超磁致伸縮執行器畢業論文-wenkub.com

　 　

【正文】 也感謝我所有的家人，謝謝你們的幫助和照顧。感謝和我一起生活三年的504親愛的姐妹們，是緣分讓我們走到了一起，相識在了華科，三年的大學生活里我們哭過、笑過、爭吵過，但一切都只會成為我在華科的美好的記憶，作為我的學友、飯友,你們給了我很大很大的幫助和照顧，謝謝你們,愿我們在以后的道路上越走越遠，也愿我們的人生可以充實、多彩。參考文獻[1] 羅德容，黃其煜，2009，9（6）：5～8[2] 況延香，2000，21⑴：1～6[3] ，2008，24⑸：85～87[4] 朱子健，陳仁文，徐曉奕，2003，39⑶：4～7[5] ，2003[6] ，2007[7] 鄔義杰，2004，11⑷：187～190[8] ：天津大學出版社，2000[9] 鄔義杰，（工學報），2004，38⑹：748～751[10] [D].浙江大學，2005[11] 于靖軍，裴旭， ，2010，46(13)：2～13[12] 吳博達,李軍,楊志剛,[J].壓電與聲光, 1999, 21(2): 99～103[13] 周志平,王隆太,[J].機械設計與研究, 2006, 22(5): 61～64[14] [D].浙江大學，2006致謝時光荏苒，光陰似箭，轉眼之間在華北科技學院的三年大學生活就要過去，回想起來，在大三上半學期能夠有幸選取趙章榮老師的課程是我人生寶貴的財富。下一步，為了使超磁致伸縮驅動器有更大的輸出位移，在設計中加入了位移放大機構，通過參考各種資料后對它的原理和結構有了進一步的了解，結合自己的想法設計出了一種兩級位移放大機構，并對它進行了材料應力的校核以及最大位移的計算，保證該放大機構正確可靠的工作。剛拿到題目的時候，感覺一下就懵了，大學三年所學的知識好像從來沒涉及到這樣的理論，不知道從何下手，后來在指導老師的幫助下，慢慢地上學校網和圖書館搜集到了好多相關的電子資料和圖書，前兩周幾乎就是先看資料，看懂了它們才可以有論文的開始。球閥式容易密封，動作靈敏，因此開關閥的閥芯選用球閥形式。 圖53 開關閥工作過程示意圖由此可見，脈沖噴射開關閥是由致動器運動，引起閥腔內流體壓力和體積瞬時變化形成脈沖噴射的。開關閥本體是系統的運動執行單元，包括閥芯、節流口、閥腔和噴嘴(結構如圖52所示)，通過閥芯在節流口處的快速上升、下降實現閥的快速開關功能，通過噴嘴的面積突變實現噴射功能；致動器是系統的動力單元，在電源脈寬調制波形信號( Pulse width modulation，簡稱PWM)的驅動下，致動器輸出位移和驅動力，推動開關閥快速開合，實現流體的脈沖噴射。 脈沖噴射開關閥的結構和原理高速開關閥是近年來發展起來的一種數字電液控制元件，具有結構簡單、控制精度高、響應速度快、數控能力強等優點，數字信號只有“開”、“關”兩種形式，簡單可靠，受負載及其他干擾的影響小，且開關閥的流量大于普通脈沖噴射裝置的流量。可陣列化使用。其用途如下：主要應用于各行業真空吸氣工藝：如物料吸收輸送、冷凝、蒸餾蒸 發、濃縮、脫色除味、供氧除氧、干燥結晶過濾、化學吸收、尾（廢）氣體中和、真空抽水、真空造型等工藝。提高引射流體的壓力而不直接消耗機械能，這是噴射器最主要的最根本的性能。在沿噴射器流動的過程中，混合流體的速度漸漸均衡，于是混合流體的動能相反地轉變為勢能或熱能。工作流體以很高的速度從噴嘴出來，進入噴射器的接受室，并把在噴射器前的壓力較低的介質帶走。這樣一種裝置叫做噴射器，在這種裝置里，不同壓力的兩股流體相互混合，并發生能量交換，以形成一股居中壓力的混合流體。由于噴射水流速特別高，將壓力能轉變為速度能，使吸氣區壓力降低產生真空。(2)所設計的對稱式位移放大機構在對稱連接點處存在較大的內部約束反力。圖46　放大機構有限元網格劃分示意圖圖47　放大機構的y向應力應變云圖在機構的輸出端施加不同的負載,經Ansys計算可得到不同的應力應變云圖,如圖47所示，從各個云圖可讀取輸出端不同的位移值，表3為不同負載所產生的放大機構A端的輸出位移和放大倍數,圖48為機構輸出位移與施加負載的關系,可見它們間仍然存在著線性關系,這與式(417)所建的位移模型相一致。因而,該放大機構所允許的最大輸入位移即為y允=,若改善薄弱節點強度,所允許的最大輸入位移將有所提高。同樣,對于節點2,其R2t2=,轉動剛度kθ2=,可求得yin2=。由式(4)可求得鉸鏈節點的轉動剛度kθ:(Nb——節點厚度(mm)。整個機構為對稱式結構,有較高的整體剛性,輸入位移可通過左右兩條運放鏈向輸出點進行傳遞,理論上可完全消除機構的側向附加位移,有效地減小了自身的縱向耦合位移誤差。在精微領域，柔性機構可以設計作為傳動裝置執行器和傳感器等，不過，距離實際應用還面臨若干理論與技術層面上的挑戰，相對剛性機構而言，柔性機構的系統研究不過才剛剛走完20年的歷程，很多理論及方法還不完善。在仿生機械及機器人等領域，柔性機構也發揮著越來越重要的作用，該類機構通常又被稱為柔性仿生機構,下文都簡稱為柔性機構。⑷ 分析了選用彈簧作為預壓力裝置的適用特點，同樣，根據其特點選擇了合適的預壓應力。表31 GMA的主要結構與性能參數參數名稱參數值超磁致伸縮棒規格Φ21mm150mm激勵線圈長度165mm激勵線圈匝數2199激勵線圈外徑68mm偏置線圈外徑94mm偏置線圈匝數1434激勵磁場強度2300Oe偏置磁場強度1500Oe最大輸出位移65μm最大輸出力500N線圈骨架內徑22mm線圈骨架外徑94mm綜上所述，超磁致伸縮驅動器的設計主要包括機械和電兩方面,、已知參數和待求參數,并校驗其他工況下的輸出性能否符合要求,然后 通過實驗確定磁路的修正量,以對整個設計作適當的優化. 遵循上述準則設計出的該超磁致伸縮驅動器體積小、重量輕、結構簡單,輸出性能可以達到設計要求，實際驅動器的主要結構與性能參數見表31。采用獨立直流線圈和疊加偏置電流的方式，可通過調節電流改變偏置磁場的大小,調整比較方便，在GMA中經常使用。圖34 磁致伸縮率與磁場強度關系示意圖采用永磁體，不需要偏置電流，因此線圈發熱減少，對電源的輸出功率要求也相對降低，適合執行器長期連續工作的場合，但永磁體增加了磁回路的磁阻，磁滯損耗增大，而且產生的偏置磁場不可調節,并且對超磁致伸縮棒長較大的情形,由于超磁致伸縮棒磁導率低,僅在其端部產生較強的偏置場,極化效果不理想,只能用于小尺寸的場合。具體說，磁路設計包括偏置磁場設計、如何減少磁泄漏，提高電－磁轉換效率，改善磁致伸縮棒所處磁場的均勻性等方面。代入前邊計算的數據，得到激勵線圈的寬度為20mm。根據通電電流的最大值，選擇通電導線。 激勵線圈的設計線圈為GMM 棒提供所需的磁場，是電－磁轉換的載體，線圈的幾何尺寸是影響磁場強度和電－磁轉換效率的重要因數，也是GMA體積的主要影響因數。 GMM棒的設計 材料的選擇GMM 棒的設計包括GMM 材料的選擇、GMM 棒的幾何形狀和尺寸設計。還有一些特殊的預壓方法,比如利用易于獲得并能靈活調節壓力的高壓油、氣源等來對超磁致伸縮棒施加預壓力不失為很好的選擇，本次設計采用的就是彈簧加螺釘的方法，見第2章圖27系統裝配圖所示。m，而系統結構所要求的輸出位移為300μm，所以必須加入一定的位移放大機構才能實現位移的匹配，位移放大機構在下一章會有詳細的介紹和設計。 GMA總體結構設計應用于特定場合的超磁致伸縮驅動器,通常要在基本結構的基礎上加上一定的輔助功能機構,比如輸出變換機構、熱變形控制機構和傳感裝置等，輔助功能機構的取舍取決于設計要求:⑴如果要求的輸出位移與采用基本結構所獲得的輸出位移不匹配,那么就必須加入適當的位移放大/縮小機構。超磁致伸縮棒在正反向磁場中都是伸長的,因而由交變磁場驅動的超磁致伸縮驅動器輸出的機械運動頻率是輸入電流頻率的2倍,稱為倍頻特性,(又稱極化磁場),既可消除倍頻帶來的非線性影響,又可使超磁致伸縮棒工作在伸縮率最大的線性區,同時使機電耦合系數較高,并可減小超磁致伸縮驅動器響應的不靈敏區域。某些情況下,超磁致伸縮驅動器還包括感裝置、輸出變換機構和熱變形控制機構等,分別于反饋控制、輸出位移放大/縮小和抑制(或補償)超磁致伸縮棒的熱變形；在交流線圈與驅動棒之間填充高效隔熱材料可以減小溫升對超磁致伸縮棒性能的影響； 隔熱材料可選塑料和電工膠布或其他高效輕質材料。一些壓電換能器的工作電壓很高(數千伏)，易出現電擊穿問題，而稀土超磁致伸縮材料換能器在較低電壓(12v～1O0v)下工作，換能器可動件少，磨損小，這也使可靠性提高。靜場應變飽和值達到1500x10一6～2000xl0一6，在線性范圍內也達l000x10一6，此值為Ni的30倍、壓電陶瓷的3～5倍，在共振頻率下，動態應變比靜態應變還要高數倍，稀土超磁致伸縮材料承受能力大于、等于20MPa，而壓電陶瓷的上限僅4MPa，與此相應，這樣材料的能量密度達14kJ/m3～25kJ/m3，是壓電陶瓷的10～25倍，此外，這種材料的機電耦合系數=～，明顯高于壓電陶瓷和其他材料，且由于換能器磨損小，所以這種超磁致伸縮材料換能器的能量轉換效率也高于傳統換能器。材質硬但較脆易碎，機械加工困難。⑦居里溫度高，可適用于高溫環境。⑤磁致伸縮變形的線性范圍大。因為產生巨大磁致伸縮應變所需的磁場很容易達到，可以使器件的結構簡單緊湊，輸出功率比PZT材料高數十倍。 ②磁機耦合系數(K)高。在一定的磁場作用下，稀土超磁致伸縮材料的長度發生變化。至90年代前后，一些國家實現了商品化的GMM生產，如莢國公司的Tcrf01．D，瑞典FcrcdynAB公司的Magmek86，隨后日本、俄羅斯、英國和澳大利亞等也相繼研究開發出TbDyFe2型GMM。接著維拉里(E．Viiiari)發現了磁致伸縮逆效應，鐵磁體在發生變形或受到應力作用時會引起材料磁場發生變化的現象。⑵微機械用智能材料結構常用作微機械材料的智能材料有硅材料、形狀記憶合金、電致伸縮材料、電（磁）流變材料、導電聚合物、儲氫材料等。 微機械用智能材料結構 ⑴智能材料結構特點將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構件具有人們期望的智能功能，如具有識別、分析、處理及控制等多種功能，并能進行數據的傳輸和多種參數的檢測，而且還能夠動作，具有改變結構的應力分布、強度、剛度、形狀等多種功能，從而使結構材料本身具有自診斷、自適應、自學習等能力，這種結構稱為智能材料結構。我國許多高校和研究所也取得不少進展。其必須具備的基本要求是：⑴體積小，精度高，重量輕；⑵性能穩定，可靠性高；⑶能耗低，靈敏度和工作效率高；⑷多功能和智能化；⑸適于大批量生產，制造成本低廉。噴嘴在整個電路板上方只沿x、y軸方向運動,無需沿Z軸方向移動,在各線段間轉換時不需要停止運動,因此大大節省了加工時間,提高了生產效率。 結構設計如圖27所示,系統由上機控制單片機發出數字信號,通過D /A轉換,輸出電壓信號,輸入到壓控恒流源,壓控恒流源輸出電流,作用于超磁致伸縮執行器的激勵線圈產生變化的磁場,使超磁致伸縮元件(GMM棒)伸縮,通過輸出頂桿傳遞到位移放大機構,位移經圖27　微量膠液噴射系統框圖過放大后傳遞到噴針,噴針撞擊存儲有膠液的底座,將機械能轉移到膠液,使膠液通過噴嘴形成膠點并噴出，本次設計只包括機械結構的設計。國外已將之應用于伺服閥、比例閥和微型泵等流體控制元件中,并取得了一些進展，現在將超磁致伸縮材料的伸縮運動作為驅動力應用到噴射式點膠系統中。傳統的點膠系統采用的是針筒式點膠方式,點膠針筒必須距離器件很近,對于需要進行底部填充的器件,點膠針頭需要降低至器件頂部以下,針頭邊緣必須盡可能地與器件邊緣靠近,且不引起接觸和器件損壞, 這在實際操作中是非常困難的。對于以上各參數的調整，應按由點及面的方式進行，任何一個參數的變化都會影響到其他方面，同時缺陷的產生，可能是多個方面所造成的，應對可能的因素逐項檢查，進而排除，膠水的黏度控制和噴嘴頭大小的選擇顯得更為重要，總之，在生產中應該按照實際調整各參數，既要保證生產質量，又能提高生產效率。(2)膠點的大小與噴嘴頭的大小及點膠時間的關系：通常噴嘴頭內徑大小應為點膠膠點直徑的1／2，合適的噴嘴頭與優化的點膠時間／點膠高度既保證了點膠的質量，即Z軸高度校準，又能保證合理的膠點大小，膠點的大小和噴嘴頭的大小及點膠時間的關系見圖22。(1)速度和生產效率：高噴射率多達每秒200點、無z軸移動現象、“在空中”噴射要求各滴涂點之間無停動現象、要求高度校準工作更少、防止膠體拉絲的無針頭式退回技術，生產效率可提高至100%。新技術采用噴嘴替代針頭，解決了針頭式點膠系統難題。而對于需要進行底部填充的器件，點膠針頭需要降低至器件頂部以下，針頭邊緣必須盡可能地與器件邊緣靠近，且要避免接觸和損壞器件。隨著自動化技術的迅猛發展，手工點膠已經遠遠不能滿足工業上的要求。 在自動化這塊，國內的三軸平臺，圓周點膠機等等已經有多年的發展歷史，如果只是普通的精度，那么使用國內點膠機和平臺就可以了。當前，能夠部分應對以上挑戰的點膠技術基本上只有接觸式的螺桿泵點膠和非接觸式的噴射點膠。⑺針頭一般而言比20號小的針頭都可能產生空氣問題 滴漏或垂流。 應確保使用新鮮的瞬間膠. 將管路以未含濕氣的Aceton丙酮徹