磁致伸缩材料在微动工作台中的应用

论文摘要

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K33等；动态特性包括动态应变系数d33、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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 稀土超磁致伸缩材料的特性及应用机理
• 1.1.1 超磁致伸缩材料效应
• 1.1.1.1 温度效应
• 1.1.1.2 磁致伸缩效应
• 1.1.1.3 其它物理效应
• 1.1.2 稀土超磁致伸缩材料主要特点
• 1.1.3 超磁致伸缩材料应用机理
• 1.2 稀土超磁致伸缩材料的制备方法
• 1.3 稀土超磁致伸缩材料的工作特性
• 1.4 稀土超磁致伸缩材料研究概况
• 1.4.1 稀土超磁致伸缩材料理论研究现状
• 1.4.2 稀土超磁致伸缩材料应用研究概况
• 1.4.2.1 国外稀土超磁致伸缩材料的应用研究进展
• 1.4.2.2 国内稀土巨磁致伸缩材料的应用研究进展
• 1.5 微位移工作台的研究现状
• 1.6 选题意义及研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 本课题研究内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 微动工作台的驱动器结构设计
• 2.1 超磁致伸缩材料的工作特性曲线
• 2.2 微动工作台的驱动器结构设计
• 2.2.1 驱动线圈的设计
• 2.2.2 隔热层的设计
• 2.2.3 推动杆的设计
• 2.2.4 驱动器的驱动方式
• 2.3 驱动器基本结构与工作原理
• 2.3.1 驱动器基本结构
• 2.3.2 工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 微动工作台的定位机构设计
• 3.1 定位机构的磁路与机械结构
• 3.1.1 磁路与机械结构
• 3.1.2 定位原理
• 3.2 各部分结构设计
• 3.2.1 永磁体装置
• 3.2.2 定位线圈设计
• 3.2.3 定位线圈内置铁芯设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 工作台控制系统设计
• 4.1 工作台的工作原理
• 4.1.1 工作原理简介
• 4.1.2 工作台单步距工作过程
• 4.1.3 工作台运行过程说明
• 4.2 控制系统的硬件电路设计
• 4.2.1 硬件电路的组成
• 4.2.2 硬件电路的设计
• 4.2.2.1 硬件电路整体设计
• 4.2.2.2 电路图
• 4.2.2.3 人机接口
• 4.3 单片机控制系统
• 4.3.1 控制系统简介
• 4.3.2 控制器驱动方式
• 4.4 本章小结
• 第5章 微动工作台的调试与结果分析
• 5.1 微动工作台的性能测试
• 5.2 各种因素对工作台的影响
• 5.2.1 温度对工作台的影响
• 5.2.2 Tb-Dy-Fe的磁滞特性
• 5.2.3 导轨面的刚度对工作台的影响
• 5.3 微动工作台的位移测量
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1
• 附录2
• 攻读硕士学位期间发表的论文