超磁致伸缩精密位移驱动器的热分析与控制

论文摘要

高精度和高分辨率的超精密工作台在近代尖端工业生产和科学研究领域具有极为重要的地位和广泛的应用前景。超磁致伸缩精密位移驱动器(GMA)是利用磁致伸缩棒的轴向磁致伸缩效应实现精度位移驱动,具有应变大、能量密度高、响应速度快、工作温度范围广等优点,但是由于驱动线圈发热及使用环境温度变化等因素导致热变形。为了提高驱动器的输出位移精度,必须对GMA的热误差产生的原因进行分析,并研究减小或消除热变形误差的方法。论文第一章介绍了典型的微位移驱动技术,对超磁致伸缩驱动器及超磁致伸缩材料的特点进行了分析。综合阐述了国内外相关研究的现状,最后介绍了本文研究的主要内容。第二章研究了GMA的温度场和热变形,使用有限元软件对GMA温度场及热变形进行了分析。第三章对GMA的强化传热结构进行优化和设计。第四章设计了GMA强制水冷温度控制系统。第五章对GMA进行了相关实验研究,包括温度控制的稳定性和鲁棒性实验、不同环境温度和目标温度对GMA输出位移的影响实验。最后,对论文研究取得的结论进行了归纳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 精密位移驱动技术应用背景和研究意义
• 1.2 精密位移驱动技术的实现方式
• 1.2.1 精密位移驱动技术的分类
• 1.2.2 基于传统方法的精密位移驱动技术
• 1.2.3 基于智能材料的新型精密位移驱动技术
• 1.3 基于超磁致伸缩材料的精密位移驱动技术概述
• 1.3.1 超磁致伸缩材料及其特点
• 1.3.2 超磁致伸缩驱动器及其工作原理
• 1.3.3 超磁致伸缩驱动器的发热问题
• 1.4 超磁致伸缩驱动器的发热分析与控制技术研究现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 超磁致伸缩精密位移驱动器的发热影响分析
• 2.1 超磁致伸缩精密位移驱动器结构
• 2.2 温度变化对超磁致伸缩精密位移驱动器特性的影响
• 2.3 超磁致伸缩精密位移驱动器温度场的有限元分析
• 2.3.1 传热基本定律
• 2.3.2 有限元建模和网格划分
• 2.3.3 载荷和边界条件
• 2.4 超磁致伸缩精密位移驱动器温度场稳态分析
• 2.5 超磁致伸缩精密位移驱动器温度场瞬态分析
• 2.6 温度变化对超磁致伸缩精密位移驱动器输出位移精度影响的分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 超磁致伸缩精密位移驱动器的传热结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 超磁致伸缩精密位移驱动器的线圈发热分析
• 3.2.1 线圈发热模型
• 3.2.2 线圈结构优化
• 3.3 超磁致伸缩精密位移驱动器的水腔强化对流换热
• 3.3.1 水腔对流换热模型
• 3.3.2 水腔结构设计
• 3.4 超磁致伸缩精密位移驱动器的翅片强化散热
• 3.4.1 翅片管强化传热分析
• 3.4.2 翅片结构设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 超磁致伸缩精密位移驱动器的水冷温控系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 温控系统总体设计要求
• 4.3 强制水冷温控系统的硬件设计
• 4.3.1 温控系统总体设计方案
• 4.3.2 控制系统的选择和配置
• 4.3.3 温度传感器的选用
• 4.3.4 温度传感器调理电路设计
• 4.3.5 冷却装置控制电路设计
• 4.4 预测--时间比例控制算法
• 4.5 软件的设计与实现
• 4.5.1 软件开发平台的选择
• 4.5.2 软件系统流程
• 4.6 本章小结
• 第5章 超磁致伸缩精密位移驱动器的水冷温控系统实验研究
• 5.1 温度传感器的标定实验
• 5.2 温度控制稳定性和鲁棒性实验
• 5.3 温度控制对驱动器输出位移影响的实验
• 5.3.1 无温度控制实验
• 5.3.2 强制水冷温度控制实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢