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        基于SR 機(jī)構(gòu)的微位移平臺(tái)的設(shè)計(jì)及有限元分析*

        2021-11-08 10:10:58許澤宇沈劍英何安康
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年30期
        關(guān)鍵詞:微動(dòng)鉸鏈驅(qū)動(dòng)器

        許澤宇,沈劍英,來 榕,何安康

        (嘉興學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

        精密微位移技術(shù)在精密加工[1]、原子力顯微鏡[2]、精密移測(cè)量[3]、仿生科技[4]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,壓電式精密位移平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)微位移的重要裝置,它由壓電微位移驅(qū)動(dòng)器來產(chǎn)生位移,由于該位移很小,所以還需柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)來放大壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移。

        本文設(shè)計(jì)了一種壓電式二維微位移平臺(tái),采用SR機(jī)構(gòu)來放大壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移。

        1 二維微位移平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        圖1 是設(shè)計(jì)的壓電式二維微位移平臺(tái),中間正方形部分是微動(dòng)臺(tái),四周部分為這個(gè)微位移平臺(tái)的基座,基座與連桿LG1 之間是x 方向的SR 機(jī)構(gòu),基座與連桿LG4 之間是y 方向的SR 機(jī)構(gòu),SR 機(jī)構(gòu)用來放大壓驅(qū)動(dòng)器的輸出位移。連桿LG2、LG7 和連桿LG4、LG8對(duì)稱布置,組成微動(dòng)臺(tái)沿x 方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu);連桿LG1、LG5 和連桿LG3、LG6 對(duì)稱布置,組成微動(dòng)臺(tái)沿y方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

        圖1 二維微位移平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖

        可見,微動(dòng)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)x、y 方向的微位移,在這兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)微位移的過程完全一樣,每個(gè)方向都有一個(gè)SK 機(jī)構(gòu)來放大壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移。下面以y方向的微位移說明,柔性鉸鏈A 是平臺(tái)的位移輸入點(diǎn),柔性鉸鏈B 是SR 機(jī)構(gòu)位移輸出點(diǎn),SR 機(jī)構(gòu)通過連桿LG4 推動(dòng)微動(dòng)臺(tái)沿y 方向運(yùn)動(dòng),所以,SR 機(jī)構(gòu)的輸出位移就是微動(dòng)臺(tái)的位移。微動(dòng)臺(tái)中的柔性鉸鏈都有一樣的結(jié)構(gòu),見圖2。

        圖2 柔性鉸鏈

        2 SR 機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)

        如圖3 是SR 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖,圖中l(wèi)=25mm,q=8mm,由文獻(xiàn)[5]得SR 機(jī)構(gòu)理論上的放大倍數(shù)是:假設(shè)壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移是Δ,則SR 放大機(jī)構(gòu)的理論輸出位移是y=λΔ。

        圖3 SR 機(jī)構(gòu)示意圖

        3 有限元分析

        SolidWorks 是一套機(jī)械設(shè)計(jì)的三維軟件,采用用戶熟悉的圖形界面,操作方便、簡(jiǎn)單容易學(xué),廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車和航空領(lǐng)域。SolidWorks Simulation 是一個(gè)與SolidWorks 完全集成的有限元分析系統(tǒng),能為分析人員提供系統(tǒng)及部件級(jí)分析、多領(lǐng)域的全面分析、多場(chǎng)耦合分析,并能適應(yīng)特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求。

        為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案,采用SolidWorks 中的simulation 模塊進(jìn)行有限元分析。分析步驟如下:

        (1)建立微位移平臺(tái)的實(shí)體模型,見圖4;平臺(tái)材料為普通碳鋼,最大極限應(yīng)力為220MPa,彈性模量為200GPa。

        圖4 微位移平臺(tái)實(shí)體模型

        (2)使用“夾具”功能對(duì)平臺(tái)的四個(gè)安裝孔位進(jìn)行固定,限制位移,見圖5。

        (3)對(duì)平臺(tái)劃分網(wǎng)格,采用標(biāo)線性四面體單元,見圖6,單元數(shù)為1639464 個(gè),節(jié)點(diǎn)為2348782 個(gè)。

        圖6 網(wǎng)格圖

        (4)加載及得到位移和應(yīng)力,根據(jù)實(shí)際工作情況,分為三種方式:

        a. 僅在x 方向加載(圖7),微動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生y 方向的位移及應(yīng)力,如圖8 所示。

        圖7 僅在x 方向加載

        圖8 僅在x 方向加載的位移及應(yīng)力

        b. 僅在y 方向加載,微動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生x 方向的位移及應(yīng)力,如圖9 所示。

        圖9 僅在y 方向加載的位移及應(yīng)力

        c. 在x、y 方向同時(shí)加載,微動(dòng)臺(tái)在x、y 方向同時(shí)產(chǎn)生位移及應(yīng)力,如圖10 所示。

        圖10 x、y 方向同時(shí)加載的位移及應(yīng)力

        (5)計(jì)算微動(dòng)臺(tái)的放大倍數(shù)

        為了與理論計(jì)算對(duì)比,設(shè)定加載力分別為50N、100N、400N;以僅在x 方向加載為例計(jì)算,根據(jù)圖1 的標(biāo)注,取點(diǎn)1、2 在x 方向上位移的平均值作為平臺(tái)的初始位移,取微動(dòng)臺(tái)四個(gè)頂點(diǎn)3、4、5、6 在y方向上位移的平均值作為微動(dòng)臺(tái)的位移值,見表1。然后計(jì)算二者的比值,得到微動(dòng)臺(tái)有限元分析結(jié)果的放大倍數(shù)為2.23。這個(gè)結(jié)果小于理論值,存在誤差的原因:SR 機(jī)構(gòu)的輸出位移通過連桿LG4 傳遞給微動(dòng)臺(tái),它兩端的柔性鉸鏈沿軸向受壓產(chǎn)生位移損失。

        表1 平臺(tái)有限元分析的結(jié)果

        當(dāng)加載力F=400N 時(shí),最大應(yīng)力接近材料的極限應(yīng)力,而此時(shí)的輸出位移為66μm,這個(gè)數(shù)值可以看作平臺(tái)的最大位移值。

        4 加工后的微動(dòng)合實(shí)物

        根據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸,在一塊鋼板上采用數(shù)控電火花線切割機(jī)床進(jìn)行加工,再在鉆床上加工四個(gè)安裝孔,如圖11 所示。

        圖11 微動(dòng)臺(tái)實(shí)物

        加工用的是數(shù)控中走絲線切割機(jī)床,它結(jié)合自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)而設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化產(chǎn)品,該機(jī)床將一根鉬絲作為電極,利用高頻脈沖電源,對(duì)工件進(jìn)行放電,在高溫、高壓下金屬發(fā)生溶化或氣化,從而達(dá)到加工的目的。

        5 結(jié)束語

        文章設(shè)計(jì)了一個(gè)壓電式二維微位移平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)x、y 方向的微位移,并采用SR 機(jī)構(gòu)來放大壓電驅(qū)動(dòng)器的初始位移。用SolidWorks 軟件中的simulation 模塊進(jìn)行有限元分析,由于柔性鉸鏈沿軸向受壓產(chǎn)生位移損失,有限元分析結(jié)果說明SR 機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)小于理論計(jì)算值。

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