基于GMM驱动位移自感知微进给装置设计及测试系统研究
武汉理工大学
硕士学位论文
基于GMM驱动位移自感知微进给装置设计及测试系统研究
姓名：郑慧
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：李勇智;陈定方
20100501
武汉理Ｉ：人学硕士学位论文
摘要
ＬａｂＶＩＥＷ（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｋｂｅｎｃｈ）是一种用
图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，可以完成一套完整测试仪器的
数据采集、分析、显示和存储功能，是目前国际上应用最广的数据采集和控制
软件之一。ＧＭＭ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌ）是超磁致伸缩材料的简称，
用其制作的进给驱动装置，具有微位移进给、高精度响应、驱动能力强以及响
应速度快等优点，在超精密加工以及精密微进给领域中应用广泛。基于ＧＭＭ的
微进给装置是目前研究的热点，由于磁场、预压力等因素对ＧＭＭ材料的磁致
伸缩性是直接影响的，使得ＧＭＭ微进给装置的设计与测试具有一定的难度。
本文以智能材料和超精密加工技术为背景，总结了ＧＭＭ微进给装置在超
精密加工领域应用的优势和实际意义，论述了磁致伸缩效应及其机理、超磁致
伸缩材料性能特点及其在微驱动器件上的应用，为超磁致伸缩微进给装置的研
究和应用提供了必要的基础。ＧＭＭ微进给装置结构设计的关键在于磁场结构设
计、温控结构设计、预压力设计和传感器设计四个方面。本文研究了ＧＭＭ棒
设计参数、电磁线圈设计方案，设计并制作出位移自感知传感器。并将ＧＭＭ微
进给装置应用到刀架上，设计出ＧＭＭ微进给刀架，并研究出微进给刀架中的
测量切削力的八角环传感器。
ＧＭＭ微进给装置的工作特性与其主要工作条件预应力、驱动磁场密切相
关，论文通过实验分析了ＧＭＭ微进给装置中预压力与电流的特性、装黄的加
卸载回线和磁滞回线特性，分析了各因素对ＧＭＭ准静态工作条件下特性曲线
的应变值、线性度、重合度、磁滞的影响。
论文针对ＧＭＭ装置测试系统采用事件驱动的程序设计方法，实现了对
ＧＭＭ微进给装置的信号采集、分析、显示的实时操作。论文使用国家仪器公司
（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）提供的软件平台（ＬａｂＶＩＥＷ）和国产ＵＳＢ式的数据采集
模块搭建了基于虚拟仪器的位移测量系统，并通过ＬａｂＶＩＥＷ编程实现了多通道
数据的采集和监测，并且实现了采集数据的分析和数据库存储。对微进给位移
信号的测量证明了以虚拟仪器为基础的测量系统是可靠精确而且实用的。
最后，论文通过实验对位移传感器和八角环测力仪装置进行了标定，获得
了标定曲线和标定系数。
关键词：ＧＭＭ；ＬａｂＶＩＥＷ；超磁致装置：传感器；虚拟仪器
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ｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｓｔｒａｉｎｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ
ｃｕｒｖｅ，ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓａｎｄｌｉｎｅａｒｉｔｙｉｎｔｈｅＧＭＭ
ｑｕａｓｉ‘ｓｔａｔｉｃｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｌｓｏｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｏｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
ｔｈｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈｆｉｔｔｉｎｇｔｈｅｌｏａｄｅｄｃｕｒｖｅａｎｄｕｎｌｏａｄｅｄｃｕｒｖｅｔｏｏｂｔａｉｎ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓａｎｄｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ．
ＦｏｒｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｏｆＧＭＭｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａ
ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｅｓｔ
ｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎａｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｕｓｅｄｍｕｌｔｉ．ｔｈｒｅａｄｅｄｐｒｏｇｒａｍｄｅｓｉｇｎ
ｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｒｅａｌ—ｔｉｍｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｆｏｒｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓｐｌａｙ
ｏｆＧＭＭＭｉｃｒｏ—ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｕｓｅｄａｓｏｆｔｗａｒｅ
ｐｌａｔｆｏｒｍ
（ＬａｂＶＩＥＷ）ｔｈａｔＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｌｐｒｏｖｉｄｅｄａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃ
ｔｙｐｅｏｆＵＳＢｍｏｄｕｌｅｆｏｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｂｕｉｌｔｕｐａｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｃｈｉｅｖｅｄｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ａｎｄｉｔ
ｒｅａｌｉｚｅｄｄａｔａｂａｓｅｓｔｏｒａｇｅ，ｄａｔａｐｌａｙｂａｃｋａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄａｔａ
ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒ，ｉｔａｌｓｏｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＭＭ，ＬａｂＶＩＥＷ，ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｉｃＣｉｒｃｕｉｔ，Ｓｅｎｓｏｒｓ，ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
ＩＩＩ
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武汉理『：大学硕十学位论文
第１章绪论
１．１研究的背景
新型功能材料的开发与应用，往往能推动相关技术的突破，如超导材料、
智能材料、纳米材料、医用材料、储能材料、环境材料、薄膜材料、陶瓷材料
等等。其中，以智能材料为基础的微驱动结构的研究，为先进制造技术核心之
一的超精密加工技术带来了新的发展前景。精密工程和超精密工程对于尖端科
学研究和高新技术发展具有着决定性的影响，其研究内容丰富，涉及学科广泛。
微驱动作为其中一项关键且基础性的技术科学，是实现微进给和微定位的基础。
传统的微驱动主要通过结构上的大减速比获得，近年，随着智能材料的发
展，基于材料的物理或化学效应产生的驱动结构发展得越来越快。以磁致伸缩
为首的能量转换型驱动结构，迅速成为微驱动的主要形式之一。磁致伸缩精度
可达到纳米级，其响应速度快、输出力大、工作电压低。
早期的磁致伸缩材料主要有磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材
料。这两种传统磁致伸缩材料并没有得到广泛的应用。后来人们发现了电致伸
缩材料，其电致伸缩系数比金属与合金的大约２００—４００ｐｐｍ，它很快得到广泛的
应用。近期发展的稀土金属问化合物磁致伸缩材料，被称为稀土超磁致伸缩材
料，其典型牌号Ｔｅｒｆｅｎ０１．Ｄ，市场年增长率达到１００％，被视为是提高国家竞争
力的关键材料，２ｌ世纪国家高科技的战略性功能材料。
１．１．１超磁致伸缩材料和磁致伸缩效应
（１）超磁致伸缩材料及其性能
超磁致伸缩材料（ＧＭＭ，ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓ）是指具有比传统磁
致伸缩材料如铁、镍等磁致伸缩大几十倍的稀土铁莱夫斯相化合物，其典型成
份是ＴｂｘＤｙｔ．ｘＦｅ２［１１。这种新型材料能把电能迅速转换成机械能，并在高效率和
高功率水平上产生强大的力和快速精确的运动。超磁致伸缩材料是指在变化的
磁场作用下，其长度变化特别大的一种稀土材料，又称稀土超磁致伸缩材料。
超磁致伸缩材料具有双向可逆能量转换效应，其正磁致伸缩效应可应用于精密
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武汉理一ｒ人学硕十学位论文
假设超磁致伸缩材料在居里温度３８０。Ｃ以上时，取一小块球形体（尺寸相当
于其磁畴尺寸），如图１．１中虚线所示。当温度降到居罩点以下时，材料自发磁
化，原磁矩就会沿同一方向排列，同时对晶格结构产生影响，因此，磁畴沿某
些方向伸长，沿其他方向缩短。这样，未自发磁化的球形体在自发磁化后就变
成椭球体，如图１．１中实线所示。图中，％代表未自发磁化时球的半径，％代表
自发磁化后椭球上任一点的半径，秒代表该点与椭球长轴的夹角，Ｐ代表最大变
形长度。
．玎擒
‘√汐
ｒ、．
图ｌ－ｌ自发形燹
对于椭球上任一点的半径值％为：
馅＝％＋ｐ（３ｃｄ伊１）／２（１－１）
对％取二次积分得半径值％的平均值，Ｉ为：
，．＝ｒ４ｊｒ埘ｎＯｄｏｄ＜ｐ／４ｒｒ
＝，ｏ＋鲁（３×ｉ１一１）＝ｒｏ
式（１—２）表明，虽然自发形变时材料由球体变成椭球体，但由于磁畴沿不同
方向，椭球半径％在任何方向的平均值还是等于球体的半径ｒｏ。因此，在宏观上，
材料形状沿任何方向都无变化，如图１－２（ａ）所示，这称为自发形变。当技术磁化
时，由于外磁场较强，使磁畴磁矩都取向一致，各椭球的长轴都转向外磁场的
方向，于是材料在磁场方向发生伸长，与磁场垂直方向发生缩短，如图１－２（ｂ）
所示，这称为场致形变。
３
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武汉理一ｆ：人学硕士学位论文１．１．２电阻应变式传感器【４】传感器是测试系统的第一个环节，用来感受被测信号并将被测信号转换为适合于系统后续处理的电信号。它获得信息的正确与否，决定了测试系统的精确度。传感器种类很多，主要分电阻应变式传感器、电流式传感器和压电式传感器等几种。电阻应变式传感器是通过测量由于力在弹性元件上引起的变形导致其电阻阻值变化。电流式传感器是通过测量被测量对象电流的变化，再经过相应的变化实现力的测量。压电式传感器是以压电晶体为力传感元件的测力仪，当石英晶体在外力作用下发生变形时，它的某些表面会出现异号极化电荷。其中，电阻应变式传感器是目前使用最广泛的传感器之一，它已被广泛应用于航空、电子、机械、医疗、建筑等领域，用于力、位移、加速度等参数的测量。电阻应变式传感器主要优点在于：结构简单、制作方便、灵敏度高、性能稳定、测量简单。电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片构成。弹性敏感元件感受被测量发生变形，使弹性敏感元件上的电阻应变片同时变形，导致电阻应变片的阻值发生变化。可以通过电阻应变片的电阻变化确定被测量的大小。应变片的电阻．应变特性分析如下：坦一ｊ图ｌ－４金属丝电阻．应变特性图如图ｌ＿４，取一段金属丝，未受力时：Ｒ＝ｐ专∽３）式中：尺一金属丝的电阻；ｐ一金属丝的电阻率；金属丝的截面积，对式（１－３）做全微分有：躲如一导弧肇ｄｔ用式（１．４）除以式（１－３）得：，一金属丝的长度；ｓ一（１．４）（１＿５）塑ｓ咖一ｐ５＋讲一，ｌＩ坚Ｒ温控仪https://www.wendangku.net/doc/3811594812.html,/
ｕ。＝警ｕ。（１－１０）
全桥输出的电压是单臂电桥的４倍，因此，一般选择全桥连接。
１．１．３ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器平台
ＬａｂＶＩＥＷ（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｋｂｅｎｃｈ）是一种用
图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言【６ｌ。ＬａｂＶＩＥＷ集成与满足ＧＰＩＢ、
ＶＸＩ、ＲＳ．２３２和ＲＳ．４８５协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了
便于应用ＴＣＰ／ＩＰ、ＡｃｔｉｖｅＸ等软件标准的库函数。ＬａｂＶＩＥＷ提供的大量工具和
函数可用于数据的采集、分析、显示、存储，使得用户在数分钟内就可以完成
一套完整的仪器连接、数据采集分析的自动化测试系统。
图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不用写
程序代码，取而代之的是流程图。它提供了实现仪器编程和数据采集系统的便
捷途径。选用ＬａｂＶＩＥＷ作为开发平台的一大决定性因素是其开发速度比其他编
程语言快４．１０倍。这归功于ＬａｂＶｌＥＷ易学易用，它提供的大量功能函数节省
了程序开发时间。
１．２论文的研究意义与内容安排
１．２．１论文的研究意义
随着现代科技的飞速发展，产品性能的不断提高，对于零件加工精度的要
求必然也越来越高。因此，精密加工和超精密加工技术作为先进制造技术的重
要组成之一，已成为当前制造技术的研究热点和重要发展方向。其中，微驱动
装置作为精密、超精密加工中微定位、微进给系统的核心，其性能指标的好坏
将直接影响加工产品的质量。对于基于超磁致伸缩驱动微进给装置的研究必然
成为精密加工、数控机床加工中的重点和难点。目前，超磁致材料及其驱动装
置的性能研究还不充分，其磁滞回线的变化规律还很少有人问津。因而对该装
置的性能进行实验研究，改善装置的结构和特性，对于提高该装置的加工精度
至关重要。
７
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标定系数。
第６章总结和展望。
本论文各部分之间的逻辑关系如图１－６所示。
第１章绪论
第２章基于（狐ｍＩ的微进给自感知装置结构设计第３章基于（抓ｍＩ的位移自感知装置工作特性研究
（孙瓜Ｉ驱动原理
●
。装置设计原则．
山
各功能结构设计
‘
位移传感器
设计与制作
特性实验条件
山
预压力、电流特性
●
加卸裁回线特性
●
磁滞回线特性
９４章基于（讯ｍＩ的位移自感知装置的测试系统
第５章位移自感知装置的实验标定
ｇ６章总结与展望
图１－６论文整体框架
９
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基于ＧＭＭ驱动装置工作原理图如图２．１所示，ＧＭＭ棒在通电线圈产生的
磁场激励下，其形状会在轴向产生微小形变，从而驱动输出轴在轴向产生微位
移。其中，弹簧和预压板对ＧＭＭ棒提供预压力，以改善装置的工作性能。
２．１．２ＧＭＭ驱动微进给装置的应用
ＧＭＭ驱动微进给装置在ＭＥＭＳ、超精密加工、生物工程、半导体生产、光
学加工等领域呈现出越来越广泛的应用需求：
（１）超精密加工
随着加工精度的不断提高，对超精密机床的微进给装置的要求也越来越高，
驱动力大、行程几百微米、位移分辨率达纳米级、频响高的现代微进给装置能
很好地应用于这一领域；
（２）生物工程【９】
现代生物工程中，经常需要捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞内注入和
拾取某一成分。对尺寸只有几微米的细胞来说，关键动作是接近细胞时的精细
微调，要求分辨率达几十纳米。完成这样的操作，需要高精度的定位和精细操
作的能力；
（３）光纤对接
光纤对接必须借助～种特殊的精微校准平台（精度达０．Ｉｇｍ），使光纤和器
件之间达到最佳耦合功率位置，并自动补偿这一过程的任何误差；
（４）微电子技术
微电子技术中，印刷电路板上布线的高密度化、印刷电路板上线路的修复、
线路连接质量和表面质量的评估、材料性能的检测等许多工序都需要超精密定
位装置及高精度微进给装置来完成；
（５）微型零件的操作和装配
现代机电产品的微型化带来了深刻的技术革命，手机、计算器、精密手表
等产品的组装面临着新的挑战。传统手工装配方法对操作者的技术和劳动强度
都有很高的要求，而且对操作工人的培训往往需要较长的时间，效率较低。具
有微进给机构的操作机器人系统可以方便地完成上述作业，并大大提高生产效
率。
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超磁致微进给装置的结构设计就是根据工作要求，围绕超磁致伸缩材料的
基本特性，确定该装置的机械及电磁结构参数。为了发挥超磁致伸缩材料的性
能，要尽量保证ＧＭＭ棒工作在线性区，最大限度地增大磁致伸缩系数和机电
耦合系数，最大限度地减小致动器的响应不灵敏区域。
设计过程包括ＧＭＭ棒的优选、磁路设计、预压和传感机构设计、温控设
计等，这些设计是相互关联和影响的。因此，需对每一个设计环节进行统筹，
合理地搭配各参数，以使总体性能最优或者较优。综合考虑ＧＭＭ的性能特点，
ＧＭＭ装置的设计应遵循以下基本准则：
（１）ＧＭＭ材料选择。供应ＧＭＭ的各厂家工艺性能存在差异，需要根据具
体用途，从技术经济性的角度进行优选。
（２）磁路设计。考虑磁路设计要求，使线圈产生的磁动势最大量地加载在
ＧＭＭ棒上。
（３）优化线圈尺寸。提高电磁转化效率，降低线圈的发热量。
（４）适当预压力。在适当预压力作用下，ＧＭＭ材料的磁致伸缩性能会得到
很大的提高。同时，要在ＧＭＭ棒两端沿轴线施加预压力，并保证预压力严格
地与材料轴线平行。
对于微进给装置工作平台而言，驱动磁场和冷却结构的设计、微位移传感
器的装配、位移输出接口的设计是整个设计的关键…Ｊ。采用一体化设计方法，
不仅能有效地改善器件的工作性能，同时也能提高其可制造性。一体化设计的
装置整体加工，减少了累积误差效应；安装方便，能达到较高安装精度，避免
了各种交叉耦合误差；抗干扰能力强，对外界温度、振动和运动方向上的刚度
变化均有较强的抗干扰能力；避免了长期的稳定误差和运动误差；消除了机构
间的寄生运动。
图２．３显示的是超磁致伸缩致动器结构的有机组成，其中包括了四个主要的
部分：（１）磁路结构；（２）预压机构；（３）冷却结构：（４）位移传感器结构。
在设计的过程中充分的考虑了各种可能的先进加工工艺，例如采用线切割加工
方法可以加工一些特殊的形状，易于形成整体，减少了多余的加工环节，提高
了加工精度，同时也减少了过多装配环节可能造成的误差，ＧＭＭ壳体就是一个
整体的结构。
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表２．１不同几何形状的退化磁场系数
几何形状退化磁场系数
环形Ｏ
无限长圆柱体Ｏ
圆柱体（，／ｄ＝２０）０．００６１７
圆柱体（，／ｄ＝１０）０．０１７２
圆柱体（，／ｄ＝８）０．０２
圆柱体（，／ｄ－－５）０．０４
圆柱体（，／ｄ＝１）０．２７
球体０．３３３
综合考虑上述几个方面的因素，根据微进给装置驱动力要求及厂家的产品
规格，选定ＧＭＭ棒的规格：长５０ｍｒｎ，直径８ｍｍ。
２．３．２电流磁场的确定
超磁致伸缩材料通过磁场驱动，驱动磁场一般由空心圆柱电磁线圈通入电
流后产生。设计前，首先需要确定驱动磁场的大致范围。范围的确定依据材料
特性，图２．４为天星公司所提供的ＧＭＭ产品的九一Ｈ关系。图中，ＯＡ段随Ｈ
上升非常缓慢，称为“死区”，这是驱动磁场需要跳过的区域。ＡＢ段随Ｈ上升很
快，且线性度良好，这是驱动磁场最为理想的区域。Ｂ点之后随Ｈ上升明显变
缓，且线性也差。
叠墙童度日（妯）
图２．－４ＧＭＭ产品的九一Ｈ关系
按上节设计结果，最大磁致伸缩率Ａ取为９００×１０－６，根据图２－４，ＧＭＭ棒
上所需磁场强度Ｈ范围：Ｈ：１０—５０ｋｍ／ｍ。
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