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磁致伸缩材料在微动工作台中的应用

李恒菊  
【摘要】:以Tb-Dy-Fe为代表的稀土超磁致伸缩材料是一种有广泛发展前景的功能材料,它具有磁致伸缩大、响应速度快、磁—机械耦合系数大、磁滞小等优点,是理想的微位移驱动材料。结合超磁致伸缩材料的特性,按照课题给定的性能指标,对超磁致伸缩微位移工作台的机械结构、磁路结构、定位控制系统进行了初步设计;并对设计的工作台进行了工作特性测试。 对课题所选用的超磁致伸缩材料进行了磁特性测试和分析。超磁致伸缩材料的磁特性包括静态特性和动态特性。静态特性包括磁致伸缩系数λ、磁感应强度B、磁机耦合系数K_(33)等;动态特性包括动态应变系数d_(33)、增量磁导率μ、阻抗Z、频率f特性等。本课题主要应用到超磁致伸缩材料的静态特性,即超磁致伸缩材料的应变λ与平均磁场强度H的关系曲线。 微位移工作台的结构设计主要包括驱动器结构设计、定位系统结构设计、工作台的运行控制。定位系统结构设计给出了工作台的定位工作原理、各部分结构设计、运动过程的实现及控制。文中给出了设计的微位移工作台的整体结构的机械图。 应用自动控制系统设计原理,对工作台进行了控制系统硬件电路设计。控制系统的核心部分—微处理器(CPU)采用了Atmel公司的低功耗、高性价比芯片AT89C51。硬件系统主要包括电源电路、时钟复位电路、数控恒流源接口电路、电流转换桥式电路、人机接口。同时也给出了具体的设计方案、功能框图和系统原理图。 工作台的运行控制部分用MCS-51汇编语言编写控制程序,脉冲时间可在1~1000ms连续调节,工作台可以前进和后退各500步。设计了H桥式电路正反向脉冲供电,大大降低了线圈的发热。同时,设计了H桥式电路正反向脉冲供电,工作台能够有效地双向运动和精密定位。 我们研制的微位移工作台性能指标是:总行程为±1000μm,最小位移分辨率为2nm,具有功耗低、完全自动控制、定位精度高、双向可控运动等特点。 研究这样的大量程、高精度的定位工作台将有望在微电子、精密制造、生物学等新兴领域得到广泛应用。


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