毕业设计(论文)—新型微量胶液喷射系统的设计

1、 摘 要 ： 传统的点胶系统采用的是针筒式点胶方式,点胶针筒必须距离器件很近,对于需要进行底部填充的器件,点胶针头需要降低至器件顶部以下,针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近,且不引起接触和器件损坏, 这在实际操作中是非常困难的。针对传统针筒式点胶系统工作效率低和难以操控的问题,设计一种新型微量胶液喷射系统。该系统采用利用一种智能材料所实现的超磁致伸缩执行器作为驱动件,引入一种两级对称式柔性铰链位移放大机构对超磁致伸缩执行器的输出位移进行放大,以降低超磁致伸缩执行器的设计要求和成本。喷嘴在整个电路板上方沿x、y方向运动,无需沿Z轴运动,从而提高了生产效率,该系统还具有喷射频率高、适用胶液广和清洗

2、方便等优点。 关键词:超磁致伸缩执行器；喷射系统；位移放大机构ABSTRACT：In traditional needle tube dispensing system work efficiency is low and difficult to control problems, designing a new trace glue injection system. This system magnetostrictive actuator as driving parts, introduction of flexible hinge displacement amplificatio

3、n mechanism of giant magnetostrictive actuators output amplification, and to decrease the displacement of giant magnetostrictive actuator design requirements and cost to microcontroller as control core, complete the corresponding hardware and software design. In the whole circuit nozzle along the x,

4、 y above without direction, along the Z axis movement, so as to increase the production efficiency, this system also has the jet frequency high, apply glue broad and convenient cleaning, etc. Keywords: giant magnetostrictive actuators； Injection system； Displacement amplification mechanism目 录第1章 绪论1

5、1.1 本文的研究背景11.2 点胶机11.2.1 点胶机的介绍11.2.2 点胶机的分类21.2.3 常见的问题5第2章 新型微量胶液喷射系统82.1针头点胶技术82.2 无接触喷射式点胶技术82.2.1喷射式点胶技术的推出82.2.2 喷射式点胶技术的优点82.2.3无接触喷射式点胶技术的工艺参数及优化92.3 系统总体设计122.3.1 设计思路122.3.2 结构设计132.4 本章小结14第3章 超磁致伸缩执行器153.1 超磁致伸缩材料的介绍153.1.1 微机械的发展现状153.1.2 微机械用智能材料结构163.1.3 超磁致伸缩材料163.2 超磁致伸缩驱动器的基本结构193

6、.3 GMA的工作原理193.4 GMA总体结构设计203.5 预压力的设计213.6 GMM棒的设计223.6.1 材料的选择223.6.2 几何尺寸的设计223.7 激励线圈的设计233.7.1 确定线圈的内径和长度233.7.2 确定线圈的安匝数233.7.3 线圈骨架的设计243.8 偏置线圈的设计243.9 本章小结27第4章 柔性铰链位移放大机构284.1 机构简介284.2 机构的结构特征284.3 机构的应力分析与最大位移输入304.3.1 放大机构各节点的应力计算304.3.2 机构所允许的最大输入位移314.4 机构位移损失分析与计算324.5 放大机构的有限元分析344.

7、6 本章小结36第5章 喷射器的设计385.1喷射器介绍385.2 脉冲喷射开关阀的结构和原理405.2.1 开关阀的基本结构405.2.2 开关阀的原理415.2.3 开关阀结构的选择425.3 本章小结43第6章 总结44参考文献45致谢46III华北科技学院被毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 本文的研究背景 近年来，半导体密封装置结构随着电子制品尤其移动产品的小型化，也走上了轻簿短小化之路，并扩大了装在器材表面的结构范围。根据摩尔定律，芯片的尺寸在不断地缩小，导致消费电子产品体积越来越小、厚度越来越薄，价格也越来越便宜，而功能日益复杂。当人类体验小型消费电子产品的普及时，我们不能忽略电

8、子封装技术的发展为我们的日常生活带来的革命性变化。 电子封装作为固体环氧塑封料的重要领域在SIP、DIP、SOP、PQFP、PBGA等形式的封装中广泛应用。为适应市场快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求，IC封装正在向着微型化、薄型化、不对称化、低成本化方向发展，传统的固体环氧迥封料已经不能够满足金属引线之间的间距日益变短的趋势，因此作为替代传统的环氧塑封料的，用环氧树脂或硅树脂合成的液状封装材料营运而生。液状封装材料(LE)是保护半导体芯片免受外部环境影响的新一代封装材料，是微电子封装技术第三次革命性变革的代表性封装材料、也是球型阵列封装(BGA)、芯片尺寸级

9、封装(CSP)以及MEMS封装技术所需关键性封装材料之一，越来越成为发展的主流，固体及液体封装材料比较参考如表1-1所示。表1-1 固体及液体封装材料比较成本开发周期工艺参数复杂性可靠性生产力良品率应用范围固态环氧塑料封高长复杂高高高固定大批量液态环氧塑料封低短一般较高高高固定/快速更换1.2 点胶机1.2.1 点胶机的介绍点胶机又称涂胶机、滴胶机、打胶机等，是专门对流体进行控制，并将流体点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器；点胶机主要用于产品工艺中的胶水、油漆以及其他液体精确点、注、涂、点滴到每个产品精确位置，可以用来实现打点、画线、圆型或弧型。 点胶机适用的液体有各种溶济、粘接剂、油

10、漆、化学材料、固体胶等,包括硅胶、EMI导电胶、UV胶、AB胶、快干胶、环氧胶、密封胶、热胶、润滑脂、银胶、红胶、锡膏、散热膏、防焊膏、透明漆、螺丝固定剂、木工胶、厌氧胶、亚克力胶、防磨胶、水晶胶、灌注胶、喇叭胶、瞬间胶、橡胶,油漆、搪瓷漆、亮漆、油墨、颜料等 。点胶机可以应用到以下领域： 电声行业：喇叭、扬声器、蜂鸣器、音响、耳机； 电感行业：小型变压器、贴片变压器、电感、继电器、小型线圈马达； 通讯行业：手机按键、手机机壳粘接、对讲机、电话机、传真机； 电脑、数码产品、数码相机、MP3、MP4、电子玩具、机壳粘接； 开关、连接器、线材、插头连接线 ；电子：电子元器件、集成电路、线路板点锡膏

11、，电子零件固定及防尘防潮保护，LCD液晶屏等； 光学：光学镜头、光头、磁头；机械五金； 电池盒密封； 商标固定粘接。 1.2.2 点胶机的分类 第一类：普通型点胶机 控制器式点胶机： 图1-2 全自动点胶机包括全自动点胶机 (图1-2)、定量点胶机、半自动点胶机、数显点胶机、精密点胶机等。 桌面型点胶机： 包括台式点胶机、台式三轴点胶机、台式四轴点胶机、或者桌面式自动点胶机、3轴流水线点胶机、多头点胶机 、多出胶口点胶机、划圆点胶机、转圈点胶机、喇叭点胶机、手机按键点胶机、机柜点胶机等。 半自动点胶机： 包括微电脑精密点胶机、LED数显点胶机(见图1-3)、自动回吸点胶机、拔码循环点胶机。图1

12、-3广泛用于LED行业的LED点胶机第二类：自动型点胶机落地式双液点胶机 喷涂点胶机 图1-4在线式继电器点胶机导电胶自动点胶机（此点胶机与普通点胶机区别之处在于，所点出来的导电胶切面呈三角形分布状态，主要用于电磁屏蔽点胶） 荧光粉喷射式点胶机，（此点胶机主要用于LED行业,见图1-5）图-15TENSUN-LED荧光粉点胶机第三类：双Y轴COG点胶机 (见图1-6)图1-6 双Y轴COG点胶机此类点胶机包括两个运动平台，传统点胶机一般只含一个运动平台。每个运动平台一般可配5个以上点胶头，实现点胶效率跨越式提升，适用于LCD、液晶模块精密点胶，目前在手机液晶屏、PDA等液晶屏领域应用最为广泛。

13、第四类：非标类，此类点胶机是按照客户产品工艺的某些特殊要求，单独定做，此类点胶机往往开发成本较高。1.2.3 常见的问题点胶机最常遇到的问题是阀门问题，下列为解决胶阀使用时经常发生的问题的有效方法。 1 阀滴漏此种情形经常发生于胶阀关毕以后。 95%的此种情形是因为使用的针头口径太小所致， 太小的针头会影响液体的流动造成背压, 结果导致胶阀关毕后不久形成滴漏的现象，过小的针头也会影响胶阀开始使用时的排气泡动作，只要更换较大的针头即可解决这种问题。锥形斜式针头产生的背压最少, 液体流动最顺畅，液体内空气在胶阀关毕后会产生滴漏现象, 最好是预先排除液体内空气,或改用不容易含气泡的胶，或先将胶离心脱

14、泡后在使用。 2 胶大小不一致当出胶不一致时主要为储存流体的压力筒或空气压力不稳定所产生。进气压力调压表应设定于比厂内最低压力低，压力筒使用的压力应介于调压表中间以上的压力, 应避免使用压力介于压力表之中低压力部分,最后应检查出胶时间；若小于15/1000秒会造成出胶不稳定，出胶时间愈长出胶愈稳定。3 速太慢 流速若太慢应将管路从1/4” 改为3/8”。管路若无需要应愈短愈好， 除了改管子,还要改出胶口和气压,这样完全加快流速。4 体内的气泡过大的流体压力若加上过短的开阀时间则有可能将空气渗入液体内， 解决方法为降低流体压力并使用锥形斜式针头。 5 间胶在胶阀、接头及管路上堵塞此种情形主要因过

15、多的湿气或重复使用过的瞬间胶。 应确保使用新鲜的瞬间胶. 将管路以未含湿气的Aceton丙酮彻底清洗过，使用的空气应确定完干燥且于厂内空压与胶阀系统间加装过滤器。( 以上方法如仍然无效, 则应使用氮气. ) 。6 UV胶 ( 紫外线固化胶 )确定使用黑色的管路. 勿直接添加UV胶于压力筒旧有的UV胶上。 先将原有UV胶放掉, 再胶UV胶倒入空的压力筒， 压力筒内的UV胶往往经过一段时间后会产生气泡而造成出胶不稳定。针头一般而言比20号小的针头都可能产生空气问题- 滴漏或垂流。尽量使用较大号一般金属针头或锥形斜式针头， 避免使用绕性或铁弗龙针头。环氧树脂的 ( expoxy ) 清洗可能的话尽量

16、每一个Shift用一般甲苯溶剂的储存压力筒自动清洗一次, 愈常清洗越好。1.2.4微电子封装对点胶技术的要求目前，微电子封装对点胶技术的要求主要有： 实现胶滴直径0.25mm的微量点胶，并进一步实现胶滴直径0.125mm，并由邻近胶滴形成各种预期图案的数字化点胶技术； 在点胶空间更紧凑或受到限制的情况下能快捷准确地实现空间三维点胶； 在大尺寸、微间隙、高密度I/O倒装芯片的条件下能实现预期复杂图案的高精度精确点胶； 光电器件、MEMS以及微纳器件封装要求一致性高的微量点胶技术。当前，能够部分应对以上挑战的点胶技术基本上只有接触式的螺杆泵点胶和非接触式的喷射点胶。 1.2.5 点胶机的发展随着电

17、子胶水的普遍应用，点胶设备的应用也会更加广泛和多样化。目前，单组份的点胶技术相对成熟，其发展方向是自动化和高精度。在普通的点胶机，如一些点胶控制器，国内的模仿技术已经很成熟，市场竞争十分激烈，价格一落千丈，甚至几佰的机器都已经出现，但是国内的点胶机普遍存在精度不高，打胶不够稳定现象，一些高科技行业，说到选购点胶机，肯定只能找世界品牌，所以，在高精度这块，有待各位有志之士进一步努力呀，当市场竞争激烈，唯有质量和服务能够让自己脱颖而出。 在自动化这块，国内的三轴平台，圆周点胶机等等已经有多年的发展历史，如果只是普通的精度，那么使用国内点胶机和平台就可以了。目前从事这些单组份设备的生产和研究的厂家也

18、比较多，市场竞争逐渐激烈，不过可以挖掘的空间还是十分之大。 自动点胶机在行业中的影响很广，在工业生产中，很多地方都需要用到点胶，比如集成电路、印刷电路板、彩色液晶屏、电子元器件（如继电器、扬声器）、汽车部件等等。传统的点胶是靠工人手工操作的。随着自动化技术的迅猛发展，手工点胶已经远远不能满足工业上的要求。手工点胶具有操作复杂、 速度慢、精确度低、容易出错，而且无法进行复杂图形的操作，更无法实现生产自动化等缺点，市场上要求一种速度快， 图1-5 全自动点胶机器人效率高，精度高的设备，因此就出现了全自动点胶机器人。在科技就是第一生产力的今天，全自动点胶机器人的出现为点胶行业带来前所未有的机遇和发展

19、，人们为了与点胶机器人简单方便地交流，把想法传达给机器人，使机器人按照人的意志和点胶工艺的要求来运动，就发明了一种示教编程器系统，这种示教编程器可以很简易地控制点胶机器人，发送各种运动指令，执行各种图形的点胶。 第2章 新型微量胶液喷射系统2.1针头点胶技术早期的液态点胶过程是通过针头式点胶系统来实现的，在采用针头式点胶系统的过程中，针头必须离器件很近。而对于需要进行底部填充的器件，点胶针头需要降低至器件顶部以下，针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近，且要避免接触和损坏器件。同时，针筒式点胶系统需要精确的高度传感器来决定针头相对于电路板各个器件的高度Z，然后通过编程控制针头在电路板上的三维X、Y

20、、z运动，避免与器件产生碰撞。面对着封装正在向着微型化的发展趋势，在某些狭小空间里，很难保证元件间有足够的间距便于针头接近需要进行底部填充的器件，在新进发展的MEMS麦克风封装中也存在着同样的挑战一一狭小空间的应用，新的点胶方法呼之欲出。2.2 无接触喷射式点胶技术2.2.1喷射式点胶技术的推出面对着封装微型化的发展趋势的挑站，Asymtek率先及时提出一种称为“喷射(jetting)”的点胶技术。新技术采用喷嘴替代针头，解决了针头式点胶系统难题。Jetting喷嘴可在需要进行底部填允的器件上方进行点胶，无需到达其顶面以下的位置，也称为无接触喷射式点胶技术。Jetting喷嘴在整个电路板上方沿

21、x、Y方向运动，而无需垂直z运动，为设计人员解决上文提到的狭小空间点胶的问题提供了解决方案。2.2.2 喷射式点胶技术的优点通过针头式点胶技术和无接触喷射式点胶技术在MEMS麦克风封装巾的相上比较，表2-2 两种点胶技术比较成本开发周期工艺参数复杂性可靠性生产力良品率应用范围针头式点胶系统高长复杂低高高表面喷涂/底部填充喷射式点胶系统低短一般较高很高很高表面喷涂/底部填充/狭小空间涂胶笔者认为喷射技术具有很多优越性，具体表现在速度、质量、成本及应用范围上，两种点胶技术的比较参照表格2-2。(1)速度和生产效率：高喷射率多达每秒200点、无z轴移动现象、“在空中”喷射要求各滴涂点之间无停动现象、

22、要求高度校准工作更少、防止胶体拉丝的无针头式退回技术，生产效率可提高至100%。(2)质量和可靠性：高点胶精度，较小的浸湿范围、圆形均匀的滴涂点、提高了胶水涂抹密封效果；另外无接触试喷胶无芯片刮伤的现象、无滴液现象、无引线损伤现象，大大提高产品质量的可靠性；(3)成本及良品率：消耗部件极易快速地进行清洗、且使用寿命长成本较低，同时良品率达999以上；(4)灵活性及应用范围：多种形式的应用，底部填充、表面涂料及包封、芯片沾贴，围堰狭小空间结构内部的喷胶。2.2.3无接触喷射式点胶技术的工艺参数及优化以下工艺缺陷：胶点大小不合格、拉丝、胶水浸染焊盘、固化强度不好易掉片、金线弯曲或损伤，芯片损伤、胶

23、水金线及芯片的分层等可靠性问题成为无接触喷射式点胶技术发展的新挑战，解决这些问题应整体研究各项技术工艺参数，从而找到解决问题的办法。图2-1金线弯曲量与胶点的大小和点胶高度关系(1)胶点的大小与点胶高度的控制：胶点太大易造成胶溢出、胶量过多、金线弯曲或损伤现象；胶点太小则会出现点胶断续现象、漏点，从而造成缺陷，金线弯曲量与胶点的大小和点胶高度关系见图2-1。(2)胶点的大小与喷嘴头的大小及点胶时间的关系：通常喷嘴头内径大小应为点胶胶点直径的12，合适的喷嘴头与优化的点胶时间点胶高度既保证了点胶的质量，即Z轴高度校准，又能保证合理的胶点大小，胶点的大小和喷嘴头的大小及点胶时间的关系见图2-2。图

24、2-2 胶点的大小和喷嘴头的大小及点胶时间的关系(3)胶水温度的控制：一般环氧树脂胶水应保存在020的冰箱中，使用时应提前1h拿出，使胶水充分与工作温度相符合，胶水的使用温度应为2325；环境温度对胶水的黏度影响很大，温度过低则胶点会变小，出现拉丝现象；环境温度相差5，会造成50点胶量变化，因而对于环境温度应加以控制，有砦设备如Asymtek DJ一900自带热电偶，可以通过程序来设定点胶温度以避免外界环竞的影响。 (4)胶水的黏度及触变指数：胶的黏度、触变指数直接影响点胶的质量，黏度大，则胶点会变小，甚至拉丝；黏度小，胶点会变大，出现滴胶现象，进而可能渗染焊盘。而触变指数正是低速黏度与高速黏

25、度的比值，它反映了胶水的可点滴性能，滴胶及拉丝原理参照图2-3，一般建议触变指数大于3，否则易出现如图2-4所示的拉丝现象。对于以上各参数的调整，应按由点及面的方式进行，任何一个参数的变化都会影响到其他方面，同时缺陷的产生，可能是多个方面所造成的，应对可能的因素逐项检查，进而排除，胶水的黏度控制和喷嘴头大小的选择显得更为重要，总之，在生产中应该按照实际调整各参数，既要保证生产质量，又能提高生产效率。(b)拉丝原理高速黏度太高图2-3胶水黏度与滴胶及拉丝的相关性原理图2-4 胶水黏度&触变指数与胶水的可靠性能的相关性2.3 系统总体设计2.3.1 设计思路 点胶系统不仅广泛应用在BGA、CSP以

26、及倒装芯片表面贴装过程中,而且是自动纸箱热溶胶封箱系统及贴标机中的主要组成部件。点胶系统在使用过程中,必须密切注意此类器件的液态底部填充过程,希望底部填充过程时间尽可能短,并尽量保证整个过程准确无误。传统的点胶系统采用的是针筒式点胶方式,点胶针筒必须距离器件很近,对于需要进行底部填充的器件,点胶针头需要降低至器件顶部以下,针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近,且不引起接触和器件损坏, 这在实际操作中是非常困难的。系统采用最新的“喷射( jetting)”技术,用喷嘴替代筒,则可以解决上述难题；与传统的针头式点胶技术相比,喷射式点胶具有速度高、质量好、成本低等优点。为获得比传统点胶系统更大的驱动力

27、和驱动频率,喷射系统的驱动部分可以采用超磁致伸缩执行器（见图2-5）。超磁致伸缩材料就是一种新型的电(磁)机械能转换材料,具有在室温下应变量大,能量密度高,响应速度快等特性。国外已将之应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中,并取得了一些进展，现在将超磁致伸缩材料的伸缩运动作为驱动力应用到喷射式点胶系统中。图2-5 超磁致伸缩执行器随着工业技术的发展， 目前越来越多的伺服系统中要求使用高压、大流量、高响应的伺服阀。射流管伺服阀前置级采用射流放大器，射流喷嘴大，喷嘴与接受孔之间的距离大，不易堵塞，抗污染能力强，在此基础上，提出了射流管力反馈两级阀作为前置图2-6 柔性铰链位移放大机构示意图级

28、、功率级阀芯位移电反馈的CSTD1 型三级伺服阀， 但由于其第三级滑阀阀芯行程只有十几微米，阀芯位移信号较难检测，需对阀芯位移进行放大，以提高三级伺服阀的响应速度和控制精度，降低成本。柔性铰链是近年来发展起来的一种新型的传动、支撑机构，具有常规运动副无可比拟的运动平稳、无需润滑、零迟滞、高精度、无装配误差等优点，能够满足位移放大，同时能够实现系统的精密定位，所以本次设计中再加入了一种位移放大结构(见图2-6），设计出了一种新型的喷射系统。2.3.2 结构设计如图2-7所示,系统由上机控制单片机发出数字信号,通过D /A转换,输出电压信号,输入到压控恒流源,压控恒流源输出电流,作用于超磁致伸缩执

29、行器的激励线圈产生变化的磁场,使超磁致伸缩元件(GMM棒)伸缩,通过输出顶杆传递到位移放大机构,位移经图2-7微量胶液喷射系统框图过放大后传递到喷针,喷针撞击存储有胶液的底座,将机械能转移到胶液,使胶液通过喷嘴形成胶点并喷出，本次设计只包括机械结构的设计。如图2-8所示,本系统的机械结构包括喷射器、柔性铰链位移放大机构和超磁致伸缩执行器3个部分。1.底座 2.线圈骨架 3.激励线圈 4.偏置线圈 5.GMM棒 6.壳体7.输出顶杆 8.预压弹簧 9.预压螺钉 10.挡圈1 11.位移放大机构12.连接腔 13.挡圈2 14.喷针图2-8 新型微量胶液喷射系统机械结构2.4 本章小结新型微量胶液

30、喷射系统的驱动部分由于采用了超磁致伸缩执行器,因此可获得比传 统点胶系统更大的驱动力、驱动频率、高速度和高的点胶精确度，利用其柔性铰链位移放大机构,可降低超磁致伸缩执行器的设计要求和成本。这种非接触式的喷射系统在对倒装芯片进行底部填充时避免了底部胶液与引线接触,避免了损坏引线。喷嘴在整个电路板上方只沿x、y轴方向运动,无需沿Z轴方向移动,在各线段间转换时不需要停止运动,因此大大节省了加工时间,提高了生产效率。此外该系统还具有喷射频率高、适用胶液广和清洗方便等优点，喷胶系统工艺控制的不断扩展,其结果必然是使用户得到更低的成本,更高的良品率。第3章 超磁致伸缩执行器3.1 超磁致伸缩材料的介绍3.

31、1.1 微机械的发展现状随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/Nano Science and Technology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。微机械是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。其必须具备的基本要求是：体积小，精度高，重量轻；性能稳定，可靠性高；能耗低，灵敏度和工作效率高；多功能和智能化；适于大批量生产，制造成本低廉。微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机

32、构IM（Integrated Mechansim）。相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。如美国贝尔实验室开发出直径为400m的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60m的静电电机，直径为50m的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20m，长度150m的铰链连杆机构，210m100m的滑块机构，转子直径200m的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。我国许多高校和研究所也取得不少进展。如上海冶金研究所研制出直径为400m的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等

33、。这些微型机械不少已有具体的应用。MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能材料与结构研究日益深入，将智能材料用于微机械、微机器人实现其结构的微型化、智能化以及功能的集成化，已经成为微机器及微机器人研究的一个主要发展趋势。3.1.2 微机械用智能材料结构 智能材料结构特点将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，如具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强

34、度、刚度、形状等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习等能力，这种结构称为智能材料结构。可见，智能材料结构和制造是不可分割的，它不同于传统的结构材料和功能材料，其模糊了结构与功能的明显界限，趋向于结构功能化和功能多样化。应用智能材料结构，有利于使传感器、执行器和电子控制电路等融为一体，以满足微机械体积小、精度高、重量轻及实现微机械的多功能化和智能化的集成。目前智能材料结构引起了人们的广泛关注，为微机械的研究开辟了新途径。微机械用智能材料结构常用作微机械材料的智能材料有硅材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、电（磁）流变材料、导电聚合物、储氢材料等。本文的超磁致伸缩执行器就是利用超磁

35、致伸缩材料的特性所设计。3.1.3 超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料(giant magnentostrictive material,简写为GMM)为稀土元素铽Tb(Terbium)、镝Dy(Dysprosium)和铁(Fe)的合金化合物，是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的三元稀土铁系化合物，其典型材料为Terfenol-D，代表成份为Tb0.27Dy0.73Fe1.95。铁磁和亚铁磁材料在磁场中磁化状态改变时，会引起尺寸或体积的微小变化，这种现象称为磁致伸缩，也称焦耳效应。接着维拉里(EViiiari)发现了磁致伸缩逆效应，铁磁体在发生变形或受到应力作用时会引起材料磁场发生变化

36、的现象。一般铁磁体的磁致伸缩变形相当小，约为10-6量级，与热膨胀系数差不多，因此虽然早在19世纪人类就发现了磁致伸缩现象，但并未引起广泛的应用。在20世纪60年代，人们发现稀土金属铽(Tb)和镝(Dy)在低温下(低于-200)具有较普通磁致伸缩材料大数千倍的磁致伸缩应变，但该性能只能在极低温度下获得，无法得到很好的应用此后人们开始探索在常温也具有大磁致伸缩应变的稀土合金材料，在1973年，AEClark等人开发出常温下具有大磁致伸缩且各向异性最低的三元稀土合金TbDyFe，这就是GMM的基础。自70年代中期以来，GMM研究的重点在材料的制备工艺以及各材料成分对其性能的影响，以尽早实现商品化生

37、产。至90年代前后，一些国家实现了商品化的GMM生产，如荚国公司的Tcrfcn01D，瑞典FcrcdynAB公司的Magmek86，随后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe2型GMM。我国于90年代前后开始研究TbDyFe晶体磁致伸缩材料，目前已有多家单位生产GMM，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所等，一些民营企业也开始从事GMM的生产，如甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等。稀土材料的优点：稀土超磁致伸缩材料具有许多非稀土材料所不具备的基本物理特性。与传统超磁致伸缩材料相比，稀土材料有以下优点:磁致伸缩系数高。在一定的磁场作用下，稀

38、土超磁致伸缩材料的长度发生变化。在室温下其磁致伸缩系数比传统材料高数百倍。目前制备的稀土超磁致伸缩材料的最佳值可达2500x10-6，巨大的磁致伸缩系数使其在实际中应用成为可能。这也是稀土超磁致伸缩材料得到迅速发展的主要原因。 磁机耦合系数(K)高。比压电陶瓷(PZT)高630倍，这使其称为实现电-磁-机械能量转换的优异的功能材料。输出应力大。在外加预应力时，在低磁场下材料的磁致伸缩随磁场产生“跳跃”式增加，其磁化率也随之变化，这一效应对于实际应用具有重要意义。因为产生巨大磁致伸缩应变所需的磁场很容易达到，可以使器件的结构简单紧凑，输出功率比PZT材料高数十倍。可用来制作大功率超声激振源，用于

39、工程地质勘探和超声加工及声纳系统。机械响应速度快，达10一6s级，且可电控。可用于直线马达的快速行进，利用这一特性，既可以用作机械功率源如声发射源，也可以用作力传感器如声接收器。磁致伸缩变形的线性范围大。这有利于磁致伸缩量的准确控制，可用于精密磨床给进和阀门控制,精度可达纳米级。频率特性好、频带宽，可以在低频几十赫兹下工作，从而可应用于制作水声换能器。也可用于高频环境，如超声加工，超声诊断等。居里温度高，可适用于高温环境。具有Villari效应，即逆磁致伸缩现象。在一定的磁场中，稀土超磁致伸缩材料受力后其磁化强度发生变化，利用这种现象可以制作压力传感器。稀土超磁致伸缩材料也存在若干缺点，如由于

40、其电阻率低，会产生涡流损耗导致高频特性差；抗拉强度低，不能承受较大的拉力;材质硬但较脆易碎，机械加工困难;制造卜艺复杂，成本较高。这些缺点在一定程度上制约了该材料的推广应用。针对这些问题目前己提出了一些解决方法并付诸实施，如为了控制线圈发热导致磁致伸缩棒膨胀而影响纳米、埃米级超精密定位精度，研制了用在棒与螺线管之间的恒温水冷却管，使强制水冷却控温精度达士0.01，系统位移效率高于90%.对于涡流效应，可采用多层绝缘薄片粘结成棒形，减小涡损，料器件的性能优势： 能量转换能力(位移、力、功率、效率)稀土超磁致伸缩材料的应变和功率高于其他材料。静场应变饱和值达到1500x10一62000xl0一6，

41、在线性范围内也达l000x10一6，此值为Ni的30倍、压电陶瓷的35倍，在共振频率下，动态应变比静态应变还要高数倍，稀土超磁致伸缩材料承受能力大于、等于20MPa，而压电陶瓷的上限仅4MPa，与此相应，这样材料的能量密度达14kJ/m325kJ/m3，是压电陶瓷的1025倍，此外，这种材料的机电耦合系数=0.70.8，明显高于压电陶瓷和其他材料，且由于换能器磨损小，所以这种超磁致伸缩材料换能器的能量转换效率也高于传统换能器。 控性(高速响应和精确定位)稀土超磁致伸缩材料响应速度极高，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后，所以这种材料的换能器定位精度一

42、般为0.lum，最佳可达纳米级，响应仅取决于驱动线圈的励磁时间，一般小于lms，最快可以达10m。 可靠性(性能稳定，不易发生故障)压电陶瓷在制造时就加有恒定偏磁场，时效使偏磁场产生一个特久的退化，称为退极化。即压电陶瓷的预极化在室温自然退极化，温度升高加速其退极化，而且居里温度(Tc)较低；稀土超磁致伸缩材料不发生疲劳退化，偏磁场不随时间和温度改变，Tc较高，工作温度较宽，压电陶瓷对工作频率要求较严，而频率波动对磁致伸缩性能的影响小。一些压电换能器的工作电压很高(数千伏)，易出现电击穿问题，而稀土超磁致伸缩材料换能器在较低电压(12v1O0v)下工作，换能器可动件少，磨损小，这也使可靠性提高

43、。运转能力(最高速度、最大行程)普通小型驱动器的速度较低和行程较小，但Terfenol-D线性马达可获得lm/s的极限速度和无限的行程。有利于简化换能器结构的其他优点频率响应范围宽/有智能响应/功率供应简单。3.2 超磁致伸缩驱动器的基本结构超磁致伸缩驱动器的基本结构如图3-1所示,它包括超磁致伸缩棒、直流线圈(或永磁体)、交流线圈、预压应力机构、输出机构和外套筒与端盖等。某些情况下,超磁致伸缩驱动器还包括感装置、输出变换机构和热变形控制机构等,分别于反馈控制、输出位移放大/缩小和抑制(或补偿)超磁致伸缩棒的热变形；在交流线圈与驱动棒之间填充高效隔热材料可以减小温升对超磁致伸缩棒性能的影响；

44、隔热材料可选塑料和电工胶布或其他高效轻质材料。1.底座2.线圈骨架3.激励线圈4.偏置线圈5.GMM棒6.壳体7.输出顶杠8.预压弹簧9.预压螺钉图3-1 超磁致伸缩驱动器结构示意图3.3 GMA的工作原理超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩棒的轴向线磁致伸缩效应设计制作的,它由交变磁场驱动，驱动磁场由交流线圈产生的交变磁场和永久磁铁或直流线圈产生的偏置磁场叠加而成，当输入一定频率的交流电流时,超磁致伸缩棒在驱动磁场的作用下按某一响应频率发生相应伸缩变形，可通过控制输入的电流来控制超磁致伸缩驱动器的输出力和位移。超磁致伸缩材料的抗拉强度远比抗压强度低,须防止它在工作中被拉断;另一方面,超磁致伸缩棒

45、一般需借助输出杆对外作功,应保证输出杆和超磁致伸缩棒的紧密接触,以实现自动回缩并避免回程中出现松脱,因此设计超磁致伸缩驱动器时必须给超磁致伸缩棒两端预加一定的压应力,使它始终处于受压工作状态，此外,轴向预压力可使超磁致伸缩棒内部的磁畴在零磁场强度时尽可能地沿着与轴向垂直的方向排列,一旦施加驱动磁场即可获得较大的轴向磁致伸缩应变；同时预压应力对磁机耦合系数和场耦合系数也有影响,适当大小的预压应力可以大幅提高超磁致伸缩驱动器的能量转换效率。超磁致伸缩棒在正反向磁场中都是伸长的,因而由交变磁场驱动的超磁致伸缩驱动器输出的机械运动频率是输入电流频率的2倍,称为倍频特性,它带来一定的非线性影响.利用直流

46、线圈或永磁体给超磁致伸缩棒施加适当的偏置磁场(又称极化磁场),既可消除倍频带来的非线性影响,又可使超磁致伸缩棒工作在伸缩率最大的线性区,同时使机电耦合系数较高,并可减小超磁致伸缩驱动器响应的不灵敏区域。超磁致伸缩棒在交变磁场作用下会出现明显的涡流和磁滞损耗,产生热量,同时线圈的电阻在通过电流时也产生热量,这都将导致超磁致伸缩棒的温升和热变形。超磁致伸缩材料的居里温度可达30以上,但是随着温度的升高它的性能会缓慢降低因此最好在驱动器工作过程中使超磁致伸缩棒保持恒定的温度，热变形控制装置通过抑制超磁致伸缩棒的温升以免它产生热变形,或通过补偿热变形来消除它对输出位移的影响。超磁致伸缩驱动器的位移输出

47、达到m级但有些应用场合要求有更大的行程,而另一些应用场合则要求有很高的位移分辨率，利用相应的微位移变换机构与超磁致伸缩驱动器配套可解决位移匹配的问题，本次设计为了达到更大的输出位移，就采用了一种新型的位移放大机构，具体介绍在第4章。3.4 GMA总体结构设计应用于特定场合的超磁致伸缩驱动器,通常要在基本结构的基础上加上一定的辅助功能机构,比如输出变换机构、热变形控制机构和传感装置等，辅助功能机构的取舍取决于设计要求:如果要求的输出位移与采用基本结构所获得的输出位移不匹配,那么就必须加入适当的位移放大/缩小机构。若控制精度要求高,允许的温升较小,则须在超磁致伸缩驱动器中引入热变形控制机构。控制精

48、度要求很高的超磁致伸缩驱动器一般需要进行反馈控制,故应加入相应的传感器。本次设计只要求满足位移的匹配，设计的超磁致伸缩执行器输出位移为65m，而系统结构所要求的输出位移为300m，所以必须加入一定的位移放大机构才能实现位移的匹配，位移放大机构在下一章会有详细的介绍和设计。3.5 预压力的设计GMM抗拉强度低（约28MPa，而抗压强度可达700Mpa），脆性大，为避免在工作时承受拉应力，应对GMM 棒预先加载一个预压应力；另外施加预压力可显著提高低磁场下的磁致伸缩（图3-2）；预压力装置有多种形式，如液压式、气动式、稧形加力机构和加力螺钉等，预压力装置的重要参数包括装置的刚度常量、可调压力的范围

49、等，当然还包括装置的尺寸、调节的方便性等，一般都希望预压力装置的刚度常量越小越好，因为它对GMA 总的有效刚度影响越小，液压系统和气动系统的刚度常量都很小，液压系统还可以提供很大的压力调节范围，但是系统复杂，质量大，气动系统质量可以做的很小，但压力调节范围有限。图3-2 Tb0.3Dy0.7Fe1.95在20，0-41.3Mpa 下磁致伸缩率与磁场关系曲线施加预压应力的方案较多。采用预压弹簧的方案结构非常简单,但不能调节预压应力的大小，采用弹簧加螺母(或螺钉)的方案也很容易实现,并且可方便地调节预压应力的大小,故此种结构较多被采用。还有一些特殊的预压方法,比如利用易于获得并能灵活调节压力的高压

50、油、气源等来对超磁致伸缩棒施加预压力不失为很好的选择，本次设计采用的就是弹簧加螺钉的方法，见第2章图2-7系统装配图所示。由图3-2 可知，对GMM 棒沿轴向施加一定大小的预压应力，在外磁场激励下，可获得更大的磁致伸缩。这一现象可以解释为：预加压应力使一些原先磁化方向与外磁场方向接近平行的磁畴向与外磁场垂直的方向偏转，因此GMM 内部那些磁化方向与外磁场垂直的磁畴数目增多了，当施加轴向磁场后，更多的磁畴偏转，从而可获得更大的磁致伸缩。但预加压应力过大，磁致伸缩率会减小，如图2.7中d和e，由于预压应力过大，在同等的磁场强度下，磁畴无法克服压应力发生偏转，导致磁致伸缩率减小，当预压应力增大到GM

51、M 无法伸长时，这时GMM处在机械夹持（固持）状态，由图3-2可得，预压力选为6.5MPa。3.6 GMM棒的设计3.6.1 材料的选择GMM 棒的设计包括GMM 材料的选择、GMM 棒的几何形状和尺寸设计。Terfeno1D是稀土超磁致伸缩材料(GMM)的典型代表，作为一种新型高效磁(电)能一种机械(声)能转换材料，相比普通的磁致伸缩材料(如镍Ni)和压电材料等其他材料，具有大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应和高可靠性等优点，本次设计GMM 材料选择目前性价比较高的Terfenol-D，GMM棒为圆棒。 3.6.2 几何尺寸的设计对于图3.1所示直动型执行器，GMA 的输出位移等于G

52、MM 棒的伸长量，GMA 的输出力等于GMM 棒的输出力减去预加压力，GMM 棒的最大伸长量与其长度有关，由式(1)可得： （3-1） 式中:lT -GMM 棒长度；lmax-GMM 棒的最大伸长量（饱和伸长量）； s-饱和磁致伸缩率；xmax-GMA 的设计最大工作位移；-数学因子，一般设计的线性工作位移为饱和伸长量的一半，取 = 0.5，若取值大，则线性化的难度增大，但将节省材料。GMM棒的横截面积是由执行器的最大输出力要求决定,由式(2)得出: （3-2）式中：Fmin最大工作位移处的输出力要求；0-预压应力；EyB杨氏模量；其中=65m,s=110010-6ppm,=0.5,0=6.5

53、MPa,EyB=1.51010Pa,带入上式得到lT=119mm,取GMM棒的长度为150mm，棒的直径为19.078mm,取21mm,所以选用15021的超磁致伸缩棒。3.7 激励线圈的设计线圈为GMM 棒提供所需的磁场，是电磁转换的载体，线圈的几何尺寸是影响磁场强度和电磁转换效率的重要因数，也是GMA体积的主要影响因数。3.7.1 确定线圈的内径和长度在允许的加工精度内和保证GMM棒在线圈骨架的内孔中顺畅地运动，线圈内径应尽量接近GMM棒的直径，以减小气隙，气隙体积越大，系统的电磁转换效率越低；线圈的长度应略大于GMM棒的长度（1.051.1 倍），使GMM棒处在较均匀磁场中；取1.1倍，

54、根据 3.6节中确定的GMM棒的尺寸，确定线圈的内径为22mm，长度为165mm。3.7.2 确定线圈的安匝数理想的线圈，不考虑漏磁影响，满足安培环路定理，当GMM 饱和时的磁场强度约为2000Oe2500Oe（图3-2），考虑漏磁等因素，应使线圈安匝数: （3-3）式中：-GMM 饱和磁致伸缩时的磁场强度；-线圈长度；-线圈总匝数；-通入线圈的电流。参考图3-2，综合考虑选i=15A, lcoil=165mm,Hs=2300Oe ,带入式（3）中，得到N2198.57，取线圈的匝数为2199。根据通电电流的最大值，选择通电导线。设导线为圆径导线， 参考电控实用技术手册,选用聚氯乙烯屏蔽电线,

55、它适用于AC额定电压300/300V及以下电器、仪表、电子设备及自动化装置。根据本文需要，选用型号为铜芯耐热PVC绝缘屏蔽软线中外径为1.2mm的导线。最后，计算激励线圈的宽度D： (3-4)式中：N激励线圈的匝数；l激励线圈的长度；d激励线圈的直径。代入前边计算的数据，得到激励线圈的宽度为20mm。3.7.3 线圈骨架的设计在图3-3中，是螺线管线圈内径，是线圈外径，是GMM棒的半径，是线圈图3-3 线圈骨架结构示意图骨架绕线部分的长度。3.8 偏置线圈的设计很多 GMA之所以达不到预定性能指标，都是由于缺乏对磁路的精确设计，磁路设计被认为是GMA设计的众多因数中最关键的设计之一。磁路设计的基本目标是：在GMM棒所在区域，产生所需强度且均匀的磁场，使系统磁回路的磁位降落尽可能多的发生在GMM 棒所在的支路，即尽量减小其它支路的磁阻，应尽量避免GMA工作过程中产生的寄生磁场，如电涡流产生的涡旋磁场等。具体说，磁路设计包括偏置磁场设计、如何减少磁泄漏，提高电磁转换效率，改善磁致伸缩棒所处磁场的均匀性等方面。如果GMA工作在振动状态，输入的是交变电流，则应设计偏置磁场以消除倍频现象，一般设计偏磁场为最大伸长