高精度超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱變形控制新方法的研究結(jié)題摘要

新型超磁致伸縮智能材料在大行程、大功率、低電壓驅(qū)動(dòng)等方面具有顯著的優(yōu)越性。本項(xiàng)目針對高精度超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱變形控制難題，開展了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱變形控制新方法研究，提出相變水冷復(fù)合恒溫構(gòu)件的新概念及綜合利用相變材料潛熱特性和強(qiáng)制水冷對流換熱特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)該構(gòu)件的新構(gòu)思， 研究超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱特性，建立揭示其機(jī)電磁之間耦合關(guān)系的多場耦合計(jì)算模型；提出超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器GMA熱變形控制簡化強(qiáng)制水冷相變和直接液體冷卻溫控方法，建立了流-固耦合傳熱模型和全閉環(huán)串級(jí)溫度控制策略，并研制了其溫控模擬試驗(yàn)裝置；構(gòu)建了基于遺傳算法的嵌入式超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器GMA多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；提出一種基于正交建模的智能空間柔順構(gòu)件多目標(biāo)優(yōu)化方法；建立了用于異形孔精密加工的超磁致伸縮構(gòu)件微位移線性化遲滯建模和滑?？刂品椒?，并基于線圈阻抗動(dòng)態(tài)測量原理提出了GMM變磁導(dǎo)率自傳感模型。在此基礎(chǔ)上，以非圓復(fù)雜型面精密加工微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)為應(yīng)用背景，根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)制作了非圓加工微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)GMA，構(gòu)建了基于虛擬儀器技術(shù)的高精度超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器GMA綜合特性測控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過機(jī)電磁熱靜動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型和方法的有效性，該綜合特性測控平臺(tái)的建立為超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的性能分析提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝備。本項(xiàng)目研究已圓滿完成項(xiàng)目所要求的研究目標(biāo)，已發(fā)表論文15篇，其中SCI收錄1篇，EI收錄8篇；共申請專利9項(xiàng)，已授權(quán)7項(xiàng)，其中發(fā)明專利授權(quán)4項(xiàng)；實(shí)用新型專利授權(quán)3項(xiàng)。相關(guān)研究成果既可為研究開發(fā)高精度超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器提供關(guān)鍵技術(shù)，又可為后續(xù)研究提供重要的理論基礎(chǔ)。 2100433B

本項(xiàng)目針對高精度超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱變形控制難題，建立一種基于相變水冷復(fù)合溫控原理的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱變形控制新方法。提出相變水冷復(fù)合恒溫構(gòu)件的新概念及綜合利用相變材料潛熱特性和強(qiáng)制水冷對流換熱特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)該構(gòu)件的新構(gòu)思；研究超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱特性；建立機(jī)電磁熱多場耦合模型；研究相變水冷復(fù)合恒溫構(gòu)件相變材料選配方法、熱傳導(dǎo)模型、溫度場數(shù)值模擬技術(shù)和多目標(biāo)優(yōu)化方法；建立一套相變水冷復(fù)合恒溫構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以期為研究開發(fā)高精度超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器提供關(guān)鍵技術(shù)。.可見，開展本項(xiàng)目的研究不僅可為解決超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器熱變形控制難題提供一條新的途徑，有力地促進(jìn)我國超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器工作精度的提高，有效推動(dòng)我國微驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，并對精密加工、精密測量、精密隔振、空天飛行器自主控制、微機(jī)器人、生物細(xì)胞操作及微機(jī)電系統(tǒng)裝配等尖端領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

MEMS陀螺是陀螺儀發(fā)展的一個(gè)重要方向。不同于發(fā)展成熟的支懸梁-活動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微陀螺，本項(xiàng)目提出了一種基于超磁致伸縮材料塊體的固體振子雙輸入軸微陀螺，其結(jié)構(gòu)簡單，無支撐梁，抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)；借助于超磁致伸縮材料(GMM)的大應(yīng)變振動(dòng)特性，其測量靈敏度高。 本項(xiàng)目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的振動(dòng)模態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電磁系統(tǒng)仿真、制造工藝以及測控方法進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)微陀螺裝置奠定理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的實(shí)施取得了預(yù)期成果，主要總結(jié)為： 1、微陀螺的設(shè)計(jì)和仿真。根據(jù)GMM數(shù)理模型，采用更具擴(kuò)展性的弱解方程方法，利用COMSOL軟件計(jì)算了GMM振子的振動(dòng)工作模態(tài)，結(jié)果與壓電-壓磁比擬法的相近。微陀螺的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由GMM方體振子、平面線圈定子、偏置永磁體和GMR傳感器組成，進(jìn)行了部件選用和設(shè)計(jì)。采用磁矢勢弱解方程法對通電平面線圈和永磁體的空間磁場分布進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真。 2、微陀螺表頭的制造。采用濺射、光刻、電鍍等MEMS工藝，獲得了多種線寬和匝數(shù)的驅(qū)動(dòng)平面線圈定子。對集成厚金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)煙硫酸氧化刻蝕去除SU-8膠模的技術(shù)深入試驗(yàn)研究，獲得了刻除SU-8膠模的速率曲線，從而提供了一次浸入發(fā)煙硫酸干凈刻除SU-8膠模的時(shí)間，避免了反復(fù)取出觀測或過刻對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕；成功集成了厚達(dá)500μm的電鑄鎳微結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，成功組裝了長寬高尺寸之和不大于20mm的磁致伸縮固體振子微陀螺表頭。 3、微陀螺的驅(qū)動(dòng)及檢測電路。為微陀螺表頭設(shè)計(jì)了激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路（采用DDS芯片）、恒電流輸出線圈驅(qū)動(dòng)電路、GMR磁場信號(hào)檢測電路和信號(hào)解調(diào)處理電路，進(jìn)行了電路仿真分析和PCB板制作。 4、微陀螺的測試實(shí)驗(yàn)。利用LCR儀測量了定子平面線圈的阻抗，為表頭中上下定子驅(qū)動(dòng)線圈的配對選取提供參考。采用鎖相放大器分別利用定子平面線圈和繞制線圈進(jìn)行掃頻激勵(lì)，測量了GMM體振子的阻抗頻率特性曲線，二者測得微陀螺GMM振子的工作諧振頻率基本相同，證明了本微陀螺采用雙側(cè)平面線圈的激振方式使GMM振子工作在驅(qū)動(dòng)諧振頻率上是可行的。對微陀螺表頭及其測控電路進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)微陀螺能靈敏地檢測輸入角速度的變化，證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方案在原理上是可行的。 上述研究成果已發(fā)表6篇學(xué)術(shù)論文，其中SCI/EI已檢索英文論文5篇；申請發(fā)明專利2項(xiàng)；培養(yǎng)畢業(yè)碩士生2名。 2100433B

微型固態(tài)振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊能力強(qiáng)，適合MEMS技術(shù)制作，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯勇輧x。相比帶支懸梁的微機(jī)械振動(dòng)陀螺，本項(xiàng)目創(chuàng)造性地將超磁致伸縮材料整體作為振子，基于MEMS技術(shù)制成無支懸梁的固體微陀螺，主要特點(diǎn)如下：（1）超磁致伸縮體伸縮振幅大，可極大提高微陀螺檢測的靈敏度；（2）結(jié)構(gòu)簡單，無支撐梁，抗沖擊抗震動(dòng)能力強(qiáng);（3）易于微加工批量制造，對真空封裝無特殊要求；（4）驅(qū)動(dòng)電壓低，起振時(shí)間極短，因而陀螺啟動(dòng)時(shí)間短。（5）將巨磁阻（GMR）敏感元件集成于陀螺本體上，提高了檢測分辨率，且體積?。唬?）可同時(shí)測量二軸角速率。本項(xiàng)目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的工作機(jī)理、機(jī)電磁系統(tǒng)仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于非硅MEMS技術(shù)的制造工藝以及測控方法進(jìn)行深入研究，為實(shí)現(xiàn)較高測量靈敏度的、多軸微固體陀螺裝置奠定理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目屬機(jī)械、材料、測控、電子等交叉學(xué)科課題，學(xué)術(shù)價(jià)值高，應(yīng)用前景廣泛。