基于GMA柔性换向放大机构的结构设计与优化
发布时间：2021-09-01 06:01
设计了一种以超磁致伸缩驱动器（GMA）为驱动单元,以杠杆式柔性铰链进行位移换向放大的微位移传递机构。根据弹性力学理论,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出柔性换向放大机构的放大比和固有频率表达式,运用Matlab软件优化分析柔性铰链的切割半径R和最小厚度t等几何参数,获得了柔性铰链几何参数的最优值,并对优化后的结果进行有限元分析,最后,将仿真结果与理论分析结果进行了对比。研究结果表明,理论分析与有限元分析验证了理论模型的正确性,实现了机构放大倍数高、位移换向呈直线输出的设计目标。
【文章来源】：机械传动. 2019,43(10)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
杠杆式柔性换向放大机构2（b）柔性换向放大机构
中心偏移量的基础上，建立了柔性换向放大机构的静、动力学模型；在理论分析基础上，获得柔性铰链结构参数对柔性换向放大机构静、动特性的影响；建立了优化目标函数，对柔性铰链的结构参数进行优化设计；最后，运用有限元分析方法对整个柔性机构进行了仿真验证。1杠杆式柔性铰链换向放大机构1.1柔性铰链柔性铰链是可逆弹性支撑结构，具有结构紧凑、无间隙、无摩擦、运动灵敏性高等优点[11-12]。在诸多柔性铰链中，直圆弧型柔性铰链运动精度高，易于加工，因此被广泛使用。其基本结构如图1所示。其中，柔性铰链的几何参数为：宽度B；最小厚度t；切割半径R；高度h。假设柔性铰链的右端为相对固定端，则柔性铰链左端的转角变形为α，拉压变形为Δ。柔性铰链在受到绕z轴力矩Mz作用下的转角刚度为[13]kM=Mzα=EBR212f1（1）其中，f1=2s3(6s2+4s+1)(2s+1)(4s+1)2+12s4(2s+1)(4s+1)5/2arctan4s+1（2）s=Rt（3）式中，E为材料的弹性模量；s为柔性铰链的切割半径R与最小厚度t的比值。柔性铰链在沿着x轴方向的力Fx的作用下，其拉压刚度为kF=FxΔ=EBf2（4）其中，f2=2(2s+1)4s+1arctan4s+1-π2（5）式中，Δ为柔性铰链的轴向拉压变形量。1.2换向放大机构模型图2（a）所示为一种杠杆式柔性换向放大机构结构图，该柔性换向放大机构由超磁致伸缩驱动器驱动，采用的直圆弧型柔性铰链结构参数均相同，整体结构对称设计，提高了机构的整体刚度，有效避免了横向位移损?
动2019年杠杆机构进行分析。在运动过程中，设作用在柔性铰链i上的力矩和x向轴向力分别为Mi和Fi，则柔性铰链i的转角和轴向变形量分别为αi和Δi，杠杆k的转角为θk，柔性铰链的转角和杠杆转角满足：α1=α2=θ1，α3=θ1－θ2，α4=θ1+θ2，α5=θ3。图3所示为第一级杠杆换向放大机构的受力变形图，该机构起到了位移换向与放大的作用，杠杆绕着柔性铰链2的旋转中心转动，根据力学平衡条件，可得F1+F3-F2=0（6）F1l1-M1-M2-F3l2-M3=0（7）图3第一级杠杆换向放大机构图设超磁致伸缩驱动器的输出位移为yin，柔性铰链1在驱动器的作用下，其轴向受压而产生轴向压缩量为Δ1；同时，柔性铰链2的旋转中心会发生偏移，偏移量为Δ2。由分析可知，第一级杠杆换向放大机构的输入位移为y1为y1=yin-Δ1（8）第一级杠杆换向放大机构的转角θ1为θ1=y1-Δ2l1（9）第一级杠杆换向放大机构的输出位移y3为y3=l2θ1-Δ2（10）图4所示为中间传递杆受力分析图，对微位移进行传递，由力学平衡条件可得F4-F3=0（11）M3-M4=0（12）图5所示为第二级杠杆放大机构的受力变形图，对位移进行二次放大，该杠杆绕着柔性铰链5的旋转中心转动，根据力学平衡条件，可得F5-F4=0（13）M5-F4l3+M4=0（14）在第一级杠杆换向放大机构拉力的作用下?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三角形和杠杆原理的柔性铰链放大机构[J]. 唐刚,邹鹏君,谢高杨,胡敏,徐斌,李志彪. 机械设计与研究. 2018(03)
[2]二级杠杆柔性铰链复合结构的双足压电直线电机[J]. 钟相强,黄卫清,张轩,孙梦馨,卢倩. 光学精密工程. 2018(01)
[3]超磁致伸缩驱动偏转放大机构[J]. 张冲,周春桂,范君健. 机械传动. 2018(01)
[4]新型双臂菱形压电柔性机构理论设计与建模[J]. 蒋州,曹军义,凌明祥,曾明华,林京. 中国机械工程. 2017(21)
[5]双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试[J]. 赵荣丽,陈新,李克天. 光学精密工程. 2015(10)
[6]基于田口方法的柔性铰链柔度稳健优化设计[J]. 伍建军,万良琪,吴事浪,聂鹏飞,吴佳伟. 工程设计学报. 2015(03)
[7]柔性机构及其应用研究进展[J]. 于靖军,郝广波,陈贵敏,毕树生. 机械工程学报. 2015(13)
[8]柔性微位移放大机构的结构特征分析与改进设计[J]. 刘庆玲. 机械设计. 2014(08)
[9]柔性铰链微定位平台的设计[J]. 马立,谢炜,刘波,孙立宁. 光学精密工程. 2014(02)
[10]压电陶瓷驱动器杠杆式柔性铰链机构放大率计算方法[J]. 沈剑英,张海军,赵云. 农业机械学报. 2013(09)
博士论文
[1]基于GMA的二自由度精密微定位平台及控制系统研究[D]. 喻曹丰.安徽理工大学 2017
本文编号：3376409
【文章来源】：机械传动. 2019,43(10)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
杠杆式柔性换向放大机构2（b）柔性换向放大机构
中心偏移量的基础上，建立了柔性换向放大机构的静、动力学模型；在理论分析基础上，获得柔性铰链结构参数对柔性换向放大机构静、动特性的影响；建立了优化目标函数，对柔性铰链的结构参数进行优化设计；最后，运用有限元分析方法对整个柔性机构进行了仿真验证。1杠杆式柔性铰链换向放大机构1.1柔性铰链柔性铰链是可逆弹性支撑结构，具有结构紧凑、无间隙、无摩擦、运动灵敏性高等优点[11-12]。在诸多柔性铰链中，直圆弧型柔性铰链运动精度高，易于加工，因此被广泛使用。其基本结构如图1所示。其中，柔性铰链的几何参数为：宽度B；最小厚度t；切割半径R；高度h。假设柔性铰链的右端为相对固定端，则柔性铰链左端的转角变形为α，拉压变形为Δ。柔性铰链在受到绕z轴力矩Mz作用下的转角刚度为[13]kM=Mzα=EBR212f1（1）其中，f1=2s3(6s2+4s+1)(2s+1)(4s+1)2+12s4(2s+1)(4s+1)5/2arctan4s+1（2）s=Rt（3）式中，E为材料的弹性模量；s为柔性铰链的切割半径R与最小厚度t的比值。柔性铰链在沿着x轴方向的力Fx的作用下，其拉压刚度为kF=FxΔ=EBf2（4）其中，f2=2(2s+1)4s+1arctan4s+1-π2（5）式中，Δ为柔性铰链的轴向拉压变形量。1.2换向放大机构模型图2（a）所示为一种杠杆式柔性换向放大机构结构图，该柔性换向放大机构由超磁致伸缩驱动器驱动，采用的直圆弧型柔性铰链结构参数均相同，整体结构对称设计，提高了机构的整体刚度，有效避免了横向位移损?
动2019年杠杆机构进行分析。在运动过程中，设作用在柔性铰链i上的力矩和x向轴向力分别为Mi和Fi，则柔性铰链i的转角和轴向变形量分别为αi和Δi，杠杆k的转角为θk，柔性铰链的转角和杠杆转角满足：α1=α2=θ1，α3=θ1－θ2，α4=θ1+θ2，α5=θ3。图3所示为第一级杠杆换向放大机构的受力变形图，该机构起到了位移换向与放大的作用，杠杆绕着柔性铰链2的旋转中心转动，根据力学平衡条件，可得F1+F3-F2=0（6）F1l1-M1-M2-F3l2-M3=0（7）图3第一级杠杆换向放大机构图设超磁致伸缩驱动器的输出位移为yin，柔性铰链1在驱动器的作用下，其轴向受压而产生轴向压缩量为Δ1；同时，柔性铰链2的旋转中心会发生偏移，偏移量为Δ2。由分析可知，第一级杠杆换向放大机构的输入位移为y1为y1=yin-Δ1（8）第一级杠杆换向放大机构的转角θ1为θ1=y1-Δ2l1（9）第一级杠杆换向放大机构的输出位移y3为y3=l2θ1-Δ2（10）图4所示为中间传递杆受力分析图，对微位移进行传递，由力学平衡条件可得F4-F3=0（11）M3-M4=0（12）图5所示为第二级杠杆放大机构的受力变形图，对位移进行二次放大，该杠杆绕着柔性铰链5的旋转中心转动，根据力学平衡条件，可得F5-F4=0（13）M5-F4l3+M4=0（14）在第一级杠杆换向放大机构拉力的作用下?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三角形和杠杆原理的柔性铰链放大机构[J]. 唐刚,邹鹏君,谢高杨,胡敏,徐斌,李志彪. 机械设计与研究. 2018(03)
[2]二级杠杆柔性铰链复合结构的双足压电直线电机[J]. 钟相强,黄卫清,张轩,孙梦馨,卢倩. 光学精密工程. 2018(01)
[3]超磁致伸缩驱动偏转放大机构[J]. 张冲,周春桂,范君健. 机械传动. 2018(01)
[4]新型双臂菱形压电柔性机构理论设计与建模[J]. 蒋州,曹军义,凌明祥,曾明华,林京. 中国机械工程. 2017(21)
[5]双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试[J]. 赵荣丽,陈新,李克天. 光学精密工程. 2015(10)
[6]基于田口方法的柔性铰链柔度稳健优化设计[J]. 伍建军,万良琪,吴事浪,聂鹏飞,吴佳伟. 工程设计学报. 2015(03)
[7]柔性机构及其应用研究进展[J]. 于靖军,郝广波,陈贵敏,毕树生. 机械工程学报. 2015(13)
[8]柔性微位移放大机构的结构特征分析与改进设计[J]. 刘庆玲. 机械设计. 2014(08)
[9]柔性铰链微定位平台的设计[J]. 马立,谢炜,刘波,孙立宁. 光学精密工程. 2014(02)
[10]压电陶瓷驱动器杠杆式柔性铰链机构放大率计算方法[J]. 沈剑英,张海军,赵云. 农业机械学报. 2013(09)
博士论文
[1]基于GMA的二自由度精密微定位平台及控制系统研究[D]. 喻曹丰.安徽理工大学 2017
本文编号：3376409
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