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基于柔性鉸鏈的橋式微位移機(jī)構(gòu)特性探析
全柔性機(jī)構(gòu)是一種新型機(jī)構(gòu)，通過采用免安裝、無間隙和無摩擦的設(shè)計(jì)方式可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)甚至納米級(jí)的高精度。為了達(dá)到精密運(yùn)到的目的，全柔性機(jī)構(gòu)多采用高精度的微位移驅(qū)動(dòng)器。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是近年來應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，且不發(fā)熱、無噪聲。然而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)通常要采用微位移放大機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)構(gòu)主要有杠桿原理放大機(jī)構(gòu)和橋式放大機(jī)構(gòu)。
基于杠桿原理的微位移放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、功效比高，理論上可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出的線性關(guān)系，但是其一級(jí)放大倍數(shù)是有限的，復(fù)合式杠桿放大機(jī)構(gòu)體積較大、放大比失真嚴(yán)重。
而根據(jù)三角放大原理設(shè)計(jì)的橋式放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工以及具有較高的放大倍數(shù)等特點(diǎn)，近些年來得到了廣泛的關(guān)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(duì)橋式放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；馬洪文等人采用彈性梁理論分析了微位移橋式放大機(jī)構(gòu)的放大比等特性。N. Lobontiu等人基于應(yīng)變能原理與卡氏第二定理推導(dǎo)了橋式放大機(jī)構(gòu)的位移和剛度計(jì)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(yīng)力模型。本文采用解析法建立了橋式放大機(jī)構(gòu)的變形公式，在所建模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了橋式放大機(jī)構(gòu)的剛度、放大比等特性，采用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
1 橋式放大機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型
柔性橋式微位移放大機(jī)構(gòu)是在一塊金屬材料上采用線切割技術(shù)整體加工而成。為了保證良好的導(dǎo)向性能，橋式微位移放大機(jī)構(gòu)通常設(shè)計(jì)成全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并要求其在運(yùn)動(dòng)方向上具有良好的靈敏度，同時(shí)在整體上還應(yīng)具備一定的剛度。橋式微位移放大機(jī)構(gòu)采用全對(duì)稱設(shè)計(jì)，其由4 個(gè)柔性支鏈組成，因此對(duì)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)特性的分析可以簡(jiǎn)化為對(duì)其柔性支鏈的特性分析，柔性支鏈的數(shù)學(xué)模型。
為便于分析，作如下假設(shè):
1)除柔性鉸鏈外，柔性機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)是全對(duì)稱的；
4)柔性鉸鏈的變形是線彈性的，且彈性變形相對(duì)較小。
2 有限元仿真
為驗(yàn)證上述理論模型的有效性，對(duì)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是必要的。因?yàn)樵谒Ｐ徒咏鎸?shí)模型的前提下，有限元計(jì)算的結(jié)果可被認(rèn)為是一種相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。
本文利用商用軟件ANSYS11.0 對(duì)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)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(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。F=60N 時(shí)，橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的有限元仿真結(jié)果。
當(dāng)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度一定時(shí)，其位移放大比主要取決于柔性鉸鏈的間距l(xiāng)y，柔性鉸鏈間距l(xiāng)y 對(duì)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)性能參數(shù)影響的理論計(jì)算與有限元仿真結(jié)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(jié)論：
1）橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的X 軸輸出位移與柔性鉸鏈間距l(xiāng)y 的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系；
2）橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的Y 軸輸出位移隨柔性鉸鏈間距l(xiāng)y 的增大而正大，基本保持線性關(guān)系；
3）當(dāng)柔性鉸鏈間距l(xiāng)y 的逐漸增大時(shí)，橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的位移放大比先增大后減小；
4）輸出位移放大比和誤差分析表明，減小柔性鉸鏈的間距l(xiāng)y，可以實(shí)現(xiàn)位移放大比的增大，但當(dāng)ly 過小時(shí)，放大比會(huì)急劇降低；
5）該結(jié)構(gòu)形式的橋式微位移放大機(jī)構(gòu)理論上可以實(shí)現(xiàn)40 倍以上的位移放大功能，但由于輸出位移放大的同時(shí)，誤差也會(huì)被放大，因此，在設(shè)計(jì)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的時(shí)候，放大比不宜過大。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
采用中走絲電火花數(shù)控線切割機(jī)床加工橋式微位移放大機(jī)構(gòu)。材料選擇65Mn，柔性鉸鏈的間距l(xiāng)y＝3.0(mm)。
壓200V，標(biāo)稱位移為65μm，回零誤差≤0.05μm。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源為CETC 第26 研究所的DWY-3 型微位移器驅(qū)動(dòng)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(cè)裝置為日本KEYENCE 公司的LK-30 型激光位移傳感器，測(cè)量范圍為±5mm，分辨率為F.S.*±0.05%，重復(fù)精度為0.05μm，采樣頻率可高達(dá)50KHz。
4 結(jié)論
本文主要分析了橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，利用對(duì)稱性建立了數(shù)學(xué)模型，并采用彈性梁理論推導(dǎo)了橋式微位移放大機(jī)構(gòu)的位移輸出公式，進(jìn)而可以得到其位移放大比公式；采用有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析并與理論模型進(jìn)行比較，重點(diǎn)分析了柔性鉸鏈間距l(xiāng)y的不同尺寸參數(shù)對(duì)橋式微位移放大機(jī)構(gòu)位移放大比的影響；最后設(shè)計(jì)加工了一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣件，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)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(jī)構(gòu)的特性，從而實(shí)驗(yàn)對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其綜合性能等方面提供了較為重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
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