Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы построения исполнительных устройств систем активной оптики 11
1.1 Управляемые элементы адаптивных оптических систем 11
1.1.1 Исполнительные устройства систем активной оптики с управляемыми элементами отражательного типа 13
1.1.2 Требования к исполнительным устройствам адаптивных оптических систем 21
1.2 Сравнительный анализ исполнительных устройств 24
1.3 Магнитострикционные исполнительные устройства систем управления 30
1.3.1 Явление магнитострикции. Магнитострикционные материалы 30
1.3.2 Классификационный анализ магнитострикционных исполнительных устройств (МСИУ) 40
1.4 Цели и задачи работы 50
Глава 2. Математическая модель МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента 54
2.1. Принципы построения математической модели МСИУ 54
2.2 Изгибные деформации магнитострикционных пластин 59
2.2.1 Уравнения изгибных деформаций однородных магнитострикционных пластин 59
2.2.2 Условия возбуждения изгибных деформаций однородных магнитострикционных пластин 68
2.2.3 Уравнения изгибных деформаций многослойных магнитострикционных пластин 79
88
2.2.4 Уравнения изгибных деформаций жестких многослойных магнитострикционных пластин
2.2.5 Условия возбуждения изгибных деформаций в жестких многослойных магнитострикционных пластинах 92
Выводы 96
Глава 3. Исследование МСИУ на основе магнитострикционных пластин 97
3.1 Одноэлементные МСИУ-движители корректоров волнового фронта 97
3.1.1 Структурное представление МСИУ - движителя 102
3.1.2 Одноэлементные МСИУ - движители при произвольной поляризации 111
3.1.3 МСИУ - движители с нагрузкой типа обобщенной опоры 116
3.2 Многоэлементные МСИУ - движители корректоров волнового фронта 121
3.3 Статические и динамические характеристики МСИУ-движителей 129
3.4 МСИУ с управляемой отражающей поверхностью 149
3.5 Экспериментальное исследование МСИУ на основе магнитострикционных пластин 158
Выводы 171
Глава 4. Новые конструкции МСИУ для систем активной оптики 174
4.1 МСИУ - актуаторы сплошных адаптивных зеркал 175
4.2 МСИУ - движители корректоров наклонов волнового фронта 183
4.3 МСИУ - движители угловых перемещений юстировочных узлов 190
4.4 МСИУ с управляемой отражающей поверхностью 194
Выводы 203
Основные выводы и результаты работы 204
Список литературы 207
Приложения 218
- Магнитострикционные исполнительные устройства систем управления
- Условия возбуждения изгибных деформаций однородных магнитострикционных пластин
- Экспериментальное исследование МСИУ на основе магнитострикционных пластин
- МСИУ - движители угловых перемещений юстировочных узлов
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие новых высокоэффективных областей техники, современных прогрессивных технологий выдвигает комплекс задач, связанных с разработкой исполнительных устройств малых перемещений для эффективного функционирования в микрометровом диапазоне. Широкое распространение получили прецизионные системы, в которых необходимо осуществлять позиционирование элементов с точностью до долей микрон и угловых секунд. Проблема отработки с достаточным быстродействием малых и сверхмалых точных перемещений актуальна в области прецизионной металлообработки, станкостроения, в оптико-механических системах, особенно в области разработки систем активной оптики - в адаптивных оптических системах (АОС), применяемых в лазерных технологических процессах резки, сварки, поверхностной обработки, в системах наземной и космической астрономии, лазерной связи и локации в измерительной технике и т. д.
Адаптивная (по устоявшейся терминологии) оптика является основой для решения задач коррекции фазовых искажений и управления волновым фронтом оптического сигнала. При разработке систем [1-6] большое внимание уделяется проблеме создания эффективного корректора волнового фронта (ВФ), от характеристик которого в решающей степени зависят параметры и возможности АОС. Наиболее широкое применение среди управляемых оптических элементов получили деформируемые зеркала с зональным и модальным управлением, действующие по принципу перемещения отражающей поверхности и корректоры наклонов ВФ часто совмещающие и котировочные функции.
Современные тенденции развития конструктивных схем крупногабаритных адаптивных телескопов, применение в прогрессивных лазерных технологиях излучения достаточно большой мощности среднего и дальнего инфракрасного диапазона предъявляют высокие и часто противоречивые требования к деформируемым зеркалам АОС и, следовательно, к их исполнительным устройствам (ИУ) по диапазону перемещений ± (1,5-і-2) Хт, развиваемую усилию 300-1000 Н, габаритам
< (6 -rlO) xlO3 Лои, точности (0,05-0,1) Лои, быстродействию (5,0-50) мс, , прочности, технологичности, лучевой и радиационной стойкости, надежности конструкций, возможности работы в контакте с хладагентом, простоте юстировки и т.д. Здесь Лт ~ длина волны оптического излучения.
В этих условиях для целого ряда АОС весьма перспективным направлением создания корректоров ВФ является магнитострикционный принцип построения ИУ этих управляемых оптических элементов. Сочетание значительного развиваемого механического усилия и большого диапазона микроперемещений позволяет получать с необходимым быстродействием требуемый профиль поверхности при заданных габаритах зеркала. Высокая жесткость, прочность и теплопроводность металлического активного элемента магнитострикционного ИУ дают возможность построить надежную конструкцию адаптивного зеркала (A3) с хорошей лучевой и радиационной стойкостью.
С точки зрения создания эффективных гибких деформируемых зеркал модального типа, актуаторов и движителей корректоров наклонов ВФ - комплекса управляемых средств активной оптики (в часности для инфракрасного диапазона длин волн) наиболее интересным представляется использование единого принципа построения - эффекта возбуждения изгибных деформаций в магнитострикционных пластинах с неоднородными по толщине свойствами.
Отсутствие адекватного математического описания процессов в магнитострикционных исполнительных устройствах (МСИУ) такого класса, теоретических и экспериментальных исследований МСИУ как элемента систем управления не позволяет проектировать ИУ с заданными характеристиками, что препятствует разработке и внедрению перспективных АОС с комплексом средств для управления излучением инфракрасного диапазона на базе магнитострикционных пластин (МП). Поэтому тема диссертационной работы, в которой рассмотрены вопросы развития теории, исследования и проектирования недооцененного (вследствие этого и слабоизученного) класса магнитострикционных устройств - МСИУ с из-гибным типом деформации активного элемента, является актуальной, имеет важ-
ное научное значение.
Данные исследования являются частью хоздоговорных и госбюджетных НИР, проводимых на кафедре "Теоретические основы электротехники" Уфимского государственного авиационного технического университета.
Целью диссертационной работы являются создание и исследование эффективных МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента для систем управления излучением среднего и дальнего инфракрасного диапазона.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
Развитие теории и методики проектирования МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента (МП) с учетом распределенности механических и электромагнитных параметров, позволяющее осуществить представление моделей на уровне структурных схем и передаточных функций, широко применяемых при синтезе САУ.
Разработка математических моделей для МСИУ различного функционального назначения и конструктивного решения.
Исследования, на основе разработанных моделей, характеристик МСИУ с управляемой отражающей поверхностью и МСИУ - движителей.
Экспериментальные исследования ИУ на основе МП.
Разработка инженерной методики расчета конструкций МСИУ.
Разработка новых конструкций МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента для АОС и их внедрение.
Методы исследований. Перечисленные основные задачи диссертационной работы решаются с использованием вариационного принципа Гамильтона-Остроградского и уравнений Остроградского-Эйлера при выводе уравнений, описывающих процессы в магнитострикционных пластинах; многомерных преобразований Лапласа и структурной теории распределенных систем при построении и исследовании математических моделей МСИУ различного функционального назначения и конструктивного решения, а также методов теории автоматического управления, математического моделирования (с применением пакета при-
кладных программ MATLAB 5.0), экспериментальные исследования опытных образцов при изучении характеристик и разработке инженерной методики расчета. Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Впервые с учетом многомерности и неоднородностей получены двумерные уравнения движения, магнитного состояния, описывающие процессы в однородных (сплошных) и многослойных магнитострикционных неполяризованных и поляризованных пластинах прямоугольной конфигурации,.
Впервые определены условия возбуждения изгибных деформаций в однородных и уточнены в многослойных магнитострикционных пластинах с использованием выражения стандартизирующей функции краевой задачи.
Разработаны математические модели МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента - в одномерном приближении для движителей линейных и угловых перемещений при одноэлементной и многоэлементной конфигурациях кинематической схемы, а также многомерные - для МСИУ с управляемой отражающей поверхностью, впервые установившие, с учетом распределенности электромагнитных и механических величин, аналитическую взаимосвязь конструктивных параметров со статическими и динамическими характеристиками.
В результате проведенных исследований статических и динамических характеристик определены технические возможности МСИУ различного функционального назначения, установлены соотношения выбора конструктивных величин, констант материалов при заданных параметрах нагрузки для достижения максимального коэффициента передачи и желаемых динамических свойств.
На основе проведенного развития теории и исследования характеристик создан ряд новых оригинальных конструкций МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками и разработаны методики их расчета.
Практическую ценность имеют:
1. Теория и методика проектирования МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента с представлением моделей в виде структурных схем и пе-
редаточных функций, широко применяемых при синтезе САУ.
Результаты экспериментального и теоретического исследования статических и динамических характеристик МСИУ.
Разработанные оригинальные конструкции МСИУ различного функционального назначения для АОС и инженерные методики их расчета.
Реализация результатов работы. Разработанные автором математические модели и методики расчета МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента внедрены на предприятии Санкт-Петербурга для проектирования исполнительных механизмов АОС, а оригинальные опытные конструкции внедрены в Крымской астрофизической обсерватории на экспериментальном образце адаптивного оптического телескопа, что дало положительный эффект.
На защиту выносятся;
Математическая модель изгибных деформаций магнитострикционных пластин с учетом многомерности и неоднородностей.
Математические модели МСИУ различного функционального назначения и конструктивного решения.
Методика и результаты теоретического и экспериментального исследования МСИУ.
Оригинальные конструкции МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента.
Методика инженерного расчета МСИУ различного назначения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на V Всесоюзной Четаевской конференции "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением", г. Казань,1987 г., на республиканских межотраслевых научно-технических конференциях, г. Уфа, 1987 г., 1989 г., на Всероссийских научно-технических конференциях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, 1992 г., 1995 г., 1996 г., 1997 г., 1999 г., на научно-технической конференции с международным участием "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития", г.
Ульяновск, 1996 г. и др. Опытный образец МСИУ, разработанный на основе исследований автора, награжден серебряной медалью ВДНХ СССР.
Публикации. По результатам исследований опубликовано более 40 печатных работ, в том числе 20 авторских свидетельств на изобретения и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть диссертации содержит 217 страниц машинописного текста и включает в себя 82 рисунка, 6 таблиц и список использованных источников из 114 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель исследований, дана краткая характеристика работы, ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе рассмотрены принципы построения A3 и корректоров наклонов ВФ, сформулированы требования к ИУ корректоров со стороны систем управления оптическим излучением. Исследованы основные типы ИУ, применяемых в активной оптике. Обоснована перспективность ИУ на эффекте возбуждения изгибных деформаций в магнитострикционных пластинах для определенного ряда систем. Рассмотрены основные принципы создания МСИУ, проведена систематизация признаков, дана классификация, выделены нерешенные актуальные проблемы и сформулированы задачи диссертационной работы
Во второй главе проведено развитие теории МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента. На основе вариационных принципов получены двумерные уравнения движения, определены уравнения магнитного состояния, описывающие процессы в однородных (сплошных) и многослойных магнитострикционных пластинах прямоугольной конфигурации для неполяризованных и поляризованных структур с учетом неоднородности и анизотропии свойств позволившие осуществить структурное представление математической модели МСИУ схем и передаточных функций, применяемых при синтезе САУ. Впервые определены условия возбуждения изгибных деформаций в однородных и уточне-
ны в многослойных магнитострикционных пластинах.
В третьей главе на основе полученных уравнений разработаны математические модели МСИУ - движителей линейных и угловых перемещений в одномерном приближении для одноэлементной и многоэлементной конфигурации кинематической схемы, а также многомерные для МСИУ с управляемым профилем отражающей оптической поверхности, установившие аналитическую взаимосвязь конструктивных параметров со статическими и динамическими характеристиками. Проведены исследования характеристик МСИУ - движителей с граничными условиями шарнирного типа. Обоснованы условия достижения требуемого качества статических и динамических свойств МСИУ.
В четвертой главе сформулированы основные направления разработки новых конструкций МСИУ с изгибным типом деформации активного элемента для систем активной оптики. Приводится описание и методики расчета ряда оригинальных конструкций МСИУ с улучшенными характеристиками разработанных при участии автора.
В заключении представлены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
Работа выполнялась в соответствии с постановлениями Правительства и региональной НТП «Научно-технические проблемы социально-экономического развития РБ» по разделу «Новые высокоэффективные методы и средства адаптивной оптики оптико-электронных систем» на 1997-2000 г.
Магнитострикционные исполнительные устройства систем управления
Магнитострикцией называется явление деформирования тел (изменение размеров, формы) при изменении их магнитного состояния. Этим же термином обозначается величина линейных магнитострикционных деформаций Я, то есть относительное изменение длины образца (AL/L) в магнитном поле. Эффект магнитострикции сильно выражен в ферромагнетиках и некоторых ферритах для которых достигает 10 -г 10", а в отдельных случаях 10 (группа редкоземельных металлов и сплавов на их основе) [33]. В антиферромагнетиках магнитострикция не велика, а у диа- и парамагнетиков практически отсутствует. В настоящее время физика явления магнитострикции достаточно подробно разработана, однако в большинстве случаев анализ сводится к феноменологическому описанию теории явления, что дает возможность для целенаправленного поиска новых эффективных материалов [34], либо исследования простейших случаев магнитострикционной деформации [33]. Вывод уравнений состояния поляризованной и неполяризованной магнитоупругой среды [35,36] позволяет в некотором приближении описать функционирование отдельных магнитострикционных преобразователей в квазистатическом режиме. Изменение линейных размеров ферромагнитных тел в направлении напряженности приложенного магнитного поля Н -продольная магнитострикция (эффект Джоуля) было открыто в 1942 году. При отсутствии предварительной магнитной поляризации ферромагнитного тела изменение направления намагничивания на противоположное не меняет знака и величину магнитострикции, поэтому ее можно представить как четную функцию М (четность эффекта магнитострикции), причем зависимость магнитострикции Я от намагниченности М близка к квадратичной.
Для монокристаллов железа зависимости магнитострикции от модуля относительной намагниченности для кристаллографических направлений [100], [111] и 12 [ПО] изображены на рис. 1.10. В от- , личие от функций Х(М) и Х(В), зависимость магнитострикции от напряженности магнитного поля Х(Н), которая важна в практическом отношении, то есть функции неоднозначны и характеризуются гистерезисом, а при более высоких значе ниях Я наблюдается тенденция к насыщению. Зависимость Х(Н) для поликристаллического никеля приведена на рис. 1.11, где отдельно показана начальная кривая 1 для размагниченного материала. Магнитострикция насыщения Xs поликристаллического никеля (изотропная структура), измеренная по разным направлениям относительно Н в плоскости образца, имеющего форму диска, приведена на рис. 1.12. Деформирование тел наблюдается и в других направлениях, в частности Рис. 1.11 Зависимость Х(Н) для никеля в плоскости перпендикулярной Н (поперечная магнитострикция). В области технического намагничивания в ферромагнитном поле помимо продольной и поперечной возникает также объемная магнитострикция, то есть, хотя изменения длины сопровождаются обратными по знаку изменениями поперечного сечения они полностью не компенсируются. В большинстве случаев эти изменения объема малы, при анализе магнитострикционных деформаций поликристаллических материалов ими обычно пренебрегают.
В поляризованных (предварительно намагниченных) телах, когда вектор Н направлен перпендикулярно вектору начальной намагниченности М, возникают сдвиговые магнитост-рикционные деформации. Наблюдается также моноклинная или сдвиговая магнитострикция, приводящая к изменению углов между осями кристаллов в неполяри-зованных средах. Данный эффект является нечетным, но выражен слабо и маскируется более значительным, носящим четный характер [33]. При техническом намагничивании продольная магнитострикция имеет различные величины и знаки, и часто сложно зависит от М и напряженности Н. Начальные кривые продольной магнитострикции Я(Н) для различных магнитост-рикционных материалов приведены на рис. 1.13 существует два основных типа зависимости Я(Н). Первый включает кривые Я(Н) магнитострикционных материалов которые положительны или отрицательны во всем диапазоне изменения поля Н и возрастают монотонно с его увеличением (пермендюр, никель, альфер и Рис. 1.13 Кривые Х(Щ для различных магнитострикционных материалов т.д.). Другой тип включает кривые Л(Н) которые положительны в слабых полях, но после прохождения максимума в более сильных полях изменяют свой знак (железо) и наоборот (сплав 30% Со, 70% Ni, литой кобальт) [34]. В области технического намагничивания на величину магнитострикции и характер ее зависимости от Н оказывает существенное влияние текстура размагниченного состояния, то есть упорядоченное расположение доменов при Н равной нулю. Такая текстура может возникнуть в растянутом или сжатом образце, а также в результате некоторых технологических операций (штамповка, прокат, прессования, термомеханическая или термомагнитная обработка). Этим же обстоятельством объясняется тот факт, что у различных авторов технические характеристики материалов несколько расходятся в значениях. В табл. 1.2 приведены параметры наиболее широко используемых в технике и некоторых перспективных магнитострикционных материалов.
Условия возбуждения изгибных деформаций однородных магнитострикционных пластин
С точки зрения разработки эффективных конструкций ИУ (с учетом проведенной в первой главе систематизации конструктивных особенностей МСИУ) значительный интерес представляет вопрос оценки воздействия магнитного поля на однородную пластину, выполненную из магнитострикционного материала, с целью выявления возможностей ее изгибного деформирования. Рассматривая систему уравнений, описывающих упругое движение однородной пластины в автономной форме (2.25) - (2.27), при естественных граничных условиях (2.32)-(2.41), легко заметить, что изгибные деформации не связаны с линейными перемещениями точек пластины в нейтральной плоскости. Поэтому, именно анализ уравнения (2.27),с учетом граничных условий (2.36) - (2.41), и уравнений магнитного состояния (2.42) - (2.44) позволяет выявить возможности изгибного деформирования в результате воздействия магнитного поля. Линейные магнитострикционные деформации также могут вызвать изгиб однородной пластины, но только при вполне определенном виде граничных условий. Воспользуемся структурным представлением математических моделей распределенных систем для рассмотрения вышеназванной задачи. В последнее время такой подход успешно развивается применительно к исследованию распределенных систем различного типа [32,57,62] Следуя [63] запишем уравнение движения в виде где: D - открытая область в Г - мерном пространстве Е . Граничные условия записываются в виде: где: dD -граница области D . Начальные условия записываются в виде Здесь , Г , N - некоторые линейные операторы. Функции/ (х, у, t), g (х, у, t), q0 (х, у) считаются определенными. Систему (2.45) можно представить (рис. 2.2) в виде оператора R - распределенным блоком с выходом q (х, у, t) и входом / (х, у, t) . Найти передаточную функцию такого блока, применяя формально преобразование Лапласа нельзя, так как гра ничные условия (2.46) неоднородны, а на Рис. 2.2 чальные (2.47) не нулевые.
Однако, в [57] показано, что существует обобщенная функция линейно зависящая от/fx, у, t) , g (х, у, t) , q0 (х, у) , которая приводит задачу (2.45) - (2.47) к задаче с однородными граничными и нулевыми начальными условиями Функция я (х, У, t) называется стандартизирующей, а задача (2.48) - стандартной формой краевой задачи (рис. 2.3). LQ ,..., Lm-i - линейные операторы, стандартизирующие т Исчерпывающей ха по начальным условиям; Lm -стандартизирующий one- F ратор по граничным условиям рактеристикой задачи Рис. 2.3 в стандартной форме является функция Грина (или импульсная переходная функция) G(x, у, и, t,z). Если задача (2.45) - (2.47) или эквивалентная ей задача являются стационарными [63], то преобразование Лапласа по времени можно применить непосредственно к исходным уравнениям, в результате чего получаем У (ч(х,У,р)) = Ґ(х,У,р\ KyeD, рек у49 где: p- комплексный параметр. Оператор 2 получается в результате преобразования по Лапласу уравнения (2.45) с учетом начальных условий (2.47). Задача (2.49) является уже статической с параметром рек, где к - поле комплексных чисел. Она может быть, в свою очередь, приведена к стандартной форме вида Можно установить передаточную функцию W(x,y,%,v,p) исходной задачи (рис 2.4), которая является функцией Грина для задачи (2.49) или (2.50) с параметром рек. Она определяется как решения задачи q(x,y,p) распределенными параметрами разработаны и готовые таблицы [63] в ко Рис. 2.4 торых даны передаточные функции W(x,y,%,v,p) функции G(x,y4,u,p) Грина , стандартизирующие функции т (х,у,р), а также собственные функции Р к(х,у) И собственные числа ЛК ,так как с каждой краевой задачей типа связана некоторая система такие функций, которая по определению есть ее решение Ранее отмечалось, что МСИУ является двукратным преобразователем. Уравнения магнитной системы также представляют собой некоторую краевую задачу [64].
Целесообразнее эту часть преобразователя (МСИУ) конкретизировать при рассмотрении тех или иных схемных решений базовых конструкций различного назначения. Таким образом, любой МСИУ может быть представлен структурной схемой с параллельным, последовательным соединением некоторых типовых и частных распределенных блоков представленных передаточными функциями, наличием обратных связей [53]. Определение передаточных функций отдельных блоков производится в соответствии с уравнениями, описывающими те или иные (часто взаимосвязанные) процессы в МСИУ. Готовое решение часто можно подобрать в упомянутых таблицах [63]. Дальнейшее свертывание структурной схемы по известным правилам [57], позволяет найти искомую передаточную функцию МСИУ. Вернемся к вопросу о способах возбуждения изгибных деформаций однородной магнитострикционной пластины, полагая входным воздействуем соответствующие компоненты вектора индукции. Такай подход вполне правомерен, во-первых, так как именно с индукцией поля связаны реальные магнитострикционные напряжения (для ненасыщенных ферромагнетиков индукция равна намагниченности), во-вторых, он привлекает и самостоятельный интерес, вследствие развития методов коррекции МСИУ введением обратной связи по индукции магнитного поля [41], снижающих роль гисте-резисных явлений магнитного характера на точностные характеристики. Согласно (2.48) изгибные деформация не закрепленной пластины будут иметь место, если при отсутствии внешних сил не равна нулю стандартизирующая функция & (x,y,t)9 так как уравнению (2.27) при его приведении к стандартной форме с данными граничными условиями соответствует некоторая ненулевая функция Грина, или передаточная Функция.
Экспериментальное исследование МСИУ на основе магнитострикционных пластин
Величины входного тока и индукция образца контролируется с помощью амперметра ML20 кл.т. 0,2 и милливеберметра не показанных на схеме. Экспериментальная установка для снятия динамических характеристик представлена на (рис. 3.31) . Она включает часть предыдущей схемы образец 1, опоры 2, катушку намагничивания 3, регулируемый источник постоянного тока 4. Однако в качестве датчика 5 здесь использован индукционный преобразователь, построенный на базе магнитной системы динамической головки 6ГД-6. При подаче сигнала от генератора звуковой частоты 6 в одну секцию обмотки 3 (другая под ключена к блоку 4) в образце 1 возникают изгибные колебания которые воздействуют на легкий каркас 7, жестко связанный с измерительной обмоткой 8. Обмотка 8 является катушкой динамической головки. При этом для снижения влияния собственной упругости диффузор удален, а катушка фиксируется в пространстве лишь эластичной центрирующей шайбой. Каркас 7 закрепляется на образце по средством винта 9 и законтривается гайками. При колебаниях катушки в зазоре постоянного магнита 10 в ней наводится ЭДС которая регистрируется мульти-метром 12. Частота входного и выходного сигналов регистрируются частотомером 11 и двухлучевым осциллографом 13 типа С1-18. Тарировка измерительного тракта по амплитуде проводилась с помощью оптико-механического метода для кон-сольно закрепленного активного элемента. При этом на выходном конце одно Схема установки для динамических испытаний временно закреп магнитострикционных пластин лялась как изме рительная катушка так и отражательный элемент. На отражательный элемент подавался лазерный луч который затем падал на измерительную линейку. При подаче сигнала на вход установки были измерены как ЭДС катушки 8, так и размах колебаний пятна.
Контролировались также синусоидальность выходного сигнала и его частота. Тарировка (и в дальнейшем испытания) проводились на виброизолированном столе. Таким образом, размах колебаний пятна однозначно связанный с перемещением конца пластины 1 позволил оценить постоянную ки индукционного преобразователя. В заданном частотном диапазоне измерений 10-5000 Гц амплитуда магнито-стрикционных колебаний %т образца определяется выражением где U -действующее значение измеряемого напряжения,/- частота сигнала, ки -коэффициент передачи равный 2,273 ± 0,034 хЮ"1 мВ/Гц. Полученное выражение позволяет изучить АЧХ различных образцов магни-тострикционных пластин. В ходе эксперимента исследовались пластины (11 образцов) с двумя активными слоями, выполненных из сплава 49 К2Ф (пермендюра) и никеля НП2Т. Слои каждого образца имеют одинаковую толщину, так как модули Юнга материалов практически идентичны (находятся в пределах погрешности определения модулей составляющей 5%). Было изготовлено несколько образцов с различной суммарной толщиной. Параметры образцов приведены в ПРИЛОЖЕНИИ IV. Кроме того, проведены статические испытания однородной магнитострикционной пластины из пермендюра толщиной 0,95x10" м предварительно нагруженной упругими напряжениями. Такой режим в статике и динамике исследовался также для двухслойных образцов. Упругие напряжения создавались пружинным элементом, действующим по нормали в центре пластины. Все активные элементы были снабжены поперечной планкой, установленной в центре через роликовые подшипники, к которой закреплялись как датчик, так и пружина. Для унификации эксперимента все исследуемые образцы представляют со-бой пластину длиной 9,0x10" м, шириной 2.0x10" м с окном (для укладки при не-обходимости , обмоток ) имеющим высоту 7,6x10 м и ширину 8,0x10" м. Таким образом при установке на опорах 2 активная длина L пластины одинаковы и рав-ны 8,5x10" м. Рабочая ширина Ь составляет 1,2x10" м. Толщины пластины Zn различны. Основные испытания проведены для образцов: №2 Z/T=1,61X10 3M; №3 Z#=1,73X10-3M; №5 Ztf=l,94xlO 3M;. С целью снятия внутренних напряжений и достижения нормируемых свойств, магнитострикционные пластины подвергались обжигу в вакууме с остаточным давлением не более 10" Па. Режимы термообработки различных сплавов приведены в [86]. Многослойные образцы в дальнейшем подвергались сборке. Отдельные пластины склеивались бутварноформальдегидным клеем БФ-2 или эпоксидным клеем типа ЭДП и выдерживались в специальных направляющих с обжатием при последующей термообработки. Перед склеиванием поверхности очищались от жира и влаги с помощью эфира и этилового спирта. Все это позволило получить надежный клеевой шов при минимальной его толщине (порядка 2-ь5 х10"5 м). Качество склейки проверялось механическим путем с помощью поперечного нагру-жения пластин и контролировалось по величине жесткости и восстановлению их формы. При хорошем соединении жесткость соответствовала расчетной величине (на базе эквивалентной однородной пластины), а остаточный прогиб не превышал 0,5% от максимального прогиба в проводимых испытаниях при напряжении соответствующих (0,3 -0,4) От - предела текучести наиболее пластичного материала структуры. Более надежное сцепление было получено при использовании клея ЭДП с соответствующей термообработкой.
МСИУ - движители угловых перемещений юстировочных узлов
При подключении обмотки 5 к источнику постоянного тока возникает магнитное поле и в слоях пластины 3 и 4 в направлении легкого намагничивания возникает намагниченность и связанные с ней магнитострикционные деформации, которые имеют одинаковую величину, при этом происходит скручивание элемента и (в случае материала с положительным коэффициентом магнитострикции) угол АА свободного конца пластины переместится в сторону от наблюдателя, а угол ВВ переместится на такое же расстояние в сторону к наблюдателю и перемещаемый объект 6 повернется на некоторый угол вокруг продольной оси. Наибольший диапазон перемещений достигается, когда направления легкого намагничивания расположены под углом 45 к оси элемента, и если перемещаемый объект закреплен как можно ближе к углам свободного конца пластины. Поворот нагрузки 6 происходит без смещения в поперечной плоскости. Минимальные перемещения вдоль оси элемента устраняются при изменении направления легкого намагничивания до величины углов соответствующих деформациям чистого сдвига (см. рис. 1.12). Нечетность характеристики МСИУ обеспечивается исходной поляризацией слоев МП. МСИУ такого типа обладает хорошими эксплуатационными и точностными характеристиками. На рис.4.10 схематично представлено МСИУ с хорошей несущей способностью, и приемлемой точностью осуществления микроперемещений [78,101]. Устройство содержит (4.10 а, б) закрепленный на основании 1 кожух 2 с обмоткой намагничивания 3, причем обмотка может располагаться и на активном магнитострикционном элементе, выполненным в виде двух одинаковых продольно и поперечно неоднородных магнитострикционных пластин, содержащих слои (элементы) из магнитострикционного материала 4,5 и 6,7. При этом элементы 4,7 выполнены из материала с положительным коэффициентом магнитострикции, а 5,6 -из материала с отрицательным коэффициентом магнитострикции. Выходные концы жестко связаны между собой. К центру устройства прикреплена нагрузка 8.
Для усиления конструкции рис.4.10 МСИУ угловых перемещений с ИУ может содержать несущую про- продольно неоднородной МП дольно однородную пластину 9. В ва рианте исполнения (4.11 в) роль несущей пластины выполняет слой из материала с отрицательным коэффициентом магнитострикции 5. При подключений обмотки намагничивания 3 к источнику постоянного тока слои 4,5,6,7 структуры вследствие линейного магнитострикционного эффекта изменяют свою длину, при этом слои 4,7 - удлиняются, 5,6 - укорачиваются, пластина изгибается и ее центр совершает угловое перемещение. Методика расчета таких МСИУ опирается на выбор конструктивных параметров по выражению для коэффициента передачи базовой конструкции (по выражениям 3.41, 3.69), но с удвоенной величиной параметра Ъ и для активной длины в два раза меньше активной длины элемента Величину углового пере мещения нагрузки - A3 можно ре гулировать изменением тока в обмотке 3. Применение в движителе продольно неоднородной пластины позволяет избежать паразитного смещения A3, свойственного консольно установленным ИУ. На рис. 4.11 приведено МСИУ построенное на основе однородных МП [102] в соответствии с условиями (2.61) рассмотренными во второй главе. Рис.4.11 МСИУ на основе крутильной деформации активного элемента Устройство содержит кон-сольно закрепленный на основании 1 активный элемент, собранный из отдельных магнитострик-ционных пластин 2. Пластины со единены между собой боковыми ребрами 2а 2к под одним углом друг к другу. Обмотка продольного намагничивания За охватывает элемент по всей длине и подключена к источнику тока 3.
Другой источник тока 4 подключен к торцам активного элемента. К свободному концу магнитострикционного элемента прикреплено кольцо 5, суммирующее угловые перемещения пластин, и соединяющее перемещаемый объект с устройством. При подключении обмоток к источникам тока 4 и 3 в пластине создается комбинированное магнитное поле. Продольная составляющая создается источником 3, а поперечная - источником 4. В пластине возникает намагниченность и связанные с ней магнитострикционные деформации, которые имеют одинаковую величину и происходит скручивание пластин. Деформация пластин суммируется в кольце 5 и объект 6 прикрепленный к этому кольцу, получает угловое перемещение. Таким образом, данное МСИУ является более жестким по конструкции и помехоустойчивым, а значит более точно выполняет перемещение A3, особенно при значительной массе последнего. Привод обладает хорошей нагрузочной способностью и большим диапазоном перемещений, применение которого в схеме карданного подвеса представляется целесообразным. Такое МСИУ превосходит известные конструкции устройств угловых перемещений на эффекте Видемана по материалоемкости [103-105] и по диапазону перемещений. Здесь (в отличие от устройств с трубчатым активным элементом), при увеличении поперечных габаритов, растет и жесткость и перемещение. Однако инженерный расчет конструкций по (рис. 4.9) и (рис.4.11) требует применения многомерного подхода при определении прогиба пластин с "нестандартными" условиями закрепления. Аналитическое решение здесь не возможно и необходимо использовать численные методы расчета. Для данных перспективных конструкций требуется проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований на базе модели МП, полученной во второй главе.
