超磁致伸缩微位移驱动系统的研究
1 前言
微位移技术是精密加工和超精密加工的关键技术之一，被广泛应用于超精密加工中，以调整工具、保证工件的加工尺寸精度和表面质量。如超精密车削中，金刚石刀具的切深微调要保证在亚微米级的精度：在超精密磨削中，砂轮的微进给量要求达到百分之几微米；用于超精密机床的误差补偿微量进给机构，其位移精度要求更高。近年来，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微机械研究的兴起，以及与之相应的微操作的迫切需要，对微位移技术提出了越来越高的要求，要求其定位精度高、响应速度快、转换效率高、功率密度大。
目前，随着一些新型功能材料的出现，为微位移及其相关的研究又开拓了一片新的领域。本文着重对基于超磁致伸缩材料——一种新型的电(磁)—机械能转换材料的微位移驱动系统进行研究。
2 超磁致伸缩材料及其驱动原理
稀土铁系超大磁致伸缩材料是一种新型、高效的磁(电)一机械能转换材料，是继稀土永磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后兴起的又一种稀土功能材料，是由美国水面武器中心的Clark博士于20世纪70年代初首先发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物。与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料镍、钻等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大，是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；能量密度高(14000～25000J/m3)，是镍的400～500倍，是压电陶瓷的10～14倍；机电藕合系数大(0.72) ；响应速度快(达到μs级)；输出力大，可达220～880N。
1.冷却水管 2.出水口 3.可控恒流源 4.进水口 5.超磁致伸缩材料 6.预压弹簧 7.变形部分 8.永久磁铁 9.导磁体 10.驱动线圈
图1 超磁致伸缩材料驱动原理简图
超磁致伸缩材料的特性可由磁致伸缩方程表示，式(1)和式(2)是考虑热变形的磁致伸缩方程式。 e=sHs+dH+a?T (1)
B=ds+msH (2)
式中：e、H、B、s和d分别表示超磁致伸缩材料的应变、平均磁场强度、磁感应强度、内应力和磁致伸缩应变系数；a和?T分别表示超磁致伸缩材料单位长度的热膨胀系数和平均温升；sH和ms分别表示超磁致伸缩材料的柔度系数和磁导率，它们分别受磁场强度及应力的影响。
图1是笔者根据超磁致伸缩材料的驱动特性所采用的驱动原理简图。图中，导磁体9、永久磁铁8与超磁致伸缩材料5组成闭合磁路，以减少磁泄漏；预压弹簧6给超磁致伸缩材料5提供一定的预压力，以增大其伸长量；超磁致伸缩材料5的驱动磁场是由永久磁铁8产生的偏置磁场与驱动线圈10产生的变化磁场叠加而成，并通过改变可控恒流源3的驱动电流以产生相应的微位移；为了抑制由于驱动线圈10的发热而引起的超磁致伸缩材料5的热伸长，采用通入恒温水的方法将超磁致伸缩材料的温升控制在一定范围内。
3 系统的组成及工作原理
图2 超磁致伸缩微位移驱动系统的组成原理框图
图2是超磁致伸缩微位移驱动系统的组成原理框图。从图中可知：本系统的核心是内置单片机的超磁致伸缩执行器驱动电源，单片机通过读取按键的设定值来调用相对应的程序，并将相应的输出电流的数字量经D/A转换器转换为-5～+5V的电压信号，功率放大部分再将其放大为-3～+3A的电流信号，以使驱动线圈产生相应的磁场来驱动超磁致伸缩材料，然后将超磁致伸缩材料产生的位移通过执行机构传递出来。
为了提高超磁致伸缩微位移驱动系统的控制精度，减小滞回等非线性特性，笔者通过霍尔传感器直接对超磁致伸缩材料的驱动磁场进行监测，并通过位移传感器实现了输出位移的闭环控制。并加入了恒温水冷却系统，以抑制由于驱动线圈的发热而引起超磁致伸缩材料的热伸长。超磁致伸缩材料的微位移和输出力的传递是整个系统设计的难点和重点之一，普通的传动副的微位移精度低，并且存在摩擦和爬行现象，难以满足微米、纳米级微位移驱动精度的要求。因此设计了一种中心厚、边缘薄、周边固支的圆形膜片做为该微位移执行器的传递机构，这种结构不仅具有柔性铰链的零件少、无摩擦、无磨损、无传动间隙、自身具有回程反力等优点，同时还具有柔性部分在变形时无应力集中、疲劳强度高、制造较为容易等特点。
本系统不仅可以采用单片机控制，还可以通过RS-232 串行口，实现与上位微机之间的数据交换和微机控制。
4 实验结果及微进给精度分析
我们对所研制的超磁致伸缩微位移驱动系统进行了实验研究。实验中采用的超磁致伸缩棒的直径为?11mm，长度为88mm；位移传感器选用中原量仪厂生产的高精度电感测微仪；磁场传感器选用中科院半导体所生产的霍尔片；特斯拉计选用首都师范大学生产的PG-5型特斯拉计。
图3 磁感应强度与位移曲线
将实验装置置于隔振平台上，首先通入恒温水预热一段时间，并通入电流对超磁致伸缩材料训练数次。然后，通入连续变化的电流，采用电感测微仪测出超磁致伸缩微位移驱动系统的输出位移，并通过霍尔传感器测出相应的磁感应强度。图3是系统的输出位移与磁感应强度的关系曲线。
由图3可知，系统的输出位移可达40μm。由于本系统采用了磁感应强度作为控制量，在一定程度上减小了滞回系数，提高了位移输出的重复性和控制精度。但是，当驱动磁场低于200mT时，系统的位移输出较小，并且滞回系数较大，因此在实际使用时，应尽量避免使用这段曲线。
我们同时还对系统的微进给闭环系统采用通入恒温水的办法将系统的热伸长抑制在很小的范围内，同时采用位移传感器进行了补偿，因此系统的误差主要由传感器的误差和微位移驱动系统的最小步距两部分组成。根据误差合成理论，将上述两项误差合成为系统的微位移误差为 s=(s传2+ss2)? (3)
式中：s传——传感器误差
ss——驱动系统的最小步距
驱动系统的最小步距s，是由D/A转换器的分辨率、驱动磁场的变化范围和系统的输出位移与磁感应强度的关系曲线的最大斜率三部分共同决定的。本系统选用的D/A转换器AD7521的分辨率为12位，驱动磁场的变化范围为677.4mT，并且系统的输出位移与磁感应强度的关系曲线的最大斜率Kmax可由图3得出：Kmax=0.00873μm/T，则微进给系统的最小步距可由下式求得 ss= 677.4 Kmax=0.014μm
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对于传感器误差。传可以采用精度更高的传感器对其进行实验测定。通过实测，本系统的传感器误差不大于0.1μm。由式(3)可得系统的微位移误差为
s=(0.12+0.0142)?≈0.101μm
由上式可知，系统的微位移误差主要是由传感器的误差引起的，如果选用更高精度的位移传感器，将会大幅度提高系统的微位移精度。
5 结束语
采用超磁致伸缩材料这种新型的功能材料作为微位移器件，研制成功了微位移驱动系统。通过实际测定，系统的输出位移可达40μm，闭环控制误差不大于0.101μm，并具有滞回小和输出力大、重复性好、控制精度高等优点。
本系统不仅可以应用于精密机床刀具或工作台的微动进给，还可作为一个频率和振幅可调的激振源应用于其它领域。
