一种新型超磁致压电混合精密位移机构的研究

    精密位移机构作为精密机械与精密仪器的关键技术之一,已得到广泛应用^[1~6].精密位移系统包括精密位移机构、传感及检测、控制系统等,精密位移机构作为其核心器件,在近年来随各种功能材料的发展和广泛应用得到了飞速发展^[7].压电陶瓷材料在精密驱动器中的应用较早,且技术相对成熟,已经开发了各种新型压电驱动式功能器件,广泛应用于高速流体阀、精密驱动器、精密定位系统等方面^[8~11].随着超磁致伸缩材料的成功开发和生产,以此开发各种精密位移机构逐渐成为研究的热点^[12~16].

    为了增大精密驱动器的行程,本文采用压电陶瓷和超磁致伸缩材料构成混合驱动,该位移机构具有结构简单、大行程、控制方便、精度高等特点.

    1　超磁致压电混合精密位移机构原理

    利用国产GMM棒(φ8×35)和两块压电叠堆(8×8×40)构成蠕动微位移机构,其原理如图1所示,由驱动器、钳位足1、钳位足2以及平行导轨四部分构成,驱动器由超磁致伸缩棒、预紧弹簧、偏置线圈、驱动线圈、调节螺栓等构成,调节螺栓和预紧弹簧给超磁致伸缩棒施加预应力,偏置线圈提供偏置磁场,当驱动线圈中有电流通过时产生驱动磁场时,超磁致伸缩棒在驱动磁场的作用下产生径向变形.钳位足结构如图2所示,柔性铰链用线切割加工制成,压电叠堆通电以后产生径向静态变形,使柔性铰链与平行导轨之间夹紧.驱动器通过螺栓与两个钳位足联接在一起,构成位移机构,且能实现双向移动.

    2　机构运动过程及控制方式

    该机构的运动过程模拟尺蠼动物的爬行过程,根据一周期内节拍数最少的原则确定,运动过程如图3所示.第一步:钳位足1的压电叠堆伸长与平行导轨钳紧;第二步:钳位足1仍保持钳位,超磁致伸缩棒在驱动线圈磁场的作用下伸长,机构向右移动位移δ(超磁致伸缩棒的伸长量);第三步:钳位足1仍保持钳紧,驱动器保持伸长状态,钳位足2的压电叠堆伸长与平行导轨钳紧;第四步:钳位足1的压电叠堆恢复到自然状态;第五步:驱动器恢复到自然状态,此时,钳位足1向右移动位移δ,钳位足2仍保持钳紧状态;第六步:钳位足1的压电叠堆伸长与平行导轨钳紧.重复上述六步,该机构就会沿导轨一直往右运动.该机构也能实现相反方向的运动.

    为了提高机构运动的可靠性,每前进一步或后退一步即一个周期内有6个节拍,对应钳位足1、驱动线圈、钳位足2的信号时序如图4所示,该信号由配套开发的控制器发出.

    3　系统实验测试

    3·1系统结构参数

    (1)预应力的确定:图5所示为不同预应力下轴向磁致伸缩系数随驱动磁场的变化规律.由图5可以看出,当预应力在7~14MPa时,λ-H曲线族有较好的线性关系,且较陡峭.