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(yè)大學(xué),合肥,230009

0 引言

磁流變液由導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)锽ingham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(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)可調(diào)、與計算機(jī)控制結(jié)合方便等優(yōu)點,目前已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、振動控制、機(jī)械傳動等領(lǐng)域[1-7]。這些應(yīng)用的本質(zhì)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(jī)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(dǎo)致定位波動很大。利用磁流變阻尼固緊器輔助工作臺進(jìn)行納米定位,一方面可實現(xiàn)柔性阻尼,減弱直線電機(jī)傳遞給工作臺的振動;另一方面可無沖擊固緊工作臺,實現(xiàn)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(jié)構(gòu),通過連桿與工作臺相連,運動方向為水平方向。當(dāng)線圈不通電時,磁流變液表現(xiàn)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(dāng)線圈通電后,在其周圍產(chǎn)生磁場,磁流變液由牛頓流體瞬間變?yōu)锽ingham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(dāng)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(yīng)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(jīng)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(shè)計中h通常取1～2mm[8]。

2 X向、Y向磁流變阻尼固緊器的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2是自行設(shè)計制作的X向、Y向磁流變阻尼固緊器的結(jié)構(gòu)圖,該裝置采用了橫向臥式結(jié)構(gòu)。內(nèi)部的兩個電磁線圈通過螺紋結(jié)構(gòu)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(tǒng)。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(jī)相連,電機(jī)與工作臺相連,電機(jī)與工作臺之間用4個套筒隔開,這不僅可以對電機(jī)的高度進(jìn)行定位,還避免了阻尼固緊器直接與工作臺的串聯(lián)。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(yōu)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(dǎo)向由與工作臺配合的導(dǎo)軌提供,節(jié)省了自身的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。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(jī)能正常驅(qū)動工作臺的要求。

圖2 X向、Y向磁流變阻尼固緊器結(jié)構(gòu)圖

2.2 磁路設(shè)計

根據(jù)磁流變阻尼固緊器磁路設(shè)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(lián)(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(dǎo)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(jù)磁路基爾霍夫定律(一)有

圖3中各部分磁阻為

根據(jù)阻尼固緊器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻尼力的影響,對阻尼固緊器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)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(shè)計磁路時應(yīng)保證磁芯與阻尼固緊槽間隙中的磁流變液在達(dá)到磁飽和時,磁芯和阻尼固緊槽都未達(dá)到磁飽和狀態(tài)。磁流變液在0.6～0.8T時達(dá)到磁飽和,此時磁路中各部分的磁通量都為

根據(jù)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(shù)值代入式(7),解得匝數(shù) 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(shè)計的X向、Y向磁流變阻尼固緊器進(jìn)行標(biāo)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(biāo)測量機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(xì)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(tǒng)具有以下特性指標(biāo)：最大測量速度v max=133mm/s,穩(wěn)態(tài)變化量為0.1nm,測量分辨率為1nm,精度為4nm。

圖5 納米三坐標(biāo)測量機(jī)二維機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)(采用單極驅(qū)動方式)驅(qū)動。工作臺的整個行程分為驅(qū)動和定位兩個階段,在驅(qū)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(diào)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(jìn)行驅(qū)動定位,走完100mm行程,驅(qū)動速度設(shè)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(qū)動控制程序里設(shè)定記錄數(shù)據(jù)個數(shù)為2000,采集的實驗數(shù)據(jù)均以*.txt形式存儲,取最后穩(wěn)態(tài)條件下的100個數(shù)據(jù)計算標(biāo)準(zhǔn)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(biāo),以每個2mm處的定位標(biāo)準(zhǔn)差作為縱坐標(biāo)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(wěn)定,定位波動均在5nm以內(nèi)。定位實驗中磁流變阻尼固緊器加載電流時計算出的標(biāo)準(zhǔn)差要比不加電流時的標(biāo)準(zhǔn)差小,在某些位置差值已經(jīng)達(dá)到12nm,這充分證明了在直線電機(jī)驅(qū)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(dāng)電流從1A增大到2A時,標(biāo)準(zhǔn)差略微有所減小,減小幅度下降;結(jié)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(jìn)入飽和狀態(tài)。從圖8中可以看出：直線電機(jī)的驅(qū)動速度對定位影響不大(已用往復(fù)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(qū)動速度定位比較

4 結(jié)論

(1)所設(shè)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(jié)構(gòu),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(dǎo)致初始阻尼力較大的問題,導(dǎo)向由導(dǎo)軌提供,節(jié)省了自身的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

(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(nèi),減弱了直線電機(jī)驅(qū)動時傳遞給工作臺的振動,降低了直線電機(jī)整個驅(qū)動行程中的波動。

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

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