江曉陽(yáng),陳定方

(武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所,湖北 武漢 430063)

超磁致伸縮致動(dòng)器是利用超磁致伸縮材料在外部磁場(chǎng)變化時(shí)發(fā)生伸縮形變特性而制作的一種新型精密致動(dòng)器,具有低電壓驅(qū)動(dòng)、位移分辨率高等優(yōu)點(diǎn),在精密加工領(lǐng)域已顯示出良好的應(yīng)用前景[1].雖然超磁致伸縮材料的伸縮應(yīng)變比較大,但其位移輸出相對(duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍很小,一般只有幾十μ m.在實(shí)際的工程應(yīng)用中,有些應(yīng)用場(chǎng)合要求有更大的位移,因此,在大位移的應(yīng)用場(chǎng)合,需要位移放大機(jī)構(gòu)與其配合.

柔性鉸鏈?zhǔn)且环N新型機(jī)械傳動(dòng)和支撐機(jī)構(gòu),用于提供繞軸做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移.它是利用材料可逆的彈性變形來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或傳遞能量,具有無(wú)空回、無(wú)摩擦、無(wú)間隙、無(wú)噪聲、無(wú)磨損、空間尺寸小、運(yùn)動(dòng)靈敏度高等特點(diǎn),特別適合應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)器件中[2].常見(jiàn)的柔性鉸鏈有圓弧型和直梁型2種.圓弧型柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)精度較高,但轉(zhuǎn)動(dòng)范圍相對(duì)較小;直梁型柔性鉸鏈有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,但運(yùn)動(dòng)精度較差;而倒角型柔性鉸鏈兼顧運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)范圍的優(yōu)勢(shì)[3-4].本文設(shè)計(jì)了一種基于倒角型柔性鉸鏈的差動(dòng)式位移放大機(jī)構(gòu),并分析了其性能.

1 差動(dòng)式杠桿放大原理

差動(dòng)式杠桿放大根據(jù)輸入的方向可以分為同向驅(qū)動(dòng)和反向驅(qū)動(dòng)2種,其原理如圖1所示.采用差動(dòng)式杠桿放大,可以在有效的空間尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的放大倍數(shù).

假定輸入位移為δin,根據(jù)杠桿原理,則經(jīng)過(guò)放大后的輸出位移

理論放大倍數(shù)

2 位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

位移放大機(jī)構(gòu)各柔性鉸鏈為倒角型結(jié)構(gòu),依靠鉸鏈微轉(zhuǎn)動(dòng)變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和位移的放大(圖2).該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):1)該機(jī)構(gòu)采用差動(dòng)式杠桿放大原理實(shí)現(xiàn)位移放大,方法和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,空間尺寸小;2)該機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu),具有較高的整體剛性,輸入位移可通過(guò)左右2條放大鏈向輸出端進(jìn)行傳遞,理論上可以完全消除機(jī)構(gòu)的側(cè)向附加位移,有效地減小了機(jī)構(gòu)自身的縱向耦合位移誤差;3)一體化結(jié)構(gòu)易于加工,避免了裝配誤差.根據(jù)式(2)可以求得該機(jī)構(gòu)的理論放大倍數(shù)A=11.25.

圖2 位移放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 位移放大機(jī)構(gòu)的有限元分析

當(dāng)超磁致驅(qū)動(dòng)器通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)輸出位移時(shí),由于位移放大機(jī)構(gòu)采用全柔性結(jié)構(gòu),各桿件的彈性變形、柔性鉸鏈的軸向變形以及內(nèi)反力均會(huì)造成能量損耗,超磁致驅(qū)動(dòng)器做的功并沒(méi)有全部輸出,所以位移放大機(jī)構(gòu)的實(shí)際放大倍數(shù)比理論放大倍數(shù)小[5].為保證所設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)正確可靠地工作,需要對(duì)位移放大機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、放大倍數(shù)和動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行分析,而有限元法是一種有效分析方法.

3.1 位移放大機(jī)構(gòu)有限元模型

在軟件ANSYS10.0中,根據(jù)位移放大機(jī)構(gòu)幾何模型,采用實(shí)體單元Solid95進(jìn)行建模,有限元模型見(jiàn)圖3.位移放大機(jī)構(gòu)材料為60Si2Mn,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3.劃分網(wǎng)格后有42208個(gè)單元和107474個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖3 位移放大機(jī)構(gòu)的有限元模型

3.2 位移放大機(jī)構(gòu)靜態(tài)分析

本文針對(duì)的超磁致驅(qū)動(dòng)器最大輸出位移為0.05 mm,計(jì)算位移放大機(jī)構(gòu)在不同輸入下的放大倍數(shù)和強(qiáng)度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.當(dāng)位移放大機(jī)構(gòu)的輸入位移δin=0.05 mm時(shí)應(yīng)力最大,最大應(yīng)力σmax=575 MPa<885 MPa,滿(mǎn)足強(qiáng)度要求.在無(wú)負(fù)載情況下,輸入位移與輸出位移關(guān)系曲線如圖4所示.位移放大機(jī)構(gòu)在不同輸入作用下的放大倍數(shù)比較穩(wěn)定,輸出位移線性度較好.但與理論放大倍數(shù)比較,實(shí)際放大倍數(shù)只有理論放大倍數(shù)的60%,說(shuō)明位移損失比較大.

表1 不同輸入位移下的輸出位移和放大倍數(shù)

圖4 輸入位移與輸出位移關(guān)系曲線

當(dāng)放大機(jī)構(gòu)的輸入位移為0.05 mm時(shí),分析不同載荷下的放大倍數(shù)和強(qiáng)度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,負(fù)載與放大倍數(shù)關(guān)系如圖5所示.分析結(jié)果表明,位移放大機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)隨負(fù)載增多而減小.

表2 不同負(fù)載下的輸出位移和放大倍數(shù)

圖5 負(fù)載與放大倍數(shù)關(guān)系曲線

3.3 位移放大機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

系統(tǒng)固有頻率是評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)內(nèi)在特性的重要指標(biāo),它對(duì)系統(tǒng)控制和機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)都有著重要的意義.由于位移放大機(jī)構(gòu)的固有頻率是它承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),所以對(duì)放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析具有重要的意義.ANSYS提供了強(qiáng)大的模態(tài)分析功能,計(jì)算出位移放大機(jī)構(gòu)的前6階固有頻率如表3所示,前6階振型如圖6所示.

表3 模態(tài)分析結(jié)果

圖6 位移放大機(jī)構(gòu)振型

4 結(jié)束語(yǔ)

為了擴(kuò)展超磁致驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍,滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要,本文結(jié)合差動(dòng)式杠桿放大原理和柔性鉸鏈,設(shè)計(jì)了一種位移放大機(jī)構(gòu),并采用有限元方法進(jìn)行仿真分析.該放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易加工、空間尺寸小、放大倍數(shù)大、輸出線性度大、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)實(shí)現(xiàn)大行程的超磁致驅(qū)動(dòng)具有重要的指導(dǎo)性意義,并且在精密工程中具有廣泛的應(yīng)用前景.

[1]盧全國(guó),陳定方,鐘毓寧等.超磁致伸縮致動(dòng)器熱變形影響及溫控研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2007,18(1):15-19.

[2]吳鷹飛,周兆英.柔性鉸鏈的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程,2002,13(18):1615-1618.

[3]Nicolae Lobontiu,Jeffrey SN Paine.Ephrahim Garcia Corner-filleted flexure hinges[J].Journal of Mechanical Design,Transactions of the ASM E,2001,123(9):346-352.

[4]成立峰,余躍慶,王雯靜.橢圓形柔性鉸鏈的頻率特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009,26(2):52-53.

[5]于靖軍,畢樹(shù)生,宗光華.全柔性微位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào),2004,25(1):74-78.