用于超精密隔振的稀土超磁致伸缩致动器设计

　　1　引　　言

　　随着微制造业及精密测量技术的发展,由于加工及测试过程中的微型性和精密性方面的要求,加工、检测和装配等工作必须在一个具有良好隔振性能的超精密隔振平台上进行[1]。超精密隔振平台的精密隔振系统设计需要综合考虑环境微振动干扰的影响,平台的隔振精度要求也很高,这就要求所设计的隔振系统不仅对中高频扰力具有良好的隔振效果,而且对低频及超低频扰力也能进行有效的隔离。对于中高频振动部分用被动隔振的方法能有效消除,但对于低频及超低频部分采用通常的被动隔振方法则无能为力,采用主动隔振的技术可以实现低频及超低频振动的控制,达到超精密隔振的目的,而设计一个精密的致动器是实现超精密主动隔振的一项重要工作.

　　2　超精密隔振平台的结构和工作原理

　　系统采用具有一定刚度k和阻尼c的空气弹簧作为弹性和阻尼元件,由于空气弹簧具有较低的刚度,可以对中高频振动部分进行有效隔离(如图1)。在这里空气弹簧起到了支撑工作平台的重量和隔离地基中高频振动的作用,稀土超磁致伸缩致动器作为致动元件。系统在主动振动控制过程中,传感器检测平台振动信号,经过反馈系统的信号传输、放大、滤波、A/D转换、分析处理、D/A转换、功率放大以及控制致动器,从而有效抑制平台振动,达到超精密隔振的目的。

　　3　稀土超磁致伸缩致动器结构和工作原理

　　3.1　稀土超磁致伸缩材料的特性

　　磁致伸缩材料在外磁场的作用下,材料内部的磁畴旋转使材料表现出伸长的特性,传统磁致伸缩材料Ni的磁致伸缩应变系数一般为λ=0.3×10^-4,具有压电特性的磁致伸缩材料伸缩应变系数最大达λ=0.4×10 ^-3[2],而20世纪90年代初开始迅速发展起来的一种新兴的超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material简称GMM)Tb0.27Dy0.73Fe1.95,具有饱和应变系数大(0.8×10^-3～1.6×10^-3)、机电耦合系数高(≈0.73)、响应速度快(达微秒级)、输出功率大等特点[3]。

　　3.2　稀土超磁致伸缩致动器的结构和原理

　　致动器是实现主动振动控制的关键部件,利用超磁致伸缩材料的优良特性设计的致动器如图2所示。永久磁铁为超磁致伸缩棒提供偏置磁场,通电线圈提供激励磁场,通过改变线圈电流大小和方向实现对磁场的控制,从而控制超磁致伸缩棒的伸长量,再通过顶杆驱动超精密隔振平台,以实现对振动的控制。线圈在通电状态下散发出热量,为了有效消除超磁致伸缩致　　动器的热变形,在致动器超磁致伸缩棒的外围设计了冷却结构。