，可以快速精確的控制執(zhí)行器的動作，可以實現(xiàn)點位控制和速度控制，擴大其應用范圍和適用性。另外采用數(shù)字化控制可以實現(xiàn)模塊化，在應用中可以直接和設(shè)備通訊，方便與上位機連接使用和控制；
2.系統(tǒng)采用嚴格的溫度控制設(shè)計，包含隔熱、散熱、溫度檢測反饋、強制冷卻控制和溫度誤差補償，這些措施可以快速有效的控制熱脹冷縮效應對執(zhí)行器微位移誤差的影響，其中溫度誤差補償是由檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及相應的控制程序共同實現(xiàn)，利用閉環(huán)控制，使反應速度加快，彌補了直接溫控響應速度慢控制精度不高的缺點；
3.系統(tǒng)的散熱是將散熱液通入線圈和磁致伸縮結(jié)構(gòu)體之間以及驅(qū)動線圈內(nèi)部，通過控制散熱液的流速和溫度來控制熱量交換的快慢，散熱液流速控制是通過微處理器控制由直流電機驅(qū)動的微泵來控制流速，散熱液的溫度控制采用強制冷卻的方式，應用半導體制冷片來實現(xiàn)，同樣是由微處理器控制，因此控制準確；
4.系統(tǒng)引入了壓力傳感器，用以檢測系統(tǒng)應力，根據(jù)應力計算系統(tǒng)應變，通過相應的控制方法來補償因應變造成的誤差，因此精度更高。通常當應變補償后應力又發(fā)生相應的變化，系統(tǒng)設(shè)計的程序具有較高的穩(wěn)定性和可靠性以此來實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的快速反應。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例的驅(qū)動與檢測線圈結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明實施例的磁致伸縮執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖；
圖4是本發(fā)明實施例的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計圖；
圖5是本發(fā)明實施例的機械部分總裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明實施例的控制程序結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的磁致伸縮執(zhí)行器作進一步的說明。
[0014]如圖1至圖6所示，一種精密磁致伸縮執(zhí)行器，包括驅(qū)動線圈，散熱銅導管、檢測線圈；溫度傳感器、環(huán)氧樹脂線圈骨架、微處理器及數(shù)字電路等。