淺談智能材料- 磁流變液在智能制造中的應(yīng)用

史宇

（重慶川儀自動化股份有限公司執(zhí)行器分公司，重慶 401121)

1 概述

磁流變(Magneto-Rheological(MR))材料最早于1948 年被美國學(xué)者Robinow[1]發(fā)現(xiàn)，磁流變材料在沒有增加磁場的情況下，載體液中磁性顆粒隨機分布，流變特性表現(xiàn)為具有各向同性的類牛頓狀態(tài)。而加入磁場后，其物理性質(zhì)馬上發(fā)生變化，在磁場的作用下產(chǎn)生了一個偶極矩，該偶極矩與鐵粒子中的磁場對齊，并且使這些粒子形成了與之平行的線性鏈，其流變特性表現(xiàn)為半固體狀態(tài)，且發(fā)生這種現(xiàn)象的時間在毫秒級別內(nèi)。撤回磁場后，磁鏈結(jié)構(gòu)會在極短的時間內(nèi)崩塌，再次表現(xiàn)為類牛頓流狀態(tài)。這里展現(xiàn)了磁流變材料的快速響應(yīng)性能和可逆的性能。磁流變材料憑借優(yōu)良的物理性質(zhì)在沖擊領(lǐng)域、緩沖領(lǐng)域、智能制造領(lǐng)[2-5,7]域有著廣泛的運用。智能制造發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出自動化、集成化、信息化、綠色化[6]。自動化和智能化是智能制造的重要發(fā)展趨勢，一方面表現(xiàn)在能根據(jù)用戶的需求完成制造的過程自動化，并對制造對象和制造環(huán)境具有高度適應(yīng)性，實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。另一方面，環(huán)境友好與高效的資源利用率是智能制造應(yīng)對資源、能源壓力的內(nèi)在要求。在智能制造過程中，智能材料-磁流變材料對于設(shè)備的可持續(xù)使用性、儀器儀表的靈活性能、產(chǎn)品的質(zhì)量保證等都顯現(xiàn)出身影，磁流變材料在智能制造中有著廣泛的應(yīng)用，如國防科技大學(xué)[7]通過磁流體拋光應(yīng)用過程中工件的定位要求較高的實際需求，提出了工件自定位的測量方法。

2 磁流變材料在自動控制原件- 磁粉機中的應(yīng)用

2.1 磁粉機介紹

磁粉機(如圖1 所示)又稱為磁粉制動器，是一種利用磁粉的磁場特性產(chǎn)生作用力，而磁場又是通過電流控制來實現(xiàn)，通過將磁粉的這種作用力轉(zhuǎn)換為阻尼制動。具有輸入電流與輸出阻尼力基本成線性比例的特點，因此常用于制動控制系統(tǒng)或者阻尼力測試系統(tǒng)。

圖1 磁粉機

2.2 磁粉機工作原理

磁粉機工作介質(zhì)是具有較好導(dǎo)磁特性的鐵粉或者鎳粉，當(dāng)線圈通入電流時，在磁路上形成閉合的磁場，鐵粉或者鎳粉在磁場的作用下形成一種磁粉鏈，旋轉(zhuǎn)盤來剪切這種磁粉就形成了阻尼力。其結(jié)構(gòu)主要包括：旋轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)盤、固定盤、線圈與工作介質(zhì)。當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時，工作價值形成磁鏈的大小將發(fā)生改變，磁鏈將轉(zhuǎn)盤和固定盤聯(lián)系起來并隨電流變化而改變，與轉(zhuǎn)盤連接的旋轉(zhuǎn)軸將這種變化傳遞給工件，即形成制動力或者阻尼力。當(dāng)沒有電流輸入時，工作介質(zhì)不作用，轉(zhuǎn)盤與固定盤沒有聯(lián)系，轉(zhuǎn)軸不輸出制動力。

2.3 磁粉機的優(yōu)缺點及應(yīng)用研究

優(yōu)點：運行平穩(wěn)、在啟動、運動、制動的狀態(tài)下，沖擊和振動均與運行速度相關(guān)，低速運行下表現(xiàn)良好。

缺點：由于工作介質(zhì)在工作腔內(nèi)很難保障均勻特性與受控制濕度影響巨大，因此輸出阻尼力會出現(xiàn)頓挫、不均勻跳動甚至是結(jié)坨卡死轉(zhuǎn)盤。對于磁粉制動器的研究開發(fā)，研究人員通過精確建模和改善工作介質(zhì)等研究，研究者基于粒子群算法提出了改進的磁路模型，以及將工作介質(zhì)粒徑加大等方式來獲得更高的制動力矩。同時，在影響加載質(zhì)量與快速性上，研究人員采用底的磁滯效應(yīng)的磁路材料來提升響應(yīng)時間。針對磁粉制動器一階慣性滯后的系統(tǒng)特點，各類算法都具有一定的局限性，其主要原因是被控制量與輸入在時間上的不同步，導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量過大，需要整定調(diào)諧的時間過長，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯變差，進而表現(xiàn)在系統(tǒng)的控制是算法設(shè)計上的難度大大增加。

2.4 解決缺點的方法

磁粉機核心的原理是利用電磁效應(yīng)使得磁粉在磁力線作用下形成磁粉鏈，但是由于可能長時間靜置、不使用或者運輸過程中發(fā)生震動使得磁粉掉落一邊導(dǎo)致卡死。或者是因為空氣中的水分使得磁粉板結(jié)等，這些都要影響磁粉機的輸出性能，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的驗證發(fā)生。智能材料中的磁流體材料作為一種先進的智能材料，可以很好的解決這些問題。并且磁流體材料具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、磁控特性和微秒級的可逆變化特性，是一種替代磁粉的最為有效的材料。同時，由于磁流變材料的沉降問題在如今已經(jīng)得到了很好的解決，如重慶大學(xué)[8]研究出的磁流變膠泥經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長達1 年的靜置沉降發(fā)生現(xiàn)象也是不明顯的，如圖2 所示，且磁性顆粒分布均勻，故采用磁流變材料可以很好的解決磁粉機磁粉散落導(dǎo)致卡死情況。

圖2 磁流變膠泥靜置365 天后泥線目視觀測結(jié)果

磁粉機在使用前一般要預(yù)熱半個小時，顯然效率是不夠高的，而采用磁流變材料后可以大大提高效率，磁流變材料從液體到半固體的轉(zhuǎn)換時間通常在毫秒級別，故采用磁流變材料可以提工作效率。

2.5 采用磁流變材料的磁粉機

如圖3 所示，核心部分為磁流變阻尼體9，采用的材料為磁流變液體，經(jīng)加載電流后，磁流變材料發(fā)生磁流變效應(yīng)，在瞬間將類牛頓介質(zhì)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，傳遞扭矩，經(jīng)力扭矩傳感器7 可以轉(zhuǎn)矩值傳遞出去，連接法蘭1 作為支撐，扭矩經(jīng)聯(lián)軸器6 將扭矩傳遞給連接軸2，連接軸2 就可將扭矩傳遞給與之連接，并且在傳遞扭矩過程中，由軸向支撐8 和導(dǎo)向支撐3 保證扭矩不會偏移導(dǎo)致整個工作臺發(fā)生震動。

圖3 制動器原理圖

基于磁流變液的磁粉機工作原理：安裝在法蘭連接座1上的執(zhí)行機構(gòu)，通過中心軸花鍵槽2 將轉(zhuǎn)矩傳遞到磁流變阻尼本體9 的中心轉(zhuǎn)軸上，安裝在中心轉(zhuǎn)軸上的中間旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁剪切盤在轉(zhuǎn)矩的作用下剪切阻尼體內(nèi)固定導(dǎo)磁盤與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁板之間填充的磁流變流。磁流體與固定導(dǎo)磁盤、旋轉(zhuǎn)剪切盤、導(dǎo)磁筒、上下導(dǎo)磁蓋板之間形成磁通路。通過控制箱控制繞置在隔磁筒上的勵磁線圈中電流的大小，使得上述磁通路中磁場的大小發(fā)生改變。而在間歇內(nèi)的磁流變液在磁場的作用下發(fā)生磁流變效應(yīng)，使得剪切應(yīng)力發(fā)生改變，從而使得剪切盤旋轉(zhuǎn)阻尼力增大，進而將這種阻尼力轉(zhuǎn)換成中心旋轉(zhuǎn)軸輸出制動轉(zhuǎn)矩，通過設(shè)置在中心軸上的力矩傳感器7 即可獲得被測試執(zhí)行機構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等。

3 磁流變材料在表面質(zhì)量控制方面的應(yīng)用

3.1 表面質(zhì)量的重要性

表面質(zhì)量是加工制造和設(shè)備正常運行的非常重要量，往往表面損壞即使一個設(shè)備出問題的開始，而經(jīng)加工過后的表面都存在不同的粗糙度，這種粗糙度主要由波紋、裂紋及冷硬等缺陷構(gòu)成。而就是這么極薄的一層，對零部件甚至整機的影響是非常重要的。隨著精密化、高速化、多功能發(fā)展的需求加大，現(xiàn)代化的設(shè)備對工作溫度、壓力、速度、應(yīng)力等要求提高，對于任何的表面缺陷都會加速零件的失效。因此，必須重視機械加工表而質(zhì)量。

3.2 提高表面質(zhì)量的方法

提高表面質(zhì)量的方法有很多，比如說在加工時注意提高切削速度，這樣可以有效防止積屑瘤的產(chǎn)生；減少刀具的進給量、主偏角以及提高刀具的前角等策略也可以合理的提高表面質(zhì)量。不過最終的表面質(zhì)量控制方法一般都是研磨，因為研磨可以使得工件獲極高的表面質(zhì)量。當(dāng)前磁性磨具按照工作介質(zhì)主要分為磁粉磨和磁流變膠基柔性磨。由于磁粉磨采用的是分散顆粒，使得設(shè)備的制作成本高，而且磁粉飛散導(dǎo)致重復(fù)利用率底。磁流變膠基柔性磨介質(zhì)采用聚合物與鐵磁顆粒混合制成柔性材料，具有一定的柔韌性和自適應(yīng)性，使得工件表面光滑處理過程中具有教好的表面貼合，使得各種復(fù)雜曲面、異形面、溝槽等均能使用。

3.3 使用磁流變材料對智能研磨的優(yōu)點

3.3.1 零件拋光后，被拋光表面獲得高質(zhì)量的光學(xué)特性。

3.3.2 有比較強的可控性，通過精確的控制電流和定位，可以處理較復(fù)雜的工藝表面。

3.3.3 擁有非常高的去除效率。

3.3.4 利用液體的流動性，使得傳統(tǒng)的因控制不當(dāng)造成的刀具損壞，或者加工過程中的堵塞造成的設(shè)備故障等問題得到解決。

3.3.5 獨特的磁流變效應(yīng)剪切拋光，使得拋光的速度、精度等均可以獲得教好的控制，同時還可以完成諸如納米級別厚度的精確拋光，而且可以零損傷的被拋光零件表面。

故磁流變材料對于提高智能制造過程中表面質(zhì)量的效果是明顯的，可以極大的提高效率和質(zhì)量。

4 磁流變材料在智能傳感器中的應(yīng)用

4.1 智能傳感器在智能制造中的作用

當(dāng)我們提到智能制造，智能制造實施的關(guān)鍵步驟首先被提出：狀態(tài)感知→實時分析→自動決策→精準(zhǔn)執(zhí)行[9]。其中第一步是基礎(chǔ)、是關(guān)鍵、狀態(tài)感知是通過智能傳感器準(zhǔn)確感知設(shè)備或系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。智能傳感器將“感知”和“認知”結(jié)合起來，可以感知系統(tǒng)各種現(xiàn)象，實現(xiàn)判斷、推理功能，沒有傳感器，就沒有采集信息、數(shù)據(jù)的功能，所有制造基礎(chǔ)無從下手，智能制造的地基如同空中樓閣。故智能制造是由智能傳感器作為基礎(chǔ)的，其重要性不可言語。

4.2 基于磁流變材料的傳感器

關(guān)靜[10]等基于磁場變化引起磁流體折射率的變化的理論，提出了一種了基于磁流體的長周期光纖光柵(long period fiber grating, LPFG)光學(xué)電流傳感器(如圖4 所示)，根據(jù)可知LPFG 波長受到環(huán)境折射率的影響，通過LPFG的耦合模理論確定其波長。當(dāng)磁場平行光波方向作用時，磁流體折射率與磁場大小存在特定遞增關(guān)系，再由LPFG 的環(huán)境折射率敏感特性，利用磁場與電壓之間的遞增關(guān)系，達到電流電流傳感的目的。該傳感器具有體積小、無磁滯等特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、抗干擾性強，具有與電力監(jiān)測高度契合特性。同時，對于在智能制造過程中對于電流敏感性較大的場合可應(yīng)用。

圖4 傳感器實物圖

胡國清[11]等提出磁流變新型微加速度傳感器，如圖5 所示。當(dāng)對磁流體施加磁場時，磁流變材料發(fā)生磁流變效應(yīng)，在毫秒級時間內(nèi)由液體變?yōu)榘牍腆w，除了流變特性發(fā)生變化，磁流變流體的介電常數(shù)也發(fā)生改變，電容極板由兩部分組成，分別是懸臂梁和質(zhì)量快，且與兩測固定板構(gòu)成差分電容，當(dāng)有加速度信號出現(xiàn)的時候，質(zhì)量塊受慣性力發(fā)生位移，電容間隙發(fā)生變化，同時差分電容也發(fā)生變化，進而可得到加速度的值。輸入電壓和加速度的關(guān)系由電流產(chǎn)生的磁場決定，極板的變形與電壓的關(guān)系取決于加速度的大小，于是輸入與輸出就建立起了明確的聯(lián)系。最終實驗表面此傳感器穩(wěn)定耐用、動態(tài)范圍廣。

圖5 微加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

先進材料是衡量現(xiàn)代科技和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，是制造業(yè)皇冠頂端的明珠。智能材料是21 世紀(jì)的尖端科技之一，作為一種智能控制載體及其應(yīng)用將對工業(yè)安全產(chǎn)生重要的影響。面向機械傳動領(lǐng)域的智能測試技術(shù)屬于前沿交叉學(xué)科領(lǐng)域，直接決定了基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展水平，同時也反映了國家的科技、軍事等綜合競爭力。隨著智能制造的快速發(fā)展，智能材料在其中的作用表現(xiàn)的非常出色，產(chǎn)品質(zhì)量、自動化原件以及智能傳感器需要智能儀器，智能儀器一方面需要擁有互聯(lián)網(wǎng)，另一方面需要智能材料作為介質(zhì)，這是制造趨智能化的重要物理介質(zhì)。如何將智能材料和智能制造搭配更加優(yōu)勝、如何提高智能制造的效率將是長期研究的問題。因此，加快基礎(chǔ)行業(yè)測試共性關(guān)鍵技術(shù)的研究，著力推進工業(yè)發(fā)展質(zhì)量，推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快制造強國建設(shè)，改善人民生活水平具有重要意義。