超磁致伸缩致动器及微动平台设计

来源 :东北大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:potato_212
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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。
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