高精度超磁致伸缩驱动器热变形控制新方法的研究

新型超磁致伸缩智能材料在大行程、大功率、低电压驱动等方面具有显著的优越性。本项目针对高精度超磁致伸缩驱动器热变形控制难题，开展了超磁致伸缩驱动器热变形控制新方法研究，提出相变水冷复合恒温构件的新概念及综合利用相变材料潜热特性和强制水冷对流换热特点实现该构件的新构思， 研究超磁致伸缩驱动器热特性，建立揭示其机电磁之间耦合关系的多场耦合计算模型；提出超磁致伸缩驱动器GMA热变形控制简化强制水冷相变和直接液体冷却温控方法，建立了流-固耦合传热模型和全闭环串级温度控制策略，并研制了其温控模拟试验装置；构建了基于遗传算法的嵌入式超磁致伸缩驱动器GMA多目标优化设计模型；提出一种基于正交建模的智能空间柔顺构件多目标优化方法；建立了用于异形孔精密加工的超磁致伸缩构件微位移线性化迟滞建模和滑模控制方法，并基于线圈阻抗动态测量原理提出了GMM变磁导率自传感模型。在此基础上，以非圆复杂型面精密加工微进给驱动为应用背景，根据上述优化设计方法，设计制作了非圆加工微进给驱动GMA，构建了基于虚拟仪器技术的高精度超磁致伸缩驱动器GMA综合特性测控实验平台，并通过机电磁热静动态特性测试实验验证了所建模型和方法的有效性，该综合特性测控平台的建立为超磁致伸缩驱动器的性能分析提供了基础实验装备。本项目研究已圆满完成项目所要求的研究目标，已发表论文15篇，其中SCI收录1篇，EI收录8篇；共申请专利9项，已授权7项，其中发明专利授权4项；实用新型专利授权3项。相关研究成果既可为研究开发高精度超磁致伸缩驱动器提供关键技术，又可为后续研究提供重要的理论基础。 2100433B

本项目针对高精度超磁致伸缩驱动器热变形控制难题，建立一种基于相变水冷复合温控原理的超磁致伸缩驱动器热变形控制新方法。提出相变水冷复合恒温构件的新概念及综合利用相变材料潜热特性和强制水冷对流换热特点实现该构件的新构思；研究超磁致伸缩驱动器热特性；建立机电磁热多场耦合模型；研究相变水冷复合恒温构件相变材料选配方法、热传导模型、温度场数值模拟技术和多目标优化方法；建立一套相变水冷复合恒温构件的优化设计理论和实现技术，以期为研究开发高精度超磁致伸缩驱动器提供关键技术。.可见，开展本项目的研究不仅可为解决超磁致伸缩驱动器热变形控制难题提供一条新的途径，有力地促进我国超磁致伸缩驱动器工作精度的提高，有效推动我国微驱动技术的发展，并对精密加工、精密测量、精密隔振、空天飞行器自主控制、微机器人、生物细胞操作及微机电系统装配等尖端领域的发展具有重要意义。

MEMS陀螺是陀螺仪发展的一个重要方向。不同于发展成熟的支悬梁-活动质量块结构的振动微陀螺，本项目提出了一种基于超磁致伸缩材料块体的固体振子双输入轴微陀螺，其结构简单，无支撑梁，抗冲击振动能力强；借助于超磁致伸缩材料(GMM)的大应变振动特性，其测量灵敏度高。 本项目主要对超磁致伸缩固体微陀螺的振动模态、结构设计、机电磁系统仿真、制造工艺以及测控方法进行研究，为实现微陀螺装置奠定理论与实验基础。本项目的实施取得了预期成果，主要总结为： 1、微陀螺的设计和仿真。根据GMM数理模型，采用更具扩展性的弱解方程方法，利用COMSOL软件计算了GMM振子的振动工作模态，结果与压电-压磁比拟法的相近。微陀螺的设计结构由GMM方体振子、平面线圈定子、偏置永磁体和GMR传感器组成，进行了部件选用和设计。采用磁矢势弱解方程法对通电平面线圈和永磁体的空间磁场分布进行了系统级仿真。 2、微陀螺表头的制造。采用溅射、光刻、电镀等MEMS工艺，获得了多种线宽和匝数的驱动平面线圈定子。对集成厚金属结构的发烟硫酸氧化刻蚀去除SU-8胶模的技术深入试验研究，获得了刻除SU-8胶模的速率曲线，从而提供了一次浸入发烟硫酸干净刻除SU-8胶模的时间，避免了反复取出观测或过刻对金属结构的腐蚀；成功集成了厚达500μm的电铸镍微结构。根据设计结构，成功组装了长宽高尺寸之和不大于20mm的磁致伸缩固体振子微陀螺表头。 3、微陀螺的驱动及检测电路。为微陀螺表头设计了激励信号发生电路（采用DDS芯片）、恒电流输出线圈驱动电路、GMR磁场信号检测电路和信号解调处理电路，进行了电路仿真分析和PCB板制作。 4、微陀螺的测试实验。利用LCR仪测量了定子平面线圈的阻抗，为表头中上下定子驱动线圈的配对选取提供参考。采用锁相放大器分别利用定子平面线圈和绕制线圈进行扫频激励，测量了GMM体振子的阻抗频率特性曲线，二者测得微陀螺GMM振子的工作谐振频率基本相同，证明了本微陀螺采用双侧平面线圈的激振方式使GMM振子工作在驱动谐振频率上是可行的。对微陀螺表头及其测控电路进行了联调，发现微陀螺能灵敏地检测输入角速度的变化，证明了设计结构及其实现方案在原理上是可行的。 上述研究成果已发表6篇学术论文，其中SCI/EI已检索英文论文5篇；申请发明专利2项；培养毕业硕士生2名。 2100433B

微型固态振动陀螺结构简单，抗冲击能力强，适合MEMS技术制作，是一种极具发展潜力的新型陀螺仪。相比带支悬梁的微机械振动陀螺，本项目创造性地将超磁致伸缩材料整体作为振子，基于MEMS技术制成无支悬梁的固体微陀螺，主要特点如下：（1）超磁致伸缩体伸缩振幅大，可极大提高微陀螺检测的灵敏度；（2）结构简单，无支撑梁，抗冲击抗震动能力强;（3）易于微加工批量制造，对真空封装无特殊要求；（4）驱动电压低，起振时间极短，因而陀螺启动时间短。（5）将巨磁阻（GMR）敏感元件集成于陀螺本体上，提高了检测分辨率，且体积小；（6）可同时测量二轴角速率。本项目主要对超磁致伸缩固体微陀螺的工作机理、机电磁系统仿真、结构优化设计、基于非硅MEMS技术的制造工艺以及测控方法进行深入研究，为实现较高测量灵敏度的、多轴微固体陀螺装置奠定理论与实验基础。本项目属机械、材料、测控、电子等交叉学科课题，学术价值高，应用前景广泛。