試析GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用

朱小川

摘要：隨著科技的發(fā)展，高科技已成為當(dāng)今世界各國(guó)提高綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的主要力量之一，由此，我國(guó)形成了以高科技為主的科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。超磁致伸縮材料（GMM）于上世紀(jì)70年代迅速興起，作為新型的功能材料，已被各國(guó)高度重視，并加以充分利用，以提升自身的科技競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。目前，在GMM的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面，美國(guó)、日本以及瑞士處于世界領(lǐng)先水平。我國(guó)是世界資源強(qiáng)國(guó)，雖然在研究GMM上起步晚，但是，研究的進(jìn)展比較快、應(yīng)用的效率比較高。基于此，本文從GMM的性能特點(diǎn)著手分析，綜合大量的參考文獻(xiàn)，對(duì)GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的分析，以推動(dòng)GMM應(yīng)用研究的深入發(fā)展。

關(guān)鍵詞：GMM；機(jī)械電子工程；應(yīng)用；分析

前言

GMM作為新型的功能材料，在軍民兩用領(lǐng)域都有著難以估量的應(yīng)用前景，自上世紀(jì)80年代投入于西方市場(chǎng)至今，隨著其制造成本的降低，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷的擴(kuò)大，使其市場(chǎng)需求量在不斷的增加。我國(guó)在GMM材料的研究上相對(duì)來(lái)說(shuō)起步并不算晚，但是，在應(yīng)用方面還處于起步階段，面對(duì)21世紀(jì)科技高速發(fā)展的今天，如何將GMM充分應(yīng)用，以提高我國(guó)的科技綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，是當(dāng)前應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)有少數(shù)研究單位已能小批量的進(jìn)行生產(chǎn)，并受到了相關(guān)行業(yè)企業(yè)的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已被多領(lǐng)域應(yīng)用。本文對(duì)GMM在機(jī)械電子工程的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供參考，以進(jìn)一步推動(dòng)GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用研究的發(fā)展。

1.GMM的性能特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

GMM的性能特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)為：第一，溫度的穩(wěn)定性能高且范圍廣，與傳統(tǒng)壓電材料PZT和Ni，Co比較，其在室溫下的磁致伸縮應(yīng)變更大；第二，結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度很高，達(dá)到幾十毫秒甚至微秒，應(yīng)變能力強(qiáng)，并能降低損耗；第三，能量密度比傳統(tǒng)材料大，輸出功率更高[1]。

2.GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用

隨著科技的日新月異，GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用研究呈現(xiàn)出較為活躍的狀態(tài)，因此，其在電子工程中的應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大，本文將對(duì)以下幾個(gè)應(yīng)用方面進(jìn)行分析闡述：

2.1 GMM應(yīng)用于液壓閥

液壓閥是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的控制元件，是用來(lái)控制系統(tǒng)中流體的流動(dòng)方面、調(diào)解流動(dòng)壓力以及流量。GMM在液壓控制閥中的應(yīng)用為：微型開(kāi)關(guān)閥、比例閥、單極電液伺服閥以及擋板型伺服閥。超磁致薄膜微型開(kāi)關(guān)閥是利用薄膜的伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)控制閥的工作，在外加磁場(chǎng)為30mT時(shí)產(chǎn)生最大開(kāi)口量，從而大大減小了驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)；比例閥是直接利用超磁致伸縮棒的輸出位實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，在300Hz時(shí)閥芯位移達(dá)到0.0122毫寸，其最高驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為5kHz；單極電液伺服閥也叫做直動(dòng)式伺服閥，其最大的特點(diǎn)是采用了閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，精密度高；擋板型伺服閥的特點(diǎn)是擁有較寬的壓力控制范圍、良好的線性度以及高反應(yīng)速度[2]。

2.2 GMM應(yīng)用于液壓泵

超磁致伸縮泵是通過(guò)分析磁場(chǎng)強(qiáng)度在GMM棒軸線上的分布，利用GMM直接將液壓泵的活塞驅(qū)動(dòng)，從而提高電磁機(jī)械的轉(zhuǎn)化效率。目前，類似于一節(jié)電池式的密閉性GMM液壓泵已經(jīng)問(wèn)世，比如日本現(xiàn)已制成具有響應(yīng)速度快，且高精度控制流等優(yōu)點(diǎn)的GMM泵，在外磁場(chǎng)變化的頻率為2kHz時(shí)，泵的輸出流量可達(dá)到10L/min，這樣精密控制程度可滿足不同相關(guān)行業(yè)的需求。

2.3 GMM應(yīng)用于蠕動(dòng)位移機(jī)械

蠕動(dòng)位移機(jī)械指的是能夠像自然界某種蝴蝶的幼蟲(chóng)一樣，能夠做連續(xù)的步行運(yùn)動(dòng)，其步距最小可達(dá)到4納米，運(yùn)動(dòng)速度為毫米每秒。GMM蠕動(dòng)機(jī)械目前在距離控制、機(jī)器人中都有著廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用方面，國(guó)外將其與壓電晶體相結(jié)合，設(shè)計(jì)出諧振型馬達(dá)，其最高的工作頻率能夠達(dá)到300Hz；在國(guó)內(nèi)，蠕動(dòng)微位移機(jī)械已被成功的研制出，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行進(jìn)步距也會(huì)隨著電壓的變化而變化，在電壓為12v時(shí)，其步距為0.011mm，由此可見(jiàn)，我國(guó)在此技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用以及設(shè)計(jì)上都有著很大的進(jìn)步。

2.4 GMM應(yīng)用于聲納換能器

目前，世界上很多國(guó)家如日本、美國(guó)等，以相繼研發(fā)出GMM聲納換能器，GMM聲納換能器在很多方面都得到了廣泛的應(yīng)用，如水下通信、跟蹤定位等。英國(guó)在GMM聲納換能器方面，已成功的研制出1350Hz的聲納換能器設(shè)備，我國(guó)關(guān)于聲納換容器的研究工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，其頻寬為800kHz。

2.5 GMM應(yīng)用于新型電動(dòng)機(jī)

GMM新型電動(dòng)機(jī)在應(yīng)用上的成果有直線電機(jī)、蠕動(dòng)電機(jī)、Kiescwetter電機(jī)以及Recherche馬達(dá)。超磁致伸縮直線電機(jī)不僅能量轉(zhuǎn)化率高，響應(yīng)速度快，可適應(yīng)溫度寬、能夠在低電壓狀態(tài)下工作，與此同時(shí)，還不容易發(fā)生疲勞退化的現(xiàn)象，對(duì)能源的供應(yīng)需求也非常?。蝗鋭?dòng)電機(jī)的應(yīng)用類型很多，比如機(jī)器人、機(jī)器手等，它的應(yīng)用特點(diǎn)是在驅(qū)動(dòng)棒的兩端各有一個(gè)閘片，在交變磁場(chǎng)法神該變化的情況下，位移累加會(huì)呈線性運(yùn)動(dòng)，在應(yīng)用的過(guò)程中，能夠獲得很快的運(yùn)動(dòng)速度。Kiescwetter在應(yīng)用的過(guò)程中，最大速度能達(dá)到20mm每秒，最大驅(qū)動(dòng)力可達(dá)到1000N，并且不會(huì)產(chǎn)生重載反沖現(xiàn)象，常被用于涂層重量控制；Recherche馬達(dá)是利用兩種機(jī)械間的機(jī)械共振[3]。

2.6 GMM超精密機(jī)床加工控制

GMM超精密機(jī)床加工控制，憑借GMM的優(yōu)勢(shì)性能，在應(yīng)用上具有非常大的潛力。將GMM轉(zhuǎn)化器應(yīng)用于加工車床上，其加工的密度可達(dá)到納米單位量，從而增加了控制效果。目前，我國(guó)將GMM超精密機(jī)床加工控制應(yīng)用于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其有很好的應(yīng)用效果，并滿足了當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)需求。

3.結(jié)論

超磁致伸縮材料作為一種新型的功能材料，必然會(huì)促進(jìn)相關(guān)工藝技術(shù)的發(fā)展，其不僅在機(jī)械電子工程中得到了初步的引用與發(fā)展，與此同時(shí)，它還能應(yīng)用于其它工業(yè)領(lǐng)域，因而，應(yīng)得到高度的重視。隨著科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深化發(fā)展，為了提升我國(guó)的綜合國(guó)力，有必要加深技術(shù)研究深度，并加以廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)分析超磁致伸縮材料在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用，以明確GMM應(yīng)用的現(xiàn)狀，為我國(guó)進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)GMM在電子工程中的應(yīng)用，提供基礎(chǔ)性的參照。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁凡，戴旭涵，夏春林.GMM蠕動(dòng)微位移機(jī)械的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，20（4）：419～420.

[2]王博文等.巨磁致伸縮材料及其應(yīng)用[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，9（03）：64-67.

[3]杜挺等.稀土-鐵系超磁致伸縮材料的應(yīng)用研究[J].金屬功能材料，2012，8（4）：173-176.