压电驱动六自由度指向平台的力电耦合分析

发布时间：2022-02-21 06:26

　　在高精度微调机构的研究中,面临的是一个包括多个部件、刚性与柔性并存、综合的力学-电学问题,对于机构的高精度微调指向性能以及后续的控制研究中,需要建立并得到整个系统的输入与输出的关系,即压电驱动器的输入电压和微调机构的指向关系。采用压电六自由度并联机构作为平台,基于压电材料的力电耦合理论,在考虑力电耦合效应、位移放大机构的弹性变形的影响下,提出并建立了平台的全系统解析和数值预测方法,其中分别包括了整个平台系统的部件级和系统级的分析理论及数值模拟方法。计算结果表明,所提出的解析和数值方法能够对此类六自由度平台的运动进行预测,通过压电驱动器的输入电压得到最终的平台输出姿态,这对高精度微调机构的设计提供了新的研究手段和重要指导依据。 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

六自由度平台位移云图表3平动状态下支腿位移的理论值

?ABAQUS中，压电材料的本构方程使用e-form形式[16]，如下所示=EijijklklkijkσcεeEiiklklikkDeEε=ε+λ(1)式中，ijc为压电材料的弹性常数；ijσ表示应力分量；klε表示应变分量；iD表示电位移分量；kE表示电场强度；ikελ表示介电常数。1.2结果与讨论压电陶瓷堆栈尺寸分别为：a=b=7mm，c=62mm，由三维8节点线性压电实体单元C3D8E进行划分，对其在施加150V电压的条件下的刚度和位移分别进行了计算，计算结果如图2所示，并将结果与试验值[15]进行比较，如表1所示。图2压电陶瓷堆栈有限元计算表1计算结果技术参数试验值计算值相对误差(%)刚度/(N/μm)20.021.68.0位移/μm99.099.72.1由表1可以看到，所采用的等效计算能够较好地预测实现结果，因此利用有限元进行压电材料的力电耦合建模与仿真能够描述其电致应变的行为。2压电堆驱动位移放大机构的建模与仿真2.1研究对象与研究方法压电堆位移放大机构由NAC2014-H62型压电堆和菱形位移放大机构组成，放大机构材料采用65Mn弹簧钢。同样，在本节的研究中，为了简化，用各向同性材料的等效压电陶瓷模型来对堆栈结构进行等效计算。压电堆和位移放大机构之间为刚性连接。其中压电堆在电压的激励下在轴向方向产生位移，以此作为整个放大机构的位移激励，其工作

压U与输出位移Bu之间的解析式。2.2结果与讨论压电堆驱动位移放大机构斜边长度L=24mm，如图4所示，斜边角度θ=7.5°，E=200GPa，b=7mm，t=2mm，菱形框架的横向刚度ink=71×10N/m，压电堆的刚度pk=72×10N/m，d=76.6510×m/V。图4压电驱动位移放大机构同样，压电堆由三维8节点线性压电实体单元C3D8E进行划分，对其在施加150V电压的条件下位移放大机构的位移进行了计算，并与式(6)的理论值进行对比，计算结果如图5和表2所示。图5压电驱动位移放大机构计算表2计算结果参数理论值/mm仿真值/mm相对误差(%)A点位移6.65×10–26.60×10–20.8B点位移0.330.323.0放大系数5.044.853.8由表2可以看到，本文所建立的解析表达式能够

【参考文献】：
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本文编号：3636681