基于GMM的微致動研究及應用.pdf

1、超磁致伸縮材料(GMM)是一種新型高效的磁-機轉換材料，被視作21世紀提高國家高科技綜合競爭力的戰(zhàn)略性功能材料。GMM具有輸出力大、位移分辨率高、響應速度快等諸多優(yōu)勢，已在超精密加工、微電子技術、生物工程、光纖對接、微型零件操作等領域顯示出廣闊的應用前景。利用GMM的磁致伸縮效應而制作的超磁致伸縮致動器(GMA)是目前國內(nèi)外微致動領域的研究熱點，已取得不少成果。但總體而言，GMA處于實驗階段，特別是在GMM材料熱變形抑制和輸出非線性控制

2、等方面，尚存在許多問題，影響了GMA的實際應用。論文針對GMA現(xiàn)存的問題，在綜合優(yōu)化設計、性能分析、遲滯建模與控制、微致動應用等方面展開理論與實驗研究，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，總結了現(xiàn)代微致動技術的定義、特征、原理與分類，論述了GMM的發(fā)展歷程、基本特性、性能優(yōu)勢及在微致動領域的應用現(xiàn)狀。從GMM的微觀結構出發(fā)，運用鐵磁學理論解釋了GMM磁致伸縮過程和磁滯的產(chǎn)生。為GMA的設計、

3、分析及控制等提供理論基礎。 GMA結構設計包括磁設計和熱設計，二者緊密關聯(lián)，然而目前的研究多集中于單獨的磁設計或熱設計。論文根據(jù)GMA結構特征，將磁參數(shù)和熱參數(shù)結合起來考慮，提出了一種綜合優(yōu)化的設計方法。在滿足磁設計的基礎上，根據(jù)GMA內(nèi)部熱產(chǎn)生與傳導的特點進行結構參數(shù)的設計和相關材料的選擇。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構的整體溫控裝置。仿真和實驗均表明，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線性化動態(tài)模型，針對GMA系統(tǒng)的大時滯特點，分別設計了包含Smith補償結構的PID控制器和模糊PID控制器，在Matlab環(huán)境中進行了仿真分析和效果比較。仿真結果表明，帶有Smith預估器的模糊PID控制器能夠很好地滿足GMA系統(tǒng)快速響應的需求。 根據(jù)精密驅(qū)動和精密定位的要求，建立了GMA測控系統(tǒng)。在穩(wěn)定的環(huán)境中，進行了GMA預壓力實驗、偏置電流實驗、遲滯特性實驗

5、和精密定位實驗，根據(jù)實驗結果確定了GMA偏置條件和工作范圍。對GMA的主遲滯回線和一階折返曲線進行了精密測量和分析，基于實驗數(shù)據(jù)建立了GMA的Preisach遲滯修正模型。為了避免對Preisach算子求逆，提出了一種以當前位置為基準的輸入校正算法?；谠撍惴▽崿F(xiàn)了GMA開環(huán)下的精密定位。 應用是微致動技術研究的目標和方向，也是約束。討論了GMA工程應用的實現(xiàn)形式，提出了面向應用的三個器件，分別進行了結構設計和實物制作，并分析了