基于GMM自感知的高频制动机理及其关键技术研究

本申请项目的研究旨在探索高频制动机理及其关键技术，在研究分析超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM）的高功率密度、大应变、强输出力、高精度、快速响应等特性的基础上，进行基于GMM的高频制动理论与方法研究。研究高频制动驱动器的动力学特性和制动工作面的高频摩擦特性，探索采用超磁致伸缩驱动器操纵制动机构，以高频制动替代常规低频制动的工作方式，减轻制动系统的重量，提高制动系统的响应速度和可靠性；研究GMM双向换能机理和偏置条件影响，建立超磁致伸缩材料的力和位移自感知模型，从而实现制动力大小的控制及制动所需的各种加速度曲线，减少制动时对高速运动单元的冲击，以满足高速运动单元平稳、快速及高精度定位的要求。研究新型的制动理论与方法，探索解决高速运动与高精度定位之间矛盾的新思路，将有益于高速高精度加工技术的发展。

随着科学的进步，高速加工作为先进的机械制造手段，在发达国家引起了广泛的关注并得到迅速发展。对于高速机械加工来讲，快速定位是非常重要的技术。随着加工速度和精度的提高，系统定位精度也需要相应的提高。同时为了提高工作效率，还要求定位系统响应迅速，加速、制动迅速以便实现快速定位。但是常规的制动技术很难实现高速度高精度的定位要求，因此探索高频制动机理，并研究高频制动系统来满足各类高速运动机械所需的高定位精度要求是十分迫切的。. 从制动摩擦模型、平稳制动机理及高频制动工作原理等方面，进行了基于GMM的高频制动机理、制动工作面的高频制动摩擦特性研究，建立了带式制动器、盘式制动器、蹄式制动器的制动摩擦模型；分别推导了运动单元在规定的制动时间、制动转角、制动位移内，使制动轴转速由n1减为n0所需施加的制动力矩。平稳制动时要求系统的制动加速度曲线连续。制动速度控制曲线为三次或三次以上的高阶曲线，能满足平稳制动的要求，但其控制比较麻烦，采取正弦（余弦）运动规律控制较为方便。. 研制了高频制动试验装置。高频制动用的驱动器B-GMA由超磁致伸缩驱动器、预紧机构、柔性铰链位移放大机构等组成。B-GMA末端在空载状态时要能产生大于1 mm以上的位移，同时放大机构的尺寸不能太大，因此放大倍数应尽量控制在5~6之间。柔性铰链本身需要有足够的稳定性，避免制动时压杆失稳。弹性铰链由椭圆凹槽型变化到矩形凹槽型，其刚度逐渐减小，虽然引起的应力集中也逐渐减小，但是其运动精度也随之降低。为了确保弹性铰链的工作精度和刚度，采用圆角型弹性铰链结构形式。从制动系统需求方面来讲，放大倍数越大越好，活动构件的运动要尽量灵活。但是放大倍数的提高意味着输出力的减弱，不能满足制动力的要求；且放大倍数的增大使放大机构的杠杆增长，致使放大杆件的刚度下降，更容易产生弹性变形，反而减小输出端的有效位移。当固定放大机构位移输入端，在输出端施加100N的载荷后，输出端产生的位移为0.133mm，满足刚度要求。. 研究了制动力自感知的理论及信号提取的方法。由实验结果可知，力感知值与力传感器测量值在幅值、相位上一致性都比较好。随制动频率提高，制动距离有所减少，当频率提高到500Hz时效果尤为明显；高频制动对制动时间的缩短作用较为显著，根据制动频率的不同，制动时间可以缩短5%至10%。