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1、目的及意義(含國內外的研究現狀分析)

 

精密加工和超精密加工時發展尖端技術的基礎，是衡量一個國家科學技術水平的重要標志。我國從‘“九五”規劃開始，已將其列為關鍵技術之一。精密、超精密加工技術是包括精密微加工、精密測量和精密控制的一門綜合學科，而精密微致動技術是其中的關鍵 。

 

目前超精密加工中所使用的刀具大多采用基于壓電陶瓷材料(pzt)的致動元件，其輸出功率低，且必須采取有限措施防止沖擊力和高驅動電壓造成的擊穿短路等問題。因此采用超磁致伸縮材料制成的超磁致伸縮驅動器(gma)成為近年來研究微致動技術的熱點。它的發展，勢必促進微致動技術在微機電系統(mems)和超精密加工、半導體生產、光學加工等領域的應用 。

 

國外在超磁致伸縮致動器(gma)的研究方面取得了很多理論及應用成果，日本用直徑6mm的超磁致伸縮棒制備了精密機床工具伺服裝置,其每平方毫米面積閃的驅動力為588n，是壓電材料(pzt)的20倍，加工單晶硅晶面的平均粗糙度為1.9nm 。美國etrema公司開發的大行程精密terfenol-d致動器應用在活塞非圓加工機床上，最大行程為640μm(最大動態行程350μm)，位移精度達2%±1.1μm，最大輸出力為2670n。另一超磁致伸縮驅動器的應用領域是微型馬達，包括直線馬達和旋轉馬達，德國l.kiesewetter教授研制的超磁致伸縮蠕動型直線馬達，可產生1000n的驅動力，極限速率為20mm/s ;美國的j.m.vranish等利用超磁致伸縮材料開發的轉動式步進馬達扭矩輸出達12.2n·m，精度達800微弧度 。在流體控制領域，瑞典abb公司設計了一個用gmm棒作為驅動原件的燃料注入系統，該系統能實現對燃料的精密、瞬時控制，使燃料充分燃燒，減小污染，它在飛機和汽車等內燃機中已得到應用

 

國內在磁致伸縮致動器(gma)的研究方面起步較晚，夏春林等(1999年)用超磁致材料制作了用于壓力氣動閥的驅動元件;浙江大學開發研制了活塞異型銷孔的制造系統，成功的解決了異型銷孔的制造難題;甘肅天星開發了商用化的超磁致伸縮智能振動時效裝置;長江工程地球物理勘測研究院開發了井間聲波發射換能器等稀土超磁致伸縮智能振動時效裝置;武漢理工大學智能制造與控制研究所研制開發了超精密超磁致微動執行器。

 

然而，超磁致致動器工作時，驅動線圈的發熱及超磁致伸縮棒的渦流與遲滯損耗均導致超磁致伸縮棒溫度的升高。而溫度的上升將導致超磁致伸縮棒的熱變形，嚴重影響致動器的輸出位移精度。因此，在超磁致伸縮致動器的設計中，必須采取措施消除或抑制由溫升帶來的不利影響。

 

本畢業設計的旨在對某微進給刀架中執行元件超磁致伸縮致動器的溫度特性分析并對其進行優化，以盡量消除或抑制溫升對超磁致致動器性能帶來的不利影響，使其具有更好的工作性能和更高的輸出位移精度，進一步推廣它在精密加工、超精密加工領域中的應用，提升我國機電產品的綜合競爭力。

 

主要參考文獻：

 

[1] 賈振元，王福吉，郭東明.功能材料驅動的微執行器及其關鍵技術[j].機械工程學報，2003，39(11)：61~67.

 

[2] 哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司.微驅動應用領域概述[eb/ol].[2004-11-25].http://www.bsjm.com.cn/bs//11/yingyong.pdf.

 

[3] goran engdahl.handbook of giant magnetostrictive materials.sa diego:academic press,2000.

 

[4] 郭東明，楊興，賈振元等.超磁致伸執行器在機電工程中的應用研究現狀鋼.中國機械工程.2001,12(6):724~727.

 

[5] 楊大智.智能材料與智能系統鋼.天津：天津大學出版社.2000.

 

2、基本內容和技術方案

 

本畢業設計對給定的微進給刀架中超磁致致動器在給定驅動電流并恒溫水冷條件下進行熱分析，通過對超磁致致動器進行有限元分析與仿真，研究超磁致伸縮棒表面的溫度場與熱變形。根據分析結果，對超磁致致動器進行結構上的優化，提高其工作性能。

 

論文的主要內容包括：

 

第一章：緒論。 介紹本畢業設計的研究意義和研究內容，綜述超磁致伸縮材料的物理特性、應用及超磁致致動器的優勢，闡述超磁致伸縮致動器的應用研究現狀及主要類型,在此基礎上提出本文的研究內容。

 

第二章：超磁致致動器的發熱影響分析。 列出所有導致超磁致伸縮棒發熱的因素,從理論上分析超磁致伸縮棒溫度升高對致動器輸出精度的影響,總結常用的超磁致致動器的溫控方法以及其適用場合。

 

第三章：超磁致致動器的熱分析理論論以及軟件仿真。 介紹有限元熱分析的基本理論和步驟。在abaqus環境下建立當前微進給刀架中致動器的三維模型,并對超磁致致動器施加的驅動電流以及恒溫水冷的溫度下，對超磁致致動器幾何模型施加的約束以及邊界條件，網格劃分等步驟后，經軟件計算分析得到在該工況下超磁致致動器中超磁致伸縮棒表面的溫度場。

 

第四章：超磁致致動器結構優化。 根據前面所得出的有限元分析結果，介紹針對該超磁致致動器的結構優化方案以及為什么要采取該方案，確定最終的驅動器結構參數和所采用材料的熱屬性參數。對優化后的致動器施加相同的條件，利用軟件進行有限元分析，得到優化后致動器中超磁致伸縮棒表面溫度場。將優化前后的有限元分析結果進行得出對比，得出結論，以證明優化的有效性和正確性。

 

第五章：總結與展望。 概括畢業論文的主要研究成果，并展望了今后需進一步開展的工作。

 

畢業設計的技術路線主要包括：

 

(1)超磁致驅動裝置的三維建模。 分析微進給平臺的圖紙，在有限元分析軟件abaqus環境中建立微進給刀架中超磁致驅動裝置的的三維模型。

 

(2)基于abaqus的超磁致致動器的溫度特性分析。 在有限元分析軟件abaqus環境下，建立好超磁致致動器的有限元模型后，對幾何模型進行網格劃分并施加相應的約束以及邊界條件，對超磁致致動器施加設定的驅動電流以及25℃的恒溫水冷條件，利用軟件進行有限元分析，得到超磁致伸縮棒表面的溫度場和熱變形量，分析溫升對超磁致致動器輸出精度的影響。

 

(3)超磁致致動器的結構優化。 根據前面所得的有限元分析結果，對超磁致致動器進行結構上的優化，改善超磁致伸縮棒的溫度場分布均勻度以減小熱變形誤差。初步設想主要從兩方面進行優化：一，對超磁致致動器的線圈發熱進行分析，得出線圈發熱模型，根據模型對線圈進行結構優化改善超磁致伸縮棒的溫度場分布情況：二，將超磁致伸縮棒與線圈間套筒的材料換成相變材料，利用其相變過程中吸收潛熱，溫度維持不變的特性，抑制線圈發熱對超磁致伸縮棒的影響，總體采用相變加水冷組合溫控的技術方案。

 

(4)對比 對優化后的超磁致致動器在abaqus環境中施加相同的驅動電流及恒溫水冷的條件，進行有限元熱分析，得到優化后的致動器中超磁致伸縮棒表面的溫度場。將優化前后的有限元分析結果進行對比，得出結論，證明優化的有效性和正確性。

 

3、進度安排

 

(1) 第1-3周：畢業實習，完成實習報告。

 

(2) 第4-5周：查閱相關文獻資料，明確研究內容，了解研究所需的有限元分析軟件abaqus。確定方案，完成開題報告。

 

(3) 第6-8周：學習軟件有限元分析軟件abaqus，完成超磁致致動器的三維建模與仿真。

 

(4) 第9-10周：在abaqus環境下完成超磁致致動器在給定驅動電流條件下的熱分析，并針對分析結果對超磁致致動器進行結構上的優化，對比優化前后的熱分析結果。

 

(5) 第11-12周：根據分析結果，撰寫畢業論文。

 

(6) 第13周：修改、完善并打印畢業設計論文，提交畢業論文準備論文答辯。

 

(7) 第15周：制作答辯幻燈片，進行畢業設計答辯。