超磁致伸縮微位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計與性能研究

劉旭輝，宋浩然，吳雁，胡慧娜，徐彬，蒲美玲

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.上海赫緣機(jī)電科技有限公司，上海 201104)

0 前言

隨著近年來高精度高端制造等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，精密測量、高精度設(shè)備、航空航天制造等對微制動的要求越來越高，迫切需求能實現(xiàn)大行程與高精度的驅(qū)動裝置。利用超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material ，GMM)研制的超磁致伸縮驅(qū)動器(GMA)，通過外加電流可控制其輸出位移，響應(yīng)快、精度高。但在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，需要對其輸出位移進(jìn)一步放大才能滿足正常使用需求。

柔性鉸鏈?zhǔn)椒糯髾C(jī)構(gòu)具有放大效率高、整體負(fù)載性好、運動穩(wěn)定等優(yōu)點，在微位移驅(qū)動裝置上被廣泛應(yīng)用。華順明等對比了不同放大機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點，得出柔性鉸鏈?zhǔn)椒糯髾C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、再現(xiàn)性好。虞啟凱等根據(jù)壓電驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計出一種基于柔性鉸鏈的微旋轉(zhuǎn)平臺，通過理論與仿真驗證了該平臺設(shè)計誤差較小，具有較好的應(yīng)用價值； QIU等研制出傾斜折疊的彎曲鉸鏈，通過折疊彎曲單元實現(xiàn)可變剛度的目的。

基于前期驅(qū)動器研制，設(shè)計一種微位移放大機(jī)構(gòu)，用于放大超磁致伸縮驅(qū)動裝置的輸出位移。通過理論計算分析放大機(jī)構(gòu)的位移放大效果和整體靜剛度；建立三維模型，并利用有限元仿真，驗證機(jī)構(gòu)正確性；通過實驗測試系統(tǒng)，進(jìn)一步對設(shè)計的放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行實驗驗證。

1 杠桿式柔性微位移放大機(jī)構(gòu)

1.1 柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)選擇

按照連接處切口形狀，柔性鉸鏈分為直圓形、橢圓形、復(fù)合多軸等。直圓切口形柔性鉸鏈加工簡易，在位移放大過程中位移損失量小，較為符合GMA驅(qū)動環(huán)境下位移的輸出。綜合考慮，文中選用直圓切口形柔性鉸鏈，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 直圓型柔性鉸鏈

在理論計算時，不考慮鉸鏈最小厚度和切口半徑實際加工誤差。將柔性鉸鏈左端固定，在力以及力矩的作用下，鉸鏈右端將產(chǎn)生變形，設(shè)轉(zhuǎn)角變形量為，則柔性鉸鏈在平面內(nèi)繞軸的轉(zhuǎn)角剛度為

(1)

其中:

(2)

=

(3)

式中:為彈性模量。計算得出的轉(zhuǎn)角剛度將用于計算所設(shè)計的放大機(jī)構(gòu)整體靜剛度。

1.2 放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

位移放大機(jī)構(gòu)采用對稱杠桿式結(jié)構(gòu)，圖2所示為放大機(jī)構(gòu)的1/2結(jié)構(gòu)圖。理想情況下輸入位移經(jīng)放大桿件2進(jìn)行放大后，從輸出桿件3處輸出。在實際運動過程中，柔性鉸鏈在轉(zhuǎn)動時還會受到拉壓力作用產(chǎn)生一部分的位置偏移，從而影響放大機(jī)構(gòu)的位移放大比。因此，在理論計算整體剛度時需考慮這一部分的變形。

圖2 微位移放大機(jī)構(gòu)1/2模型(a)及實物(b)

2 微位移放大機(jī)構(gòu)特性分析

2.1 放大機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動特性分析

放大機(jī)構(gòu)的幾何原理如圖3所示，包括輸入位移、輸出位移、輸入力臂、杠桿放大臂、輸出力臂等。、分別為、與水平線的夾角，為轉(zhuǎn)動后的與垂直方向上的夾角。對轉(zhuǎn)動的鉸鏈進(jìn)行編號，根據(jù)杠桿原理，放大機(jī)構(gòu)的理論放大倍數(shù)為=。

圖3 放大機(jī)構(gòu)幾何原理

通過幾何原理，得出與比例因子以及之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系，如圖4所示。其中，=/。

圖4 α/ks與輸出力臂轉(zhuǎn)角的關(guān)系

根據(jù)圖4及數(shù)據(jù)集，對在(3.0,5.0)內(nèi)變化時，與變換的關(guān)系進(jìn)行計算。發(fā)現(xiàn)位于(03°,10°)內(nèi)時，兩者具有良好的線性關(guān)系，當(dāng)<03°時，<5，因此可將近似取為0。由此可得關(guān)系式：

(4)

2.2 放大機(jī)構(gòu)靜態(tài)整體剛度計算

在工作過程中放大機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生彈性形變，GMA輸入位移會有一部分被機(jī)構(gòu)本身吸收，由于機(jī)構(gòu)自身存在一定剛度，會造成一部分的結(jié)構(gòu)反力，導(dǎo)致輸出力的損失。因此,需對靜剛度等進(jìn)行計算，分析其輸出性能。

GMA在輸入端輸入驅(qū)動力，產(chǎn)生輸出位移Δ，各個鉸鏈發(fā)生角位移后，忽略拉伸變形量，設(shè)第處柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度為、角位移為、柔性鉸鏈儲存的彈性勢能為，設(shè)驅(qū)動力所做功為，根據(jù)功能原理有：

(5)

在實際工作中角位移足夠小，則近似運算如式(6)所示，可得放大機(jī)構(gòu)在方向上的靜剛度如式(7)所示：

≈tan=Δ

(6)

(7)

3 放大機(jī)構(gòu)有限元仿真

利用Creo/E創(chuàng)建三維模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元仿真。放大機(jī)構(gòu)設(shè)計材料選擇Al7075，其彈性模量為71.9 GPa、泊松比為0.33、許用應(yīng)力為270 MPa，設(shè)計參數(shù)如表1所示，切割的圓角半徑由于加工誤差設(shè)置為1.2 mm。

表1 放大機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù) 單位：mm

通過代入表1中數(shù)據(jù)計算可以得出，放大機(jī)構(gòu)理論放大比=5.42，將數(shù)據(jù)代入公式(1)、(7)可得整體靜剛度=1.32 N/μm。

圖5所示為GMA輸入位移為60 μm時放大機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果?？芍悍糯髾C(jī)構(gòu)的輸出位移達(dá)到315.61 μm，放大比為5.26；在整個放大過程中，機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為182.54 MPa<[]=270 MPa，故放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計正確，其運動中最大應(yīng)力出現(xiàn)在和連接的柔性鉸鏈處。

圖5 輸入位移yin=60 μm時的仿真結(jié)果

放大機(jī)構(gòu)整體靜剛度、放大比的理論值與仿真結(jié)果對比如表2所示?？芍核O(shè)計的放大機(jī)構(gòu)整體靜剛度誤差為6.45%、放大比誤差為3.04%，誤差合理，證明了所設(shè)計放大機(jī)構(gòu)的模型正確性。

表2 放大機(jī)構(gòu)整體靜剛度與放大比的理論值與仿真結(jié)果對比

4 微位移放大機(jī)構(gòu)性能實驗

微位移放大機(jī)構(gòu)整體安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，通過緊固螺釘將固定支架5固定。

圖6 整體裝置安裝結(jié)構(gòu)

柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)通過激光切割A(yù)l7075整體成型。安裝時，放大機(jī)構(gòu)兩側(cè)通過固定片連接在兩側(cè)支柱上，利用支架將傳感器側(cè)頭豎直接觸放大機(jī)構(gòu)輸出端，確保測頭與放大機(jī)構(gòu)在一條基準(zhǔn)線上，傳感器位移精度可達(dá)0.1 μm。實物安裝與測試平臺如圖7所示。

圖7 實物安裝與測試平臺

調(diào)節(jié)激勵電流改變放大機(jī)構(gòu)的輸入位移，可得出在不同預(yù)壓力下的輸出位移，如圖8所示?？芍侯A(yù)壓力為100 N時，整個裝置輸出位移較為穩(wěn)定。

圖8 電流-輸出位移

圖9所示為柔性鉸鏈放大裝置在GMA預(yù)壓力100 N下性能測試的結(jié)果。

圖9 預(yù)壓力100 N下輸出性能

由圖9(a)可知：機(jī)構(gòu)的整體靜剛度為1.29 N/μm，與理論值誤差為2.32%。根據(jù)圖9(b)得出放大比為5.32，誤差為1.87%，均在5%以內(nèi)。結(jié)果表明：所設(shè)計的放大機(jī)構(gòu)整體靜剛度較好，位移損失較小。造成誤差的原因是計算時僅考慮柔性鉸鏈的切口變形，忽略了其余結(jié)構(gòu)如力臂的變形，設(shè)備安裝也存在一定偏差。

5 結(jié)論

在特殊工作情況下為放大超磁致伸縮驅(qū)動器的輸出位移，設(shè)計了一種基于柔性鉸鏈的超磁致伸縮微位移放大機(jī)構(gòu)，對其位移放大比、等效靜剛度進(jìn)行了理論、仿真分析，并搭建了實驗測試平臺研究放大機(jī)構(gòu)的輸出性能。結(jié)果表明：所設(shè)計的放大機(jī)構(gòu)在100 N預(yù)壓力下輸出能力最好，位移損失量較少，輸出效率高，有效放大比達(dá)到5.32，誤差均在合理范圍內(nèi)。研究結(jié)果為大行程超磁致伸縮驅(qū)動裝置的研制提供了參考。