超磁致伸缩致动器及微动平台设计

发布时间：2017-04-28 07:03

  本文关键词：超磁致伸缩致动器及微动平台设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精密工程技术在航空航天和精密机械等尖端技术领域中被广泛应用,但随着科学技术的快速发展,各个领域都对微动系统有着迫切的需求,因此急需开发一种简单可靠的微动系统。微动平台通常是指具有毫米级的行程以及分辨率和精度在亚微米级的机构,他通常包括微致动和微定位两部分,微致动机构将电能等能量转化为位移和力的输出,而微定位机构将力和位移进行放大或改变方向后传递给平台。超磁致伸缩材料是一种新型功能材料,适合应用于微致动技术中,其可以实现电磁能和机械能相互转化,具有承载能力强、输出位移大、响应时间短和功率密度比大等优点,已作为驱动源应用在精密加工、主动振动控制和直线致动器等领域。柔性铰链可以认为是一种结构独特的传动机构,其利用弹性材料的可逆弹性形变产生所需位移或转动,相比于传统机械传动形式,其具有精度高、尺寸小和无运动空程等优点。本文从微致动技术和微定位技术这两方面入手,旨在利用超磁致伸缩材料和柔性铰链结构,设计一种基于超磁致伸缩致动器的微动平台。首先以微定位技术和微致动技术为背景,分别对应介绍了柔性铰链微动机构,以及超磁致伸缩材料和致动器。然后,根据磁致伸缩致动原理,设计了一种超磁致伸缩移致动器,并设计闭合磁路和冷却系统等结构,完成棒材选型和线圈参数等计算工作,并进行了位移输出的实验验证。随后采用有限元分析方法,使用Ansys软件中的电磁分析模块对致动器进行电磁学仿真,并结合数据分析闭合磁路、线圈和各部件的磁场特性。接着,建立倒圆角直梁型柔性铰链数学模型,分析影响铰链刚度的因素,据此设计基于柔性铰链的微动放大平台,并应用Workbench软件完成静力学仿真和模态分析。之后,建立了超磁致伸缩致动器动力学模型并计算系统传递函数,设计PID控制程序并应用Simulink进行仿真,还对致动器进行开环控制试验,分析不同参量对平台系统控制的影响。最后,总结分析全文研究内容、过程和结果,并对未来工作和待研究问题做进一步展望。
【关键词】：超磁致伸缩致动器 柔性铰链 微动平台 静力学仿真 电磁学仿真
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH122;TB381
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 论文研究的背景和意义11-12
• 1.2 精密工程技术概述12-14
• 1.2.1 微定位技术及柔性铰链概述12
• 1.2.2 微致动技术及智能材料简介12-13
• 1.2.3 致动器及驱动材料13-14
• 1.3 超磁致伸缩材料及致动器简介14-16
• 1.3.1 超磁致伸缩材料简介14-15
• 1.3.2 超磁致伸缩材料的物理性能15-16
• 1.3.3 磁致伸缩致动器16
• 1.4 国内外研究现状16-20
• 1.4.1 磁致伸缩致动器国内外研究现状16-18
• 1.4.2 柔性铰链微动平台国内外研究现状18-20
• 1.5 论文主要研究内容20-23
• 1.5.1 系统整体方案设计20-21
• 1.5.2 主要研究内容21-23
• 第2章 超磁致伸缩致动器设计23-39
• 2.1 超磁致伸缩效应和理论23-26
• 2.1.1 磁致伸缩效应及机理23-24
• 2.1.2 磁致伸缩的唯象理论24-25
• 2.1.3 超磁致伸缩材料的磁—机耦合特性25-26
• 2.2 超磁致伸缩致动器设计26-35
• 2.2.1 GMM棒选型27-28
• 2.2.2 线圈的设计28-35
• 2.3 实验35-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第3章 超磁致伸缩致动器的磁场特性分析39-53
• 3.1 Ansys有限元分析软件介绍39
• 3.2 电磁场分析基本理论39-41
• 3.3 超磁致伸缩致动器有限元仿真分析41-45
• 3.3.1 建模41-43
• 3.3.2 设定材料参数43-44
• 3.3.3 划分网格44-45
• 3.4 闭合磁路磁场特性分析45-46
• 3.5 磁致伸缩棒内磁场强度均匀性分析46-49
• 3.5.1 磁场径向均匀性分析47-48
• 3.5.2 磁场轴向均匀性分析48-49
• 3.6 超磁致伸缩致动器磁场特性分析49-52
• 3.6.1 致动器总体磁场特性分析49-50
• 3.6.2 超磁致伸缩棒磁场特性分析50
• 3.6.3 致动器输出轴磁场特性分析50-51
• 3.6.4 致动器外壳磁场特性分析51-52
• 3.6.5 致动器后端盖磁场特性分析52
• 3.7 本章小结52-53
• 第4章 微动机构的设计和仿真分析53-71
• 4.0 柔性铰链简介53-54
• 4.1 倒圆角直梁型柔性铰链的特性分析54-58
• 4.2 柔性铰链位移放大机构和平台设计58-60
• 4.3 柔性铰链微动机构的静力学分析60-66
• 4.3.1 柔性铰链微动机构结构优化62-63
• 4.3.2 柔性铰链微动机构静力学特性分析63-66
• 4.3.2.1 微动机构的输入位移与输出位移关系64-65
• 4.3.2.2 微动机构的输入力与输出力65
• 4.3.2.3 微动机构的力与位移关系65-66
• 4.4 柔性铰链微动机构的强度分析66-68
• 4.5 柔性铰链微动机构的模态分析68-69
• 4.6 本章小结69-71
• 第5章 微动平台系统的PID控制仿真71-83
• 5.1 微动平台系统动态特性分析71-76
• 5.1.1 微动平台系统的动力学模型71-75
• 5.1.2 微动平台系统传递函数75-76
• 5.2 PID控制仿真76-79
• 5.2.1 系统开环响应分析76-77
• 5.2.2 PID控制系统设计77-79
• 5.3 不同参量对平台系统动态响应的影响79-82
• 5.3.1 m_1和m_2对平台系统的影响80
• 5.3.2 c_1和c_2对平台系统的影响80-81
• 5.3.3 k_1和k_2对平台系统的影响81
• 5.3.4 k_(Δin)和k_(Δout)对平台系统的影响81-82
• 5.4 本章小结82-83
• 第6章 总结与展望83-85
• 6.1 本文工作内容总结83-84
• 6.2 研究展望84-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-91
• 作者简介91

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