基于柔性鉸鏈的橋式微位移機構特性探析

基于柔性鉸鏈的橋式微位移機構特性探析

　　全柔性機構是一種新型機構，通過采用免安裝、無間隙和無摩擦的設計方式可實現微米級甚至納米級的高精度。為了達到精密運到的目的，全柔性機構多采用高精度的微位移驅動器。壓電陶瓷驅動器是近年來應用越來越廣泛的新型微位移器件，它具有體積小、出力大、分辨率和頻響高的優點，且不發熱、無噪聲。然而壓電陶瓷驅動器的輸出位移僅限制在在幾微米到幾十微米范圍，因此全柔性機構通常要采用微位移放大機構來實現對壓電陶瓷輸出位移的放大和傳遞。
　　目前，常用的微位移放大機構主要有杠桿原理放大機構和橋式放大機構。
　　基于杠桿原理的微位移放大機構結構簡單、剛性好、功效比高，理論上可以實現輸入輸出的線性關系，但是其一級放大倍數是有限的，復合式杠桿放大機構體積較大、放大比失真嚴重。
　　而根據三角放大原理設計的橋式放大機構具有結構緊湊、易于加工以及具有較高的放大倍數等特點，近些年來得到了廣泛的關注。
　　Jun Hyung Kim等人采用矩陣法建立了柔性鉸鏈的剛度矩陣并對橋式放大機構進行了優化設計；馬洪文等人采用彈性梁理論分析了微位移橋式放大機構的放大比等特性。N. Lobontiu等人基于應變能原理與卡氏第二定理推導了橋式放大機構的位移和剛度計算公式。張兆成等人采用了偽剛體模型和卡氏第二定理研究了橋式柔性鉸鏈的剛度和應力模型。本文采用解析法建立了橋式放大機構的變形公式，在所建模型的基礎上，進一步分析了橋式放大機構的剛度、放大比等特性，采用ANSYS 軟件進行仿真，并設計了相關的驗證實驗。

　　1 橋式放大機構數學模型

　　柔性橋式微位移放大機構是在一塊金屬材料上采用線切割技術整體加工而成。為了保證良好的導向性能，橋式微位移放大機構通常設計成全對稱結構，并要求其在運動方向上具有良好的靈敏度，同時在整體上還應具備一定的剛度。橋式微位移放大機構采用全對稱設計，其由4 個柔性支鏈組成，因此對橋式微位移放大機構特性的分析可以簡化為對其柔性支鏈的特性分析，柔性支鏈的數學模型。
　　為便于分析，作如下假設:
　　1)除柔性鉸鏈外，柔性機構的其他部分均為剛體；
　　2)材料為均勻的各向同性材料；
　　3)柔性橋式微位移放大機構是全對稱的；
　　4)柔性鉸鏈的變形是線彈性的，且彈性變形相對較小。

　　2 有限元仿真

　　為驗證上述理論模型的有效性，對橋式微位移放大機構進行有限元分析是必要的。因為在所建模型接近真實模型的前提下，有限元計算的結果可被認為是一種相對準確的結果。
　　本文利用商用軟件ANSYS11.0 對橋式微位移放大機構進行有限元建模與分析。有限元仿真的條件為：使用Solid45 單元建立模型，用掃掠法對網格進行劃分。F=60N 時，橋式微位移放大機構的有限元仿真結果。
　　當橋式微位移放大機構的長度一定時，其位移放大比主要取決于柔性鉸鏈的間距ly，柔性鉸鏈間距ly 對橋式微位移放大機構性能參數影響的理論計算與有限元仿真結果，通過理論值與有限元仿真值的分析比較可以得出如下的結論：
　　1）橋式微位移放大機構的X 軸輸出位移與柔性鉸鏈間距ly 的關系呈指數關系；
　　2）橋式微位移放大機構的Y 軸輸出位移隨柔性鉸鏈間距ly 的增大而正大，基本保持線性關系；
　　3）當柔性鉸鏈間距ly 的逐漸增大時，橋式微位移放大機構的位移放大比先增大后減��；
　　4）輸出位移放大比和誤差分析表明，減小柔性鉸鏈的間距ly，可以實現位移放大比的增大，但當ly 過小時，放大比會急劇降低；
　　5）該結構形式的橋式微位移放大機構理論上可以實現40 倍以上的位移放大功能，但由于輸出位移放大的同時，誤差也會被放大，因此，在設計橋式微位移放大機構的時候，放大比不宜過大。

　　3 試驗驗證

　　采用中走絲電火花數控線切割機床加工橋式微位移放大機構。材料選擇65Mn，柔性鉸鏈的間距ly＝3.0(mm)。
　　壓200V，標稱位移為65μm，回零誤差≤0.05μm。壓電陶瓷驅動電源為CETC 第26 研究所的DWY-3 型微位移器驅動電源，電源輸入電壓為220VAC，外部輸入電壓為0~5V，輸出電壓為0~300VDC，輸出電壓紋波＜50mv，分辨率為0.1V。微位移檢測裝置為日本KEYENCE 公司的LK-30 型激光位移傳感器，測量范圍為±5mm，分辨率為F.S.*±0.05%，重復精度為0.05μm，采樣頻率可高達50KHz。

　　4 結論

　　本文主要分析了橋式微位移放大機構的運動學特性，利用對稱性建立了數學模型，并采用彈性梁理論推導了橋式微位移放大機構的位移輸出公式，進而可以得到其位移放大比公式；采用有限元分析軟件進行仿真分析并與理論模型進行比較，重點分析了柔性鉸鏈間距ly的不同尺寸參數對橋式微位移放大機構位移放大比的影響；最后設計加工了一個實驗樣件，通過實驗對比驗證了理論模型的可行性。這些工作為深入研究大位移全柔性微位移機構的特性，從而實驗對其機械結構的優化設計，提高其綜合性能等方面提供了較為重要的理論意義和實用價值。

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