【正文】 直徑，以減小氣隙，氣隙體積越大，系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)換效率越低；線圈的長度應(yīng)略大于GMM棒的長度（～ 倍），使GMM棒處在較均勻磁場中；，根據(jù) ，確定線圈的內(nèi)徑為22mm，長度為165mm。GMM棒的橫截面積是由執(zhí)行器的最大輸出力要求決定,由式(2)得出: （32）式中：Fmin—最大工作位移處的輸出力要求；σ0預(yù)壓應(yīng)力；EyB—楊氏模量；其中=65μm,λs=1100106ppm,δ=,σ0=,EyB=1010Pa,帶入上式得到lT=119mm,取GMM棒的長度為150mm，,取21mm,所以選用150Ф21的超磁致伸縮棒。Terfeno1．D是稀土超磁致伸縮材料(GMM)的典型代表，作為一種新型高效磁(電)能一種機械(聲)能轉(zhuǎn)換材料，相比普通的磁致伸縮材料(如鎳Ni)和壓電材料等其他材料，具有大應(yīng)變、強力和高功率密度及高精度、快速響應(yīng)和高可靠性等優(yōu)點，本次設(shè)計GMM 材料選擇目前性價比較高的TerfenolD，GMM棒為圓棒。但預(yù)加壓應(yīng)力過大，磁致伸縮率會減小，由于預(yù)壓應(yīng)力過大，在同等的磁場強度下，磁疇無法克服壓應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致磁致伸縮率減小，當預(yù)壓應(yīng)力增大到GMM 無法伸長時，這時GMM處在機械夾持（固持）狀態(tài)，由圖32可得。由圖32 可知，對GMM 棒沿軸向施加一定大小的預(yù)壓應(yīng)力，在外磁場激勵下，可獲得更大的磁致伸縮。采用預(yù)壓彈簧的方案結(jié)構(gòu)非常簡單,但不能調(diào)節(jié)預(yù)壓應(yīng)力的大小，采用彈簧加螺母(或螺釘)的方案也很容易實現(xiàn),并且可方便地調(diào)節(jié)預(yù)壓應(yīng)力的大小,故此種結(jié)構(gòu)較多被采用。 預(yù)壓力的設(shè)計GMM抗拉強度低（約28MPa，而抗壓強度可達700Mpa），脆性大，為避免在工作時承受拉應(yīng)力，應(yīng)對GMM 棒預(yù)先加載一個預(yù)壓應(yīng)力；另外施加預(yù)壓力可顯著提高低磁場下的磁致伸縮（圖32）；預(yù)壓力裝置有多種形式，如液壓式、氣動式、稧形加力機構(gòu)和加力螺釘?shù)?，預(yù)壓力裝置的重要參數(shù)包括裝置的剛度常量、可調(diào)壓力的范圍等，當然還包括裝置的尺寸、調(diào)節(jié)的方便性等，一般都希望預(yù)壓力裝置的剛度常量越小越好，因為它對GMA 總的有效剛度影響越小，液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)的剛度常量都很小，液壓系統(tǒng)還可以提供很大的壓力調(diào)節(jié)范圍，但是系統(tǒng)復(fù)雜，質(zhì)量大，氣動系統(tǒng)質(zhì)量可以做的很小，但壓力調(diào)節(jié)范圍有限。本次設(shè)計只要求滿足位移的匹配，設(shè)計的超磁致伸縮執(zhí)行器輸出位移為65181。⑵若控制精度要求高,允許的溫升較小,則須在超磁致伸縮驅(qū)動器中引入熱變形控制機構(gòu)。超磁致伸縮驅(qū)動器的位移輸出達到m級但有些應(yīng)用場合要求有更大的行程,而另一些應(yīng)用場合則要求有很高的位移分辨率，利用相應(yīng)的微位移變換機構(gòu)與超磁致伸縮驅(qū)動器配套可解決位移匹配的問題，本次設(shè)計為了達到更大的輸出位移，就采用了一種新型的位移放大機構(gòu)，具體介紹在第4章。超磁致伸縮棒在交變磁場作用下會出現(xiàn)明顯的渦流和磁滯損耗,產(chǎn)生熱量,同時線圈的電阻在通過電流時也產(chǎn)生熱量,這都將導(dǎo)致超磁致伸縮棒的溫升和熱變形。另一方面,超磁致伸縮棒一般需借助輸出桿對外作功,應(yīng)保證輸出桿和超磁致伸縮棒的緊密接觸,以實現(xiàn)自動回縮并避免回程中出現(xiàn)松脫,因此設(shè)計超磁致伸縮驅(qū)動器時必須給超磁致伸縮棒兩端預(yù)加一定的壓應(yīng)力,使它始終處于受壓工作狀態(tài)，此外,軸向預(yù)壓力可使超磁致伸縮棒內(nèi)部的磁疇在零磁場強度時盡可能地沿著與軸向垂直的方向排列,一旦施加驅(qū)動磁場即可獲得較大的軸向磁致伸縮應(yīng)變；同時預(yù)壓應(yīng)力對磁機耦合系數(shù)和場耦合系數(shù)也有影響,適當大小的預(yù)壓應(yīng)力可以大幅提高超磁致伸縮驅(qū)動器的能量轉(zhuǎn)換效率。圖31 超磁致伸縮驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖 GMA的工作原理超磁致伸縮驅(qū)動器是利用超磁致伸縮棒的軸向線磁致伸縮效應(yīng)設(shè)計制作的,它由交變磁場驅(qū)動，驅(qū)動磁場由交流線圈產(chǎn)生的交變磁場和永久磁鐵或直流線圈產(chǎn)生的偏置磁場疊加而成，當輸入一定頻率的交流電流時,超磁致伸縮棒在驅(qū)動磁場的作用下按某一響應(yīng)頻率發(fā)生相應(yīng)伸縮變形，可通過控制輸入的電流來控制超磁致伸縮驅(qū)動器的輸出力和位移。 超磁致伸縮驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)超磁致伸縮驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)如圖31所示,它包括超磁致伸縮棒、直流線圈(或永磁體)、交流線圈、預(yù)壓應(yīng)力機構(gòu)、輸出機構(gòu)和外套筒與端蓋等。④運轉(zhuǎn)能力(最高速度、最大行程)普通小型驅(qū)動器的速度較低和行程較小，但TerfenolD線性馬達可獲得lm/s的極限速度和無限的行程。即壓電陶瓷的預(yù)極化在室溫自然退極化，溫度升高加速其退極化，而且居里溫度(Tc)較低；稀土超磁致伸縮材料不發(fā)生疲勞退化，偏磁場不隨時間和溫度改變，Tc較高，工作溫度較寬，壓電陶瓷對工作頻率要求較嚴，而頻率波動對磁致伸縮性能的影響小。 ② 控性(高速響應(yīng)和精確定位)稀土超磁致伸縮材料響應(yīng)速度極高，性能重復(fù)性好，換能器結(jié)構(gòu)簡單，消除了常規(guī)系統(tǒng)中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滯后，最佳可達納米級，響應(yīng)僅取決于驅(qū)動線圈的勵磁時間，一般小于lms，最快可以達10μm。針對這些問題目前己提出了一些解決方法并付諸實施，如為了控制線圈發(fā)熱導(dǎo)致磁致伸縮棒膨脹而影響納米、埃米級超精密定位精度，研制了用在棒與螺線管之間的恒溫水冷卻管，℃，系統(tǒng)位移效率高于90%.對于渦流效應(yīng)，可采用多層絕緣薄片粘結(jié)成棒形，減小渦損，料器件的性能優(yōu)勢：① 能量轉(zhuǎn)換能力(位移、力、功率、效率)稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)變和功率高于其他材料。制造卜藝復(fù)雜，成本較高。稀土超磁致伸縮材料也存在若干缺點，如由于其電阻率低，會產(chǎn)生渦流損耗導(dǎo)致高頻特性差；抗拉強度低，不能承受較大的拉力。⑧具有Villari效應(yīng)，即逆磁致伸縮現(xiàn)象。也可用于高頻環(huán)境，如超聲加工，超聲診斷等。這有利于磁致伸縮量的準確控制，可用于精密磨床給進和閥門控制,精度可達納米級?？捎糜谥本€馬達的快速行進，利用這一特性，既可以用作機械功率源如聲發(fā)射源，也可以用作力傳感器如聲接收器。可用來制作大功率超聲激振源，用于工程地質(zhì)勘探和超聲加工及聲納系統(tǒng)。在外加預(yù)應(yīng)力時，在低磁場下材料的磁致伸縮隨磁場產(chǎn)生“跳躍”式增加，其磁化率也隨之變化，這一效應(yīng)對于實際應(yīng)用具有重要意義。比壓電陶瓷(PZT)高6～30倍，這使其稱為實現(xiàn)電磁機械能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)異的功能材料。這也是稀土超磁致伸縮材料得到迅速發(fā)展的主要原因。在室溫下其磁致伸縮系數(shù)比傳統(tǒng)材料高數(shù)百倍。與傳統(tǒng)超磁致伸縮材料相比，稀土材料有以下優(yōu)點:①磁致伸縮系數(shù)高。我國于90年代前后開始研究TbDyFe晶體磁致伸縮材料，目前已有多家單位生產(chǎn)GMM，如包頭稀土研究院、北京有色金屬研究院、中科院物理所等，一些民營企業(yè)也開始從事GMM的生產(chǎn)，如甘肅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。自70年代中期以來，GMM研究的重點在材料的制備工藝以及各材料成分對其性能的影響，以盡早實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。一般鐵磁體的磁致伸縮變形相當小，約為106量級，與熱膨脹系數(shù)差不多，因此雖然早在19世紀人類就發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮現(xiàn)象，但并未引起廣泛的應(yīng)用。鐵磁和亞鐵磁材料在磁場中磁化狀態(tài)改變時，會引起尺寸或體積的微小變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，也稱焦耳效應(yīng)。本文的超磁致伸縮執(zhí)行器就是利用超磁致伸縮材料的特性所設(shè)計。目前智能材料結(jié)構(gòu)引起了人們的廣泛關(guān)注，為微機械的研究開辟了新途徑?？梢?，智能材料結(jié)構(gòu)和制造是不可分割的，它不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，其模糊了結(jié)構(gòu)與功能的明顯界限，趨向于結(jié)構(gòu)功能化和功能多樣化。MEMS的研究和開發(fā)正得到世界各發(fā)達國家的廣泛重視，尤其是集微機械、微電子等綜合技術(shù)為一體的微機器人，由于其在工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事和科研等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而倍受青睞，隨著智能材料與結(jié)構(gòu)研究日益深入，將智能材料用于微機械、微機器人實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的微型化、智能化以及功能的集成化，已經(jīng)成為微機器及微機器人研究的一個主要發(fā)展趨勢。如上海冶金研究所研制出直徑為400μm的多晶硅齒輪、氣動渦輪和微靜電電機等。如美國貝爾實驗室開發(fā)出直徑為400μm的齒輪，加州大學(xué)伯克利分校試制出直徑為60μm的靜電電機，直徑為50μm的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以及齒輪驅(qū)動的滑塊和靈敏彈簧，美國斯坦福大學(xué)研制出直徑20μm，長度150μm的鉸鏈連桿機構(gòu)，210μm100μm的滑塊機構(gòu)，轉(zhuǎn)子直徑200μm的靜電電機和流量為20ml/min的液體泵，日本東京大學(xué)工業(yè)研究院研制成1cm3大小的爬坡微型機械裝置。微機械發(fā)展很快，近幾年，已成功開發(fā)出微驅(qū)動器、微傳感器、微控制器等，并由這些不同的微機械器件集成許多具有精巧功能的集成機構(gòu)IM（Integrated Mechansim）。微機械是基于廣泛的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，并作為整個微/納米科學(xué)技術(shù)的重要組成部分的一項嶄新研究課題。此外該系統(tǒng)還具有噴射頻率高、適用膠液廣和清洗方便等優(yōu)點，噴膠系統(tǒng)工藝控制的不斷擴展,其結(jié)果必然是使用戶得到更低的成本,更高的良品率。這種非接觸式的噴射系統(tǒng)在對倒裝芯片進行底部填充時避免了底部膠液與引線接觸,避免了損壞引線。如圖28所示,本系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)包括噴射器、柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)和超磁致伸縮執(zhí)行器3個部分。柔性鉸鏈是近年來發(fā)展起來的一種新型的傳動、支撐機構(gòu)，具有常規(guī)運動副無可比擬的運動平穩(wěn)、無需潤滑、零遲滯、高精度、無裝配誤差等優(yōu)點，能夠滿足位移放大，同時能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的精密定位，所以本次設(shè)計中再加入了一種位移放大結(jié)構(gòu)(見圖26），設(shè)計出了一種新型的噴射系統(tǒng)。圖25 超磁致伸縮執(zhí)行器隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 目前越來越多的伺服系統(tǒng)中要求使用高壓、大流量、高響應(yīng)的伺服閥。超磁致伸縮材料就是一種新型的電(磁)─—機械能轉(zhuǎn)換材料,具有在室溫下應(yīng)變量λ大,能量密度高,響應(yīng)速度快等特性。系統(tǒng)采用最新的“噴射( jetting)”技術(shù),用噴嘴替代筒,則可以解決上述難題；與傳統(tǒng)的針頭式點膠技術(shù)相比,噴射式點膠具有速度高、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點。點膠系統(tǒng)在使用過程中,必須密切注意此類器件的液態(tài)底部填充過程,希望底部填充過程時間盡可能短,并盡量保證整個過程準確無誤。(b)拉絲原理——高速黏度太高圖23膠水黏度與滴膠及拉絲的相關(guān)性原理圖24 膠水黏度amp。而觸變指數(shù)正是低速黏度與高速黏度的比值，它反映了膠水的可點滴性能，滴膠及拉絲原理參照圖23，一般建議觸變指數(shù)大于3，否則易出現(xiàn)如圖24所示的拉絲現(xiàn)象。圖22 膠點的大小和噴嘴頭的大小及點膠時間的關(guān)系(3)膠水溫度的控制：一般環(huán)氧樹脂膠水應(yīng)保存在0～20℃的冰箱中，使用時應(yīng)提前1h拿出，使膠水充分與工作溫度相符合，膠水的使用溫度應(yīng)為23℃～25℃；環(huán)境溫度對膠水的黏度影響很大，溫度過低則膠點會變小，出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象；環(huán)境溫度相差5℃，會造成50％點膠量變化，因而對于環(huán)境溫度應(yīng)加以控制，有砦設(shè)備如Asymtek DJ一900自帶熱電偶，可以通過程序來設(shè)定點膠溫度以避免外界環(huán)競的影響。圖21金線彎曲量與膠點的大小和點膠高度關(guān)系(1)膠點的大小與點膠高度的控制：膠點太大易造成膠溢出、膠量過多、金線彎曲或損傷現(xiàn)象；膠點太小則會出現(xiàn)點膠斷續(xù)現(xiàn)象、漏點，從而造成缺陷，金線彎曲量與膠點的大小和點膠高度關(guān)系見圖21。(2)質(zhì)量和可靠性：高點膠精度，較小的浸濕范圍、圓形均勻的滴涂點、提高了膠水涂抹密封效果；另外無接觸試噴膠無芯片刮傷的現(xiàn)象、無滴液現(xiàn)象、無引線損傷現(xiàn)象，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性；(3)成本及良品率：消耗部件極易快速地進行清洗、且使用壽命長成本較低，同時良品率達99．9％以上；(4)靈活性及應(yīng)用范圍：多種形式的應(yīng)用，底部填充、表面涂料及包封、芯片沾貼，圍堰狹小空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部的噴膠。 噴射式點膠技術(shù)的優(yōu)點通過針頭式點膠技術(shù)和無接觸噴射式點膠技術(shù)在MEMS麥克風封裝巾的相上￡比較，表22 兩種點膠技術(shù)比較成本開發(fā)周期工藝參數(shù)復(fù)雜性可靠性生產(chǎn)力良品率應(yīng)用范圍針頭式點膠系統(tǒng)高長復(fù)雜低高高表面噴涂/底部填充噴射式點膠系統(tǒng)低短一般較高很高很高表面噴涂/底部填充/狹小空間涂膠筆者認為噴射技術(shù)具有很多優(yōu)越性，具體表現(xiàn)在速度、質(zhì)量、成本及應(yīng)用范圍上，兩種點膠技術(shù)的比較參照表格22。Jetting噴嘴可在需要進行底部填允的器件上方進行點膠，無需到達其頂面以下的位置，也稱為無接觸噴射式點膠技術(shù)。 無接觸噴射式點膠技術(shù)面對著封裝微型化的發(fā)展趨勢的挑站，Asymtek率先及時提出一種稱為“噴射(jetting)”的點膠技術(shù)。同時，針筒式點膠系統(tǒng)需要精確的高度傳感器來決定針頭相對于電路板各個器件的高度Z，然后通過編程控制針頭在電路板上的三維X、Y、z運動，避免與器件產(chǎn)生碰撞。 第2章 新型微量膠液噴射系統(tǒng)早期的液態(tài)點膠過程是通過針頭式點膠系統(tǒng)來實現(xiàn)的，在采用針頭式點膠系統(tǒng)的過程中，針頭必須離器件很近。手工點膠具有操作復(fù)雜、 速度慢、精確度低、容易出錯，而且無法進行復(fù)雜圖形的操作，更無法實現(xiàn)生產(chǎn)自動化等缺點，市場上要求一種速度快， 圖15 全自動點膠機器人效率高，精度高的設(shè)備，因此就出現(xiàn)了全自動點膠機器人。傳統(tǒng)的點膠是靠工人手工操作的。目前從事這些單組份設(shè)備的生產(chǎn)和研究的廠家也比較多，市場競爭逐漸激烈，不過可以挖掘的空間還是十分之大。在普通的點膠機，如一些點膠控制器，國內(nèi)的模仿技術(shù)已經(jīng)很成熟，市場競爭十分激烈，價格一落千丈，甚至幾佰的機器都已經(jīng)出現(xiàn)，但是國內(nèi)的點膠機普遍存在精度不高，打膠不夠穩(wěn)定現(xiàn)象，一些高科技行業(yè)，說到選購點膠機，肯定只能找世界品牌，所以，在高精度這塊，有待各位有志之士進一步努力呀，當市場競爭激烈，唯有質(zhì)量和服務(wù)能夠讓自己脫穎而出。 點膠機的發(fā)展