基于磁流變阻尼固緊器的工作臺定位研究

余曉芬 馬文平 程伶俐

合肥工業大學,合肥,230009

0 引言

磁流變液由導磁性顆粒、載液和添加劑組成,它在外界磁場作用下能在毫秒級時間里從自由流動的牛頓流體轉變為Bingham類固體,并且這種變化是完全可逆的。磁流變阻尼固緊器是一種利用磁流變液提供可控阻尼固緊力的控制裝置,具有能耗低、出力大、響應速度快、結構簡單、阻尼力連續可調、與計算機控制結合方便等優點,目前已廣泛應用于建筑結構、振動控制、機械傳動等領域[1-7]。這些應用的本質共同點是磁流變阻尼固緊器具有無沖擊特性。

常用的固緊方法有機械固緊和電磁固緊,但都帶有沖擊性,無法做到無沖擊固緊,從而導致定位波動很大。利用磁流變阻尼固緊器輔助工作臺進行納米定位,一方面可實現柔性阻尼,減弱直線電機傳遞給工作臺的振動;另一方面可無沖擊固緊工作臺,實現對工作臺的納米級精度定位。

1 磁流變阻尼固緊器的工作原理

圖1為剪切閥式磁流變阻尼固緊器的工作原理圖,該阻尼固緊器采用橫向臥式結構,通過連桿與工作臺相連,運動方向為水平方向。當線圈不通電時,磁流變液表現為具有一定黏度的牛頓流

圖1 剪切閥式磁流變阻尼固緊器原理圖

體,阻尼固緊器可以自由移動;當線圈通電后,在其周圍產生磁場,磁流變液由牛頓流體瞬間變為Bingham類固體[8],使流體流動的阻尼力增加,阻尼固緊器的運動受阻;當阻尼力足夠大時,阻尼固緊器可被鎖緊,從而固緊工作臺。剪切閥式剪阻尼固緊器兼具了剪切式固緊器和閥式固緊器的特點,且阻尼固緊力相對較大,其阻尼力可以表示為剪切式阻尼力和閥式阻尼力之和,即[8]

式中,FS為剪切式阻尼力(黏滯阻尼力);FV為閥式阻尼力(庫侖阻尼力);τy為磁流變液的剪切屈服應力;η為磁流變液的動力黏度;L為活塞的長度;b為磁芯的寬度;h為磁芯與阻尼固緊槽的間隙;u(t)為磁流變液的流速;AP為磁芯的有效橫截面積,AP=Hb;H為磁芯的高度。

經論 證：?FSV/?L ＞ 0, ?FSV/?b ＞ 0,?F SV/?h＜0,減小h可以增大阻尼力,但h太小,會增加阻尼固所緊器的制造難度,實際設計中h通常取1～2mm[8]。

2 X向、Y向磁流變阻尼固緊器的設計

2.1 結構設計

圖2是自行設計制作的X向、Y向磁流變阻尼固緊器的結構圖,該裝置采用了橫向臥式結構。內部的兩個電磁線圈通過螺紋結構與磁芯相連,并一起裝于阻尼固緊槽中。外部的隔磁槽與隔磁蓋板形成隔磁系統。對稱放置在工作臺兩端的磁流變阻尼固緊器通過連桿形成一體,線圈從連桿上的引線槽中引出。連桿與直線電機相連,電機與工作臺相連,電機與工作臺之間用4個套筒隔開,這不僅可以對電機的高度進行定位,還避免了阻尼固緊器直接與工作臺的串聯。與縱向立式阻尼固緊器相比,橫向臥式阻尼固緊器具有以下優點：①磁流變液不需要充滿,只需高出磁芯底部2～3mm即可,避免了磁流變液溢出和密封的問題。②導向由與工作臺配合的導軌提供,節省了自身的導向機構。③消除了密封裝置與連桿的摩擦力,使初始阻尼力能降到最小,可滿足直線電機能正常驅動工作臺的要求。

圖2 X向、Y向磁流變阻尼固緊器結構圖

2.2 磁路設計

根據磁流變阻尼固緊器磁路設計原則[9-12],我們將電工純鐵(DT4系列)作為線圈鐵芯,將直徑為0.6mm的電磁漆包線作為線圈。繞線之前在線圈骨架上涂上絕緣漆,以保證線圈與骨架的相對絕緣,最終測得線圈的電阻為0.65Ω,將對稱放置的阻尼固緊器的 4個線圈串聯(總電阻為2.60Ω)。

如圖3所示,箭頭方向表示磁路方向,磁場方向與磁流變液的流動方向垂直,磁流變阻尼固緊器的磁路包括5個部分：阻尼固緊槽1、磁流變液2、線圈骨架3、線圈支架橫向段4、線圈支架縱向段 5,其磁導率如下 ：μ1=1.26 ×10-3H/m,μ2=1.01 ×10-5H/m,μ3=μ4=μ5=8.82 ×10-3H/m。

圖3 X向、Y向磁流變阻尼固緊器磁路圖

根據磁路基爾霍夫定律(一)有

圖3中各部分磁阻為

根據阻尼固緊器各結構參數對阻尼力的影響,對阻尼固緊器的結構尺寸進行優化,結果如下：h1=6mm,h2=14mm,h3=6mm,L 1=15mm,L2=8mm,h=2mm,b=60mm,L=20mm,d=6mm。將其代入式(5)得

總磁阻

設計磁路時應保證磁芯與阻尼固緊槽間隙中的磁流變液在達到磁飽和時,磁芯和阻尼固緊槽都未達到磁飽和狀態。磁流變液在0.6～0.8T時達到磁飽和,此時磁路中各部分的磁通量都為

根據磁路基爾霍夫定律(二)有

線圈所能承受的最大電流為2A,將各參數值代入式(7),解得匝數 N=246.539,考慮到磁場在空氣中的損失,取N=250。

3 磁流變阻尼固緊器與工作臺配合的定位實驗

對自行設計的X向、Y向磁流變阻尼固緊器進行標定,測得其特性曲線如圖4所示,阻尼力范圍為4～51N。

圖4 X向、Y向磁流變阻尼固緊器阻尼力特性圖

圖5 所示為自行研制的納米三坐標測量機的二維工作臺,左右對稱放置了兩個磁流變阻尼固緊器,通過連桿將阻尼固緊器、直線電機和工作臺間接連接。位移測量裝置為光柵位移測量裝置,其硬件組成包括：15位200k Hz的A/D轉換卡、光柵柵距W=20μm的光柵尺、光柵頭 RGH25F、光柵傳感器RGS20-S。通過光柵快速細分算法和光柵信號采集處理方法[13-14]使光柵位移測量系統具有以下特性指標：最大測量速度v max=133mm/s,穩態變化量為0.1nm,測量分辨率為1nm,精度為4nm。

圖5 納米三坐標測量機二維機械結構圖

實驗中將光柵尺貼在與 X向工作臺相連的斤板上,在小于1mm間距的位置放置光柵頭,納米工作臺由型號為TB1102的TPMLSM-圓筒形永磁直線同步電機(采用單極驅動方式)驅動。工作臺的整個行程分為驅動和定位兩個階段,在驅動階段不加電流或加小電流,提供很小的初始阻尼力,保證工作臺的正常運行,并且這種阻尼力是柔性可調的;在定位階段加大電流,以提供足夠的固緊力鎖緊工作臺。實驗中以2mm為步距進行驅動定位,走完100mm行程,驅動速度設定為3mm/s,將起始點位置作為0位移點,以后每走一個步距,位移增加2mm。實驗中在驅動控制程序里設定記錄數據個數為2000,采集的實驗數據均以*.txt形式存儲,取最后穩態條件下的100個數據計算標準差σ,計算公式為

理論位移值為2mm,實際位移值xi是定位階段在2mm處波動的位移值。將100mm位移50等分,以 2mm,4mm,…,100mm 為橫坐標,以每個2mm處的定位標準差作為縱坐標作得圖6和圖7。

圖6 正向行程加不同電流定位比較

圖7 反向行程加不同電流定位比較

從圖6和圖7中可以看出,正向行程比反向行程的定位效果好,加載電流1A、2A后定位更加穩定,定位波動均在5nm以內。定位實驗中磁流變阻尼固緊器加載電流時計算出的標準差要比不加電流時的標準差小,在某些位置差值已經達到12nm,這充分證明了在直線電機驅動工作臺運動過程中,磁流變阻尼固緊器對于定位起到了作用;當電流從1A增大到2A時,標準差略微有所減小,減小幅度下降;結合圖4可知,阻尼固緊器的阻尼力在電流大于等于1A時增加幅度也明顯減小,說明此時磁流變液已開始進入飽和狀態。從圖8中可以看出：直線電機的驅動速度對定位影響不大(已用往復運動實驗論證[15]),阻尼固緊力直接影響定位精度。

圖8 正向行程不同驅動速度定位比較

4 結論

(1)所設計的磁流變阻尼固緊器輸入電壓范圍為0～5.2V,輸出阻尼力范圍為4～51N,最大固緊力為51N。

(2)采用了新穎的橫向臥式結構,解決了以往縱向式阻尼固緊器磁流變液溢出密封和摩擦導致初始阻尼力較大的問題,導向由導軌提供,節省了自身的導向機構。

(3)工作臺不加阻尼固緊器時的定位波動約為20nm,加上阻尼固緊器后在不加電流時約為12nm,加載2A電流時波動已減小到5nm以內,減弱了直線電機驅動時傳遞給工作臺的振動,降低了直線電機整個驅動行程中的波動。

(4)減小了傳統機械、電磁固緊方法帶來的沖擊,并最終實現了工作臺的無沖擊固緊,減小了納米級定位波動。

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