CN102025288B - 具有恒力输出的超磁致伸缩执行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种具有恒力输出的超磁致伸缩执行器及控制方法属于磁致伸缩执行器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩棒为核心元件的具有恒力输出的超磁致伸缩执行器及控制方法。超磁致伸缩执行器为轴对称式结构；圆桶状的柱体安装在底部带有圆形凸台且中心处开有圆形凹槽的圆桶状的外套的圆形内腔底部，下导磁体安装在柱体的圆形内腔底部，圆筒磁轭安装在下导磁体上部。超磁致伸缩执行器的控制方法是先建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块，使用超磁致伸缩正效应模型、超磁致伸缩逆效应模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，解除了超磁致伸缩棒内的磁致伸缩正效应和逆效应的耦合作用，使超磁致伸缩执行器在线圈中的电流和外力的共同作用下具有恒力输出。

Description

具有恒力输出的超磁致伸缩执行器及控制方法

技术领域

本发明属于磁致伸缩执行器领域，特别涉及一种以超磁致伸缩棒为核心元件的具有恒力输出的超磁致伸缩执行器及控制方法。

背景技术

在精密、超精密加工等制造业领域，具有高位置分辨率、大输出力、快速响应能力和低蠕变等高性能的微位移执行器是关键单元之一。目前，一些类型的微位移执行器具有上述的部分性能，例如电热微位移执行器、电磁微位移执行器、压电陶瓷执行器以及形状记忆合金执行器等，但是这些执行器不同时具备满足超精密加工要求的所有重要性能。伴随着具有大磁致伸缩系数(1500×10^-6～2000×10^-6)、高机电耦合系数，响应速度快等优异特性的超磁致伸缩材料的出现，一种兼具上述所有性能的执行器得到了发展。

超磁致伸缩执行器是利用超磁致伸缩材料在外加磁场作用下发生形变这一特性，实现电磁能向机械能转换的一种换能器。目前在机械加工领域中，主要是利用超磁致伸缩执行器输出的微量位移实现高分辨率的微量进给、小尺寸非圆车削、深孔及异型孔加工、以及机床的振动主动控制等。例如，在2007年International Journal of Advanced Manufacture Technology第33卷的379-388页，发表的Control of a dual stage magnetostrictive actuatorand linearmotor feed drive system中，Tong等以线性马达和超磁致伸缩执行器分别作为粗进给驱动器和微进给驱动器研制了一个双级进给驱动系统。在2007年Joumal of Manufacturing Processes第9卷的75-86页，发表的Assessing the performance of a magnetostrictive-actuated tool holder to achieveaxial modulations with application to dry deep hole drilling中，Filipovic和Sutherland提出了一种以超磁致伸缩执行器作为刀柄的铝合金深孔干钻削技术。在2004年浙江大学学报(工学版)第38卷的1185-1189页，发表的基于超磁致伸缩材料的活塞异销孔加工原理研究中，邬义杰等通过将超磁致伸缩材料嵌入到刀具中研制了一种活塞异形销孔加工系统。但是，目前尚无有关利用超磁致伸缩执行器的输出力来实现恒力切削的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，即在恒力切削应用领域中现有超磁致伸缩执行器技术的不足，设计一种以超磁致伸缩棒作为核心元件，以一个线圈为超磁致伸缩棒同时提供偏置磁场和驱动磁场，以电工纯铁材料的圆筒作为主磁轭的超磁致伸缩执行器，并提出一种能够使超磁致伸缩执行器具有恒力输出的控制方法，以达到超磁致伸缩执行器在电流和外力共同作用下具有恒力输出的目的。

本发明采用的技术方案是：具有恒力输出的超磁致伸缩执行器，其特征是，超磁致伸缩执行器为轴对称式结构；圆桶状的柱体17安装在底部带有圆形凸台且中心处开有圆形凹槽的圆桶状的外套13的圆形内腔底部，下导磁体15安装在柱体17的圆形内腔底部，圆筒磁轭5安装在下导磁体15上部，绕有线圈6的线圈骨架8安装在圆筒磁轭5内腔中，使线圈骨架8下端面与下导磁体15的上表面接触；不锈钢套管16安装在线圈骨架8的内孔中，下导向块12依次穿过下导磁体15、不锈钢套管16中心处的通孔，并使下导向块12的下端面与柱体17的内腔底部接触；霍尔传感器14通过非导磁性胶11固定在下导向块12上表面的中心处，不锈钢钢圈10、导磁垫片9、超磁致伸缩棒7分别从下导向块12上表面由下至上依次安装在不锈钢套管16的内孔中；中心处具有圆形凹槽的上导向块21安装在超磁致伸缩棒7的上面，中心处带有通孔的上导磁体20安装在线圈骨架8的上面，上导向块21与线圈骨架8和上导磁体20之间具有一定的间隙；中心处带有通孔的上端盖3通过均匀分布的四只上端盖固定螺栓18固定在柱体17上部，阶梯轴形状的传递轴1下端安装在上导向块21中心处的凹槽内，穿过传递轴1上部的碟形弹簧23安装在传递轴1的上表面a处，上端为六角形且具有外螺纹的预紧套2穿过传递轴1的上部，传递轴1与上端盖3、碟形弹簧23、预紧套2之间具有一定的间隙；预紧套2与具有螺纹通孔的顶盖22通过螺纹配合将碟形弹簧23压缩，顶盖22通过均匀分布的四只顶盖固定螺栓19与外套13固定连接，安装在外套13侧面的均匀分布的四只紧定螺钉4将上端盖3和柱体17在径向上锁紧；

具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法是首先建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块，然后以超磁致伸缩执行器的线圈中的电流I和超磁致伸缩执行器的输出力F作为超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块的输入量，使用超磁致伸缩正效应模型、超磁致伸缩逆效应模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，来确定电流I产生的磁场和外力F₁共同作用下超磁致伸缩执行器中，超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，再根据超磁致伸缩执行器的恒力输出目标值F_goal，采用超磁致伸缩正效应逆模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，来得到使超磁致伸缩执行器实现恒力输出时，需要供给线圈的电流，并将该电流作为控制模块的输出；外力F₁分为静态力和简谐动态力两种；

(1)当外力F₁为静态力时，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法的具体步骤如下：

1)建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块

数据采集卡将超磁致伸缩执行器的线圈中的电流I和超磁致伸缩执行器的输出力F采集到计算机数据处理系统中，再以电流I和输出力F作为超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块的输入变量，然后计算机数据处理系统对数据进行处理计算，得到使超磁致伸缩执行器具有恒力输出时需要供给线圈的电流，最后计算机数据处理系统控制高速双极性电源向线圈输出电流，建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块；

2)确定在电流I产生的磁场和外力F₁共同作用下，超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，具体步骤如下：

①根据线圈中的电流I计算线圈产生的磁场，采用公式(1)表示为：

H＝NI/L                                    (1)

式中：H-线圈产生的磁场，N-线圈匝数，L-线圈高度；

然后利用超磁致伸缩正效应模型计算超磁致伸缩棒内的只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B，采用公式(2)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}M=f_M(M_i,B_i,H)\\ B={\mathrm{\μ}}_0\×(M+H)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：f_M-超磁致伸缩正效应模型中磁化强度的计算模型，M_i-初始磁化强度(i＝1、2、3、4)，B_i-初始磁通密度(i＝1、2、3、4)，对于本次计算取i＝1，M_i＝M₁，表示在没有施加本次电流时超磁致伸缩棒内的磁化强度，B_i＝B₁，表示在没有施加本次电流时超磁致伸缩棒内的磁化强度，μ₀-空气的磁导率；

再采用超磁致伸缩材料弹性模量模型计算超磁致伸缩棒的磁致伸缩力F₀，采用公式(3)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M,H)\\ F_0=E\×A\×\left({\mathrm{\γ}}_1{M}^2\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：f_E-超磁致伸缩材料弹性模量的计算模型，E-弹性模量，A-超磁致伸缩棒的横截面积，γ₁-磁致伸缩二阶系数；

②以只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，根据超磁致伸缩执行器的输出力F和磁致伸缩力F₀，采用超磁致伸缩逆效应模型计算受到外力F₁后，超磁致伸缩棒在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′，用公式(4)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}^{\′}=f_{\mathrm{Mo}}(M_i,B_i,H,\mathrm{\σ})\\ B^{\′}={\mathrm{\μ}}_0(M^{\′}+H)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：f_Mo-超磁致伸缩逆效应模型中磁化强度的计算模型，σ-超磁致伸缩棒受到的外界应力，σ＝(F-F₀)/A，对于本次计算取i＝2，M_i＝M₂＝M，B_i＝B₂＝B；

然后采用超磁致伸缩材料弹性模量模型，计算超磁致伸缩棒产生的附加输出力F₂，采用公式(5)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M^{\′},H)\\ F_2=F_0-\mathrm{EA}\×\left({\mathrm{\γ}}_1{M}^{\′2}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

③以在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，根据附加输出力F₂，使用超磁致伸缩逆效应模型确定超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，采用公式(6)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}^{\′\′}=f_{\mathrm{Mo}}(M_i,B_i,H,{\mathrm{\σ}}^{\′})\\ B^{\′\′}={\mathrm{\μ}}_0(M^{\′\′}+H)\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：对于本次计算取i＝3，M_i＝M₃＝M′，B_i＝B₃＝B′，σ′＝F₂/A；

3)确定使超磁致伸缩执行器具有恒力输出时需要供给线圈的电流计算输出力F与恒力输出目标值F_goal之间的差值ΔF，采用公式(7)表示为：

ΔF＝F-F_goal                                           (7)

以最终平均磁化强度M″和磁通密度B″分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，采用超磁致伸缩正效应逆模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型计算，使超磁致伸缩执行器产生与ΔF大小相等、方向相反的力时，即为超磁致伸缩执行器具有恒力输出时，需要供给线圈的电流，采用公式(8)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M^{\′\′},H)\\ M_{\mathrm{out}}=\sqrt{\mathrm{EA}{\mathrm{\γ}}_1\mathrm{\ΔF}}/\left(\mathrm{EA}{\mathrm{\γ}}_1\right)\\ H_{\mathrm{out}}=f_M^{-1}(M_i,B_i,M_{\mathrm{out}})\\ I=H_{\mathrm{out}}L/N\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：M_out-产生与ΔF大小相等、方向相反的力时，超磁致伸缩棒内的平均磁化强度，H_out-产生M_out需要的磁场强度，-超磁致伸缩正效应逆模型中磁场强度的计算模型，I-产生H_out时线圈中的电流，对于本次计算取i＝4，M_i＝M₄＝M″，B_i＝B₄＝B″；

4)根据上面计算得到的需要供给线圈的电流I，计算机数据处理系统控制高速双极性电源给线圈提供该电流；

(2)当外力F₁为简谐动态力时，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法的具体步骤与F₁为静态力时相同；但是，要同时给线圈输入直流电流和交流电流；按照上述步骤计算得到的电流为交流电流值，交流电流频率与外力F₁的频率相同，直流电流的大小为交流电流峰峰值的1/2。

本发明具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的显著特点是以超磁致伸缩棒作为核心元件，线圈可同时为超磁致伸缩棒提供偏置磁场和激励磁场，克服了永磁铁磁场不可调、以及双线圈互相干扰的问题；以电工纯铁材料的圆筒磁轭作为主磁轭，并以上导磁体、上导向块、下导磁体、下导向块、导磁垫片作为辅助磁轭引导磁通穿过超磁致伸缩棒，使超磁致伸缩棒得到了更加充分的利用；处于整个超磁致伸缩执行器上端的预紧套与碟形弹簧配合为超磁致伸缩棒提供可调的预紧力，避免了以往通过超磁致伸缩执行器底部的预紧螺钉调节预紧力不方便的问题；具有恒力输出的超磁致伸缩执行器所采用的控制方法，有效地解除了超磁致伸缩棒内的磁致伸缩正效应和逆效应的耦合作用，使超磁致伸缩执行器在线圈中的电流和外力的共同作用下具有恒力输出。

附图说明

图1为超磁致伸缩执行器装配图的A-A剖面图，图2为超磁致伸缩执行器装配图俯视图，其中，1-传递轴，2-预紧套，3-上端盖，4-紧定螺钉，5-圆筒磁轭，6-线圈，7-超磁致伸缩棒，8-线圈骨架，9-导磁垫片，10-不锈钢钢圈，11-非导磁性胶，12-下导向块，13-外套，14-霍尔传感器，15-下导磁体，16-不锈钢套管，17-柱体，18-上端盖固定螺栓，19-顶盖固定螺栓，20-上导磁体，21-上导向块，22-顶盖，23-碟形弹簧，a-传递轴1的上表面。

图3为具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制原理图，I-电源供给线圈的电流，H-线圈产生的磁场，F₁-外界施加给超磁致伸缩棒的力，F-超磁致伸缩执行器输出力，F_goal-超磁致伸缩执行器的恒力输出目标值。

图4为实验系统示意图，其中，1-夹持螺栓，2-夹持装置，3-超磁致伸缩执行器，4-紧固螺栓，5-安装座，6-连接轴，7-称重传感器，F₁-外界通过夹持螺栓1施加给超磁致伸缩执行器的外力。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的工作原理是：超磁致伸缩材料具有两种重要的效应，即磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应；磁致伸缩正效应是指，超磁致伸缩材料在磁场作用下，超磁致伸缩材料长度方向上的尺寸发生变化并对外界产生输出力；磁致伸缩逆效应是指，超磁致伸缩材料受到外力作用时，超磁致伸缩材料的磁导率发生变化，超磁致伸缩材料内部的磁化状态发生变化。当超磁致伸缩棒在磁场和外力共同作用下时，超磁致伸缩棒内部同时发生了磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应，并且这两种效应耦合在一起，使超磁致伸缩棒内的磁化状态以及超磁致伸缩棒对外界的输出力都发生变化，此时采用一定的控制方法对两种效应进行解耦，并通过调整超磁致伸缩执行器的线圈中的电流来改变超磁致伸缩执行器的输出力，进而使超磁致伸缩执行器具有恒力输出。

(1)当工作时，如果超磁致伸缩执行器受到外界静态力的作用，通过给线圈6通入直流电流来为超磁致伸缩棒7提供静态激励磁场；通过调节预紧套2与顶盖22之间的螺纹配合长度来改变对碟形弹簧23的压缩量，从而调整提供给超磁致伸缩棒7的预紧力；为了使超磁致伸缩棒7内部的磁通密度分布均匀，并且使超磁致伸缩棒7内具有较大的磁通密度，采用具有高导磁性的电工纯铁材料的圆筒磁轭5、上导磁体20、上导向块21、导磁垫片9、下导向块12、下导磁体15实现对磁通的引导；为了更准确的测量超磁致伸缩棒7内部的磁通密度，即提高霍尔传感14器测量到的磁通密度与超磁致伸缩棒7内部的磁通密度之间的比例系数，用不锈钢钢圈10将霍尔传感器14套住；为了防止外界环境对整个超磁致伸缩执行器的内部磁路产生影响，用非导磁性不锈钢材料外套13、顶盖22和预紧套2将整个超磁致伸缩执行器内部结构封装在里面，见图1和图2。在通有电流I的线圈6产生的磁场作用下，超磁致伸缩棒7产生输出力，输出力通过上导向块21和传递轴1向外界输出，外力F₁直接作用在传递轴1上并通过上导向块21传递给超磁致伸缩棒7；超磁致伸缩棒7在线圈6产生的磁场和外力F₁的共同作用下，超磁致伸缩棒7内的磁化状态以及超磁致伸缩棒7对外界的输出力F都发生变化，此时通过本发明提出的具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法确定使超磁致伸缩执行器的输出力始终保持与恒力输出目标值F_goal相同时需要供给线圈的电流，进而实现超磁致伸缩执行器具有恒力输出，见图3。

实施例1-外界力为静态力：本实施例中超磁致伸缩棒的尺寸为Φ12×100mm，线圈8的高度和匝数分别为0.114m和1800匝，漆包线带皮外径为1.43mm，碟形弹簧27为A系列碟形弹簧35.5，霍尔传感器16选用型号为美国Allegro公司生产的线性霍尔传感器A1302EUA，灵敏度为1.3mv/G。图5为实验系统示意图，其中主要部件的主要参数如下：选用BP4610高速双极性电源，最小可调电流为±0.001A。选用LSM-3000称重传感器，其最大量程为3000N，最小测量力为0.1N。

实验平台的安装过程如下：将安装座5通过紧固螺栓4固定在夹持装置2的底板上，把超磁致伸缩执行器3安装在安装座5的圆形内腔内，连接轴6通过底部的圆形凹槽放置在超磁致伸缩执行器3中传递轴的上端，称重传感器7安装在连接轴6上部的圆形凹槽内，调整夹持螺栓1的轴向位置，使夹持螺栓1的下端面与称重传感器7的上端面恰好接触且相互作用力为0，称重传感器7的两个输出端与数据采集卡的其中两个信号输入引脚连接，数据采集卡以PCI总线方式与计算机连接，计算机通过USB连接线与高速双极性电源的USB接口连接，高速双极性电源输出终端的两根电缆分别与超磁致伸缩执行器3中的线圈两端相连，高速双极性电源的信号监测终端通过BNC连接线与数据采集卡的另外两个信号输入引脚连接，通过电缆将直流稳压电源的两个输出端与超磁致伸缩执行器3中霍尔传感器的两个输入端连接，霍尔传感器的两个输出端与万用表的红黑表笔连接。

实验过程和结果如下：

1)在室温环境下，直流稳压电源给超磁致伸缩执行器3中的霍尔传感器提供5V的电压，反复调节高速双极性电源供给超磁致伸缩执行器3中的线圈的直流电流，直至超磁致伸缩执行器3中的线圈的直流电流为0时，超磁致伸缩执行器3中的霍尔传感器的输出电压为2.5V；利用高速双极性电源给超磁致伸缩执行器3中的线圈提供1.3A的直流电流，数据采集卡将高速双极性电源的输出信号采集到计算机中。

2)通过顺时针方向旋转夹持螺栓1给超磁致伸缩执行器施加一定的外力F1，数据采集卡将称重传感器7测量到的超磁致伸缩执行器3的输出力F采集到计算机中，以F_goal＝126N为恒力输出目标值，采用本发明提出的具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法中的步骤2)和3)，计算需要供给超磁致伸缩执行器3中线圈的电流，具体过程如下：

①通有电流的线圈产生的磁场为：

H＝NI/L＝1800×1.3/0.114＝20.53×10³A/m

第一次计算时，初始磁化强度和磁通密度分别为M₁＝0，B₁＝0，则超磁致伸缩棒内的只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B为：

$\left\{\begin{array}{c}M=f_M=(\mathrm{0,0,20.53}\×{10}^3)=3.11\×{10}^{5}A/m\\ B=4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}\×(3.11\×{10}^5+20.53\×{10}^3)=0.42T\end{array}\right.$

对于实施例1中的超磁致伸缩棒，横截面积A为：

A＝π/4×0.012²＝1.13×10^-4m²

参数γ₁为：

γ₁＝3.747×10^-15

弹性模量E为：

E＝f_E(3.11×10⁵，20.53×10³)＝3.05×10⁹Pa

则超磁致伸缩棒的磁致伸缩力F₀为：

F₀＝EA×(γ₁M²)＝3.05×10⁹×1.13×10^-4×3.747×10^-15(3.11×10⁵)²＝124.9N；

②设置此时的初始磁化强度和磁通密度分别为：

M₂＝M＝3.11×10⁵A/m，B₂＝B＝0.42T

根据数据采集卡采集到的输出力F＝145N，得到超磁致伸缩棒受到的外界应力为：

σ＝(F-F₀)/A＝(145-124.9)/(1.13×10^-4)＝1.8×10⁵Pa

则在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}^{\′}=f_{\mathrm{Mo}}(M_2,B_2,H,\mathrm{\σ})=f_{\mathrm{Mo}}(3.11\×{10}^5,\mathrm{0.42,20.53}\×{10}^3,1.8\×{10}^5)=3.05\×{10}^{5}A/m\\ B^{\′}={\mathrm{\μ}}_0(M^{\′}+H)=4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}(3.05\×{10}^5+20.53\×{10}^3)=0.41T\end{array}\right.$

弹性模量E为：

E＝f_E(M′，H)＝f_E(3.05×10⁵，20.53×10³)＝3.02×10⁹Pa

附加数据力F₂为：

F₂＝F₀-EA×(γ1M′²)

  ＝124.9-3.02×10⁹×1.13×10^-4×3.747×10^-15(3.05×10⁵)²＝6N

③设置此时的初始磁化强度和磁通密度分别为：

M₃＝M′＝3.05×10⁵A/m，B₃＝B′＝0.41T

附加输出力F₂对超磁致伸缩棒产生的应力为：

σ′＝F₂/A＝6/(1.13×10^-4)＝5.3×10⁴Pa

则超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}^{\′}=f_{\mathrm{Mo}}(3.05\×{10}^5,\mathrm{0.41,20.53}\×{10}^3,5.3\×{10}^4)=3.01\×{10}^{5}A/m\\ B^{\′\′}={\mathrm{\μ}}_0(M^{\′\′}+H)=4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}(3.01\×{10}^5+20.53\×{10}^3)=0.404T\end{array}\right.$

④输出力F与恒力输出目标值F_goal之间的差值ΔF为：

ΔF＝F-F_goal＝145-126＝19N

设置此时的初始磁化强度和磁通密度分别为：

M₄＝M″＝3.01×10⁵A/m，B₄＝B″＝0.404T

计算需要供给线圈的电流为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M^{\′\′},H)=f_E(3.01\×{10}^5,20.53\×{10}^3)=2.98\×{10}^9\mathrm{pa}\\ M_{\mathrm{out}}=\sqrt{\mathrm{EA}{\mathrm{\γ}}_1\mathrm{\ΔF}}/\mathrm{EA}{\mathrm{\γ}}_1\\ =\sqrt{2.98\×{10}^9\×1.13\×{10}^{-4}\×3.747\×{10}^{-15}\×19}/(2.98\×{10}^9\×1.13\×{10}^{-4}\×3.747\×{10}^{-15})\\ =1.23\×{10}^{5}A/m\\ H_{\mathrm{out}}=f_M^{-1}(M_4,B_4,M_{\mathrm{out}})=f_M^{-1}(3.01\×{10}^5,\mathrm{0.404,1.23}\×{10}^5)=16.2\×{10}^{3}A/m\\ I=H_{\mathrm{out}}{L}_c/N=1.023A\end{array}\right.$

3)根据上面计算得到的电流I，计算机数据处理系统控制高速双极性电源给线圈提供该电流。

4)重复步骤2)和3)5次，使超磁致伸缩执行器3具有126N的恒力输出时，超磁致伸缩执行器3中线圈的电流实际值分别为1.013A，0.839A，0.645A，0.513A，0.411A。通过本发明提出具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法得到的电流计算值分别为1.023A，0.838A，0.647A，0.515A，0.412A，电流实际值与计算值之间的相对偏差都小于1％。

(2)如果超磁致伸缩执行器受到外界简谐动态力的作用，超磁致伸缩执行器的安装调节步骤和控制方法与在外界静态力作用时相同。但是，电流的输入要同时给线圈6通入直流电流和交流电流，为超磁致伸缩棒7同时提供偏置磁场和动态激励磁场，其中直流电流大小是交流电流峰峰值的1/2；通入直流电流是为了产生偏置磁场，以消除超磁致伸缩执行器输出力的倍频现象，通入交流电流是为了产生一个动态激励磁场，以使超磁致伸缩执行器产生动态输出力。从而使超磁致伸缩执行器在电流和外界简谐动态力共同作用下具有恒定的输出力。

本发明提出的方法能够使本发明所述的超磁致伸缩执行器在线圈中的电流和外力共同作用下具有恒力输出。

Claims (2)

1.一种具有恒力输出的超磁致伸缩执行器，其特征是，超磁致伸缩执行器为轴对称式结构；圆桶状的柱体(17)安装在底部带有圆形凸台且中心处开有圆形凹槽的圆桶状的外套(13)的圆形内腔底部，下导磁体(15)安装在柱体(17)的圆形内腔底部，圆筒磁轭(5)安装在下导磁体(15)上部，绕有线圈(6)的线圈骨架(8)安装在圆筒磁轭(5)内腔中，使线圈骨架(8)下端面与下导磁体(15)的上表面接触；不锈钢套管(16)安装在线圈骨架(8)的内孔中，下导向块(12)依次穿过下导磁体(15)、不锈钢套管(16)中心处的通孔，并使下导向块(12)的下端面与柱体(17)的内腔底部接触；霍尔传感器(14)通过非导磁性胶(11)固定在下导向块(12)上表面的中心处，不锈钢钢圈(10)、导磁垫片(9)、超磁致伸缩棒(7)分别从下导向块(12)上表面由下至上依次安装在不锈钢套管(16)的内孔中；中心处具有圆形凹槽的上导向块(21)安装在超磁致伸缩棒(7)的上面，中心处带有通孔的上导磁体(20)安装在线圈骨架(8)的上面，上导向块(21)与线圈骨架(8)和上导磁体(20)之间具有一定的间隙；中心处带有通孔的上端盖(3)通过均匀分布的四只上端盖固定螺栓(18)固定在柱体(17)上部，阶梯轴形状的传递轴(1)下端安装在上导向块(21)中心处的凹槽内，穿过传递轴(1)上部的碟形弹簧(23)安装在传递轴(1)的上表面(a)处，上端为六角形且具有外螺纹的预紧套(2)穿过传递轴(1)的上部，传递轴(1)与上端盖(3)、碟形弹簧(23)、预紧套(2)之间具有一定的间隙；预紧套(2)与具有螺纹通孔的顶盖(22)通过螺纹配合将碟形弹簧(23)压缩，顶盖(22)通过均匀分布的四只顶盖固定螺栓(19)与外套(13)固定连接，安装在外套(13)侧面的均匀分布的四只紧定螺钉(4)将上端盖(3)和柱体(17)在径向上锁紧。

2.一种具有恒力输出的超磁致伸缩执行器，其特征是，所采用的控制方法是首先建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块，然后以超磁致伸缩执行器的线圈中的电流I和超磁致伸缩执行器的输出力F作为超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块的输入量，使用超磁致伸缩正效应模型、超磁致伸缩逆效应模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，来确定电流I产生的磁场和外力F₁共同作用下超磁致伸缩执行器中，超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，再根据超磁致伸缩执行器的恒力输出目标值F_goal，采用超磁致伸缩正效应逆模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，来得到使超磁致伸缩执行器实现恒力输出时，需要供给线圈的电流，并将该电流作为控制模块的输出；外力F₁分为静态力和简谐动态力两种；

(1)当外力F₁为静态力时，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法的具体步骤如下：

1)建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块

数据采集卡将超磁致伸缩执行器的线圈中的电流I和超磁致伸缩执行器的输出力F采集到计算机数据处理系统中，再以电流I和输出力F作为超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块的输入变量，然后计算机数据处理系统对数据进行处理计算，得到使超磁致伸缩执行器具有恒力输出时需要供给线圈的电流，最后计算机数据处理系统控制高速双极性电源向线圈输出电流，建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块；

2)确定在电流I产生的磁场和外力F₁共同作用下，超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，具体步骤如下：

①根据线圈中的电流I计算线圈产生的磁场，采用公式(1)表示为：

H＝NI/L                                   (1)

式中：H-线圈产生的磁场，N-线圈匝数，L-线圈高度；

然后利用超磁致伸缩正效应模型计算超磁致伸缩棒内的只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B，采用公式(2)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}M=f_M(M_i,B_i,H)\\ B={\mathrm{\μ}}_0\×(M+H)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：f_M-超磁致伸缩正效应模型中磁化强度的计算模型，M_i-初始磁化强度(i＝1、2、3、4)，B_i-初始磁通密度(i＝1、2、3、4)，对于本次计算取i＝1，M_i＝M₁，表示在没有施加本次电流时超磁致伸缩棒内的磁化强度，B_i＝B₁，表示在没有施加本次电流时超磁致伸缩棒内的磁化强度，μ₀-空气的磁导率；

再采用超磁致伸缩材料弹性模量模型计算超磁致伸缩棒的磁致伸缩力F₀，采用公式(3)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M,H)\\ F_0=E\×A\×\left({\mathrm{\γ}}_1{M}^2\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：f_E-超磁致伸缩材料弹性模量的计算模型，E-弹性模量，A-超磁致伸缩棒的横截面积，γ₁-磁致伸缩二阶系数；

②以只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，根据超磁致伸缩执行器的输出力F和磁致伸缩力F₀，采用超磁致伸缩逆效应模型计算受到外力F₁后，超磁致伸缩棒在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′，采用公式(4)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}^{\′}=f_{\mathrm{Mo}}(M_i,B_i,H,\mathrm{\σ})\\ B^{\′}={\mathrm{\μ}}_0(M^{\′}+H)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：f_Mo-超磁致伸缩逆效应模型中磁化强度的计算模型，σ-超磁致伸缩棒受到的外界应力，σ＝(F-F₀)/A，对于本次计算取i＝2，M_i＝M₂＝M，B_i＝B₂＝B；

然后采用超磁致伸缩材料弹性模量模型，计算超磁致伸缩棒产生的附加输出力F₂，采用公式(5)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M^{\′},H)\\ F_2=F_0-\mathrm{EA}\×\left({\mathrm{\γ}}_1{M}^{\′2}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

③以在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，根据附加输出力F₂，使用超磁致伸缩逆效应模型确定超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，采用公式(6)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}^{\′\′}=f_{\mathrm{Mo}}(M_i,B_i,H,{\mathrm{\σ}}^{\′})\\ B^{\′\′}={\mathrm{\μ}}_0(M^{\′\′}+H)\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：对于本次计算取i＝3，M_i＝M₃＝M′，B_i＝B₃＝B′，σ′＝F₂/A；

3)确定使超磁致伸缩执行器具有恒力输出时需要供给线圈的电流

计算输出力F与恒力输出目标值F_goal之间的差值ΔF，采用公式(7)表示为：

ΔF＝F-F_goal                               (7)

以最终平均磁化强度M″和磁通密度B″分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，采用超磁致伸缩正效应逆模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型计算，使超磁致伸缩执行器产生与ΔF大小相等、方向相反的力时，即为超磁致伸缩执行器具有恒力输出时，需要供给线圈的电流，采用公式(8)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}E=f_E(M^{\′\′},H)\\ M_{\mathrm{out}}=\sqrt{\mathrm{EA}{\mathrm{\γ}}_1\mathrm{\ΔF}}/\left(\mathrm{EA}{\mathrm{\γ}}_1\right)\\ H_{\mathrm{out}}=f_M^{-1}(M_i,B_i,M_{\mathrm{out}})\\ I=H_{\mathrm{out}}L/N\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：M_out-产生与ΔF大小相等、方向相反的力时，超磁致伸缩棒内的平均磁化强度，H_out-产生M_out需要的磁场强度，-超磁致伸缩正效应逆模型中磁场强度的计算模型，I-产生H_out时线圈中的电流，对于本次计算取i＝4，M_i＝M₄＝M″，B_i＝B₄＝B″；

4)根据上面计算得到的需要供给线圈的电流I，计算机数据处理系统控制高速双极性电源给线圈提供该电流；

(2)当外力F₁为简谐动态力时，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法的具体步骤与F₁为静态力时相同，但是，电流的输入要同时给线圈通入直流电流和交流电流；按照上述步骤计算得到的电流为交流电流值，交流电流频率与外力F₁的频率相同，直流电流的大小为交流电流峰峰值的1/2。

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