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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 磁致伸縮式慣性沖擊精密直線電機(jī)的研究與開發(fā)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 作品“磁致伸縮式慣性沖擊精密直線電機(jī)”采用稀土超磁致伸縮材料（GMM）為驅(qū)動(dòng)源，基于慣性沖擊運(yùn)動(dòng)原理，提出了一種新型精密直線電機(jī)。 電機(jī)以鋸齒波形電流為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)雙向直線運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)精確定位。經(jīng)測(cè)試，樣機(jī)的位移分辨率優(yōu)于0.05μm，最大速度大于200μm／s，能夠以低電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（大于10N），可實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好。
- 詳細(xì)介紹：
- 慣性沖擊電機(jī)是利用慣性沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)精密位移的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有運(yùn)動(dòng)范圍大、位移分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn), 可在進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位。 目前, 慣性沖擊電機(jī)已在生物工程、微型零件操作與裝配、機(jī)器人和醫(yī)療器械等領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用。現(xiàn)有的慣性沖擊電機(jī)一般采用壓電功能材料驅(qū)動(dòng)，但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動(dòng)、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動(dòng)的不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊電機(jī)存在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差、運(yùn)動(dòng)速度慢、負(fù)載能力弱、可靠性低的問(wèn)題，因而在較大功率場(chǎng)合應(yīng)用受到限制。 針對(duì)現(xiàn)有慣性沖擊電機(jī)的不足，作品提出了一種新型精密直線電機(jī)。利用稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)，結(jié)合慣性沖擊原理，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。直線電機(jī)以鋸齒波形電流為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)雙向直線運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)精確定位。經(jīng)測(cè)試，作品樣機(jī)的位移分辨率優(yōu)于0.05μm，最大正向速度大于200μm／s，能夠以低電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（大于10N），而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，可靠性高。 我國(guó)是稀土資源大國(guó)，“中東有石油，中國(guó)有稀土”，但是，我國(guó)在稀土應(yīng)用領(lǐng)域的研究遠(yuǎn)落后于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。稀土應(yīng)用產(chǎn)品可帶來(lái)超過(guò)稀土材料價(jià)值數(shù)十倍、甚至數(shù)百倍的經(jīng)濟(jì)效益。在稀土產(chǎn)業(yè)鏈中，越向下游延伸，產(chǎn)品的技術(shù)含量越高，附加值也越高。 2011年，國(guó)務(wù)院通過(guò)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)稀土行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見》，提出進(jìn)行稀土產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變我國(guó)目前稀土產(chǎn)業(yè)“資源大國(guó)、產(chǎn)業(yè)弱國(guó)”的狀況，充分發(fā)揮稀土應(yīng)用產(chǎn)品的龍頭作用，帶動(dòng)稀土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 國(guó)內(nèi)外很多專家認(rèn)為，作為一種新型的功能材料，稀土超磁致伸縮材料（GMM）的應(yīng)用將會(huì)誘發(fā)一系列的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝。作品開展稀土超磁致伸縮材料應(yīng)用器件研究與開發(fā)，對(duì)于拓寬我國(guó)稀土材料應(yīng)用領(lǐng)域具有積極的意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 慣性沖擊電機(jī)是利用慣性沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)精密位移的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它具有運(yùn)動(dòng)范圍大、位移分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的慣性沖擊直線電機(jī)一般采用壓電功能材料驅(qū)動(dòng)。但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動(dòng)、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動(dòng)的不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊直線電機(jī)存在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差、運(yùn)動(dòng)速度慢、負(fù)載能力弱、可靠性低的問(wèn)題，因而應(yīng)用受到限制。 針對(duì)現(xiàn)有慣性沖擊直線電機(jī)的不足，作品提出采用稀土超磁致伸縮材料為驅(qū)動(dòng)源構(gòu)造一種新型慣性沖擊直線電機(jī)。 2、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的基本思路 稀土超磁致伸縮材料（GMM）是一種新型功能材料，能有效地實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，具有磁場(chǎng)(無(wú)纜)驅(qū)動(dòng)、變形量大、輸出力大、能量密度大、響應(yīng)速度快、低電壓驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。因而，與現(xiàn)有的慣性沖擊電機(jī)相比，作品具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更好、運(yùn)動(dòng)速度更快、負(fù)載能力更強(qiáng)、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)。 3、作品設(shè)計(jì)發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn) 采用稀土超磁致伸縮材料為驅(qū)動(dòng)源，提出了一種新型慣性沖擊直線電機(jī)，比現(xiàn)有的慣性沖擊電機(jī)具有更快的運(yùn)動(dòng)速度，更大的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定性高，拓寬了電機(jī)的應(yīng)用范圍。 4、作品主要技術(shù)指標(biāo) (1)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)雙向直線運(yùn)動(dòng)，最大速度大于200μm／s； (2)直線電機(jī)的位移分辨率優(yōu)于0.05μm； (3)驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力大于10N；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)有的慣性沖擊電機(jī)一般采用壓電材料為驅(qū)動(dòng)源。上海大學(xué)研究了圓形壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)尺寸16mm×9mm，重9.5g，可以在直徑為20mm的管道內(nèi)移動(dòng)。臺(tái)灣國(guó)立高雄第一科技大學(xué)研制了慣性沖擊精密定位工作臺(tái)，整個(gè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量為187g，定位精度可達(dá)到10nm。2002 年，日本豐田工學(xué)院 Katsushi Furutani等人基于慣性原理提出一種3自由度精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，既可以進(jìn)行平面移動(dòng)，也可以進(jìn)行平面轉(zhuǎn)動(dòng)。 但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動(dòng)、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動(dòng)的不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊直線電機(jī)存在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差、運(yùn)動(dòng)速度慢、負(fù)載能力弱、可靠性低的問(wèn)題，因而應(yīng)用受到限制。 作品提出采用稀土超磁致伸縮材料為驅(qū)動(dòng)源構(gòu)造一種新型的直線電機(jī)。與現(xiàn)有的壓電慣性沖擊電機(jī)相比，位移分辨率優(yōu)于0.05μm，最大正向速度大于200μm／s，能夠以低電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（大于10N），可實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更好。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- （1）2010年9月，作品獲**校大學(xué)生課外科研訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)課題資助，項(xiàng)目立項(xiàng)； （2）2011年3月作品獲第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽**校級(jí)一等獎(jiǎng)； （3）2011年5月作品獲第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽**賽區(qū)一等獎(jiǎng)； （4）2011年5月，針對(duì)作品內(nèi)容，我們委托**科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所進(jìn)行了項(xiàng)目查新，查新結(jié)論為：未見采用稀土超磁致伸縮材料為驅(qū)動(dòng)源應(yīng)用于慣性沖擊式精密直線電機(jī)的文獻(xiàn)報(bào)道，本查新項(xiàng)目具有新穎性。
作品所處階段
- 開發(fā)出有纜和無(wú)纜兩種慣性電機(jī)，處于中試階段。在**公司試應(yīng)用，該公司有合作開發(fā)意向。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 可采用部分轉(zhuǎn)讓、企業(yè)合作等方式進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1、使用說(shuō)明 將直線電機(jī)安裝在工作導(dǎo)軌或者工作臺(tái)上，輸入正向或反向鋸齒波電流信號(hào)。 2、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 工作電壓低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)。位移分辨率達(dá)到0.05μm，最大運(yùn)動(dòng)速度200μm／s。 與現(xiàn)有的慣性沖擊電機(jī)相比，作品具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更好、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)力大、可靠性高的優(yōu)勢(shì)。 3、作品的適用范圍 （1）管道機(jī)器人、微小機(jī)器人驅(qū)動(dòng)； （2）細(xì)胞微操作； （3）超精密定位工作臺(tái)； （4）超精密加工； （5）微型零件裝配； （6）數(shù)碼相機(jī)的防抖裝置。 4、推廣前景 作品成果可廣泛應(yīng)用于生物與醫(yī)療工程中的微操作、光纖對(duì)接、微型機(jī)械零件的操作和裝配等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景。 我國(guó)擁有豐富的稀土資源，作品為稀土超磁致伸縮材料應(yīng)用器件，對(duì)于拓寬我國(guó)稀土材料應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)有的慣性沖擊直線電機(jī)一般采用壓電功能材料驅(qū)動(dòng)，是利用壓電材料在迅速通電時(shí)的快速變形產(chǎn)生慣性沖擊，繼而形成驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)精密位移的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 慣性沖擊式壓電電機(jī)引起國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛研究。國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少，主要集中在高等校院。 1）臺(tái)灣國(guó)立高雄第一科技大學(xué)研制了慣性沖擊精密定位工作臺(tái)，定位精度可達(dá)到10nm。 2）中國(guó)科學(xué)院研究的慣性沖擊電機(jī)，是以壓電陶瓷材料（PZT）作為驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)的電機(jī)，其工作性能也相當(dāng)好，已經(jīng)被運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。工作電壓幅度0-150Ⅴ，最大運(yùn)動(dòng)速度150μm/s。 3）吉林大學(xué)機(jī)械科技與工程學(xué)院研究的壓電雙晶片型2自由度精密驅(qū)動(dòng)器。是以壓電雙晶片為基礎(chǔ)運(yùn)用慣性沖擊原理的電機(jī)，移動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力2N，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)能力0.02N，移動(dòng)最大速度5mm/min。 國(guó)外關(guān)于壓電慣性式精密驅(qū)動(dòng)器的研究開展更為廣泛，并已初步應(yīng)用于精密加工、醫(yī)學(xué)工程、光學(xué)精密工程等領(lǐng)域。 1）2002 年，日本豐田工學(xué)院 Katsushi Furutani等人基于慣性原理提出一種3自由度精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ，該機(jī)構(gòu)包括3個(gè)電磁體FA、FB、FC，以方波驅(qū)動(dòng)；2 個(gè)壓電體EA、EB，以梯形波驅(qū)動(dòng)。機(jī)構(gòu)既可以進(jìn)行平面移動(dòng)，也可以進(jìn)行平面轉(zhuǎn)動(dòng)。 2）日本J.Mendes等人研制的用于印刷掃描系統(tǒng)的慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。該平臺(tái)安裝了5個(gè)慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器，移動(dòng)分辨率為0.5μm，旋轉(zhuǎn)分辨率為5μrad，其行程只與平臺(tái)有關(guān)，而驅(qū)動(dòng)器本身沒(méi)有限制。 3）瑞士ETHZ機(jī)器人研究所開發(fā)的小型慣性沖擊旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器掃描模式運(yùn)動(dòng)分辨率20nm。 但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動(dòng)、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動(dòng)的不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊直線電機(jī)存在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差、運(yùn)動(dòng)速度慢、負(fù)載能力弱、可靠性低的問(wèn)題，因而應(yīng)用受到限制。 稀土超磁致伸縮材料（GMM）是一種新型功能材料，被視為21世紀(jì)提高國(guó)家高科技綜合競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性功能材料，具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、伸縮應(yīng)變大、能量密度高、輸出力大、可低電壓驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。因此，作品提出一種以稀土超磁致伸縮材料為驅(qū)動(dòng)源的慣性沖擊直線電機(jī)，可望應(yīng)用于需要較大功率精密直線驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。
