基于ANSYS的差動式位移放大機構性能分析

江曉陽,陳定方

(武漢理工大學智能制造與控制研究所,湖北 武漢 430063)

超磁致伸縮致動器是利用超磁致伸縮材料在外部磁場變化時發(fā)生伸縮形變特性而制作的一種新型精密致動器,具有低電壓驅動、位移分辨率高等優(yōu)點,在精密加工領域已顯示出良好的應用前景[1].雖然超磁致伸縮材料的伸縮應變比較大,但其位移輸出相對實際應用來說仍很小,一般只有幾十μ m.在實際的工程應用中,有些應用場合要求有更大的位移,因此,在大位移的應用場合,需要位移放大機構與其配合.

柔性鉸鏈是一種新型機械傳動和支撐機構,用于提供繞軸做復雜運動的有限角位移.它是利用材料可逆的彈性變形來產生運動或傳遞能量,具有無空回、無摩擦、無間隙、無噪聲、無磨損、空間尺寸小、運動靈敏度高等特點,特別適合應用于精密驅動器件中[2].常見的柔性鉸鏈有圓弧型和直梁型2種.圓弧型柔性鉸鏈的運動精度較高,但轉動范圍相對較小;直梁型柔性鉸鏈有較大的轉動范圍,但運動精度較差;而倒角型柔性鉸鏈兼顧運動精度和運動范圍的優(yōu)勢[3-4].本文設計了一種基于倒角型柔性鉸鏈的差動式位移放大機構,并分析了其性能.

1 差動式杠桿放大原理

差動式杠桿放大根據輸入的方向可以分為同向驅動和反向驅動2種,其原理如圖1所示.采用差動式杠桿放大,可以在有效的空間尺寸內實現較大的放大倍數.

假定輸入位移為δin,根據杠桿原理,則經過放大后的輸出位移

理論放大倍數

2 位移放大機構的結構

位移放大機構各柔性鉸鏈為倒角型結構,依靠鉸鏈微轉動變形實現運動的傳遞和位移的放大(圖2).該結構具有以下特點:1)該機構采用差動式杠桿放大原理實現位移放大,方法和結構簡單,空間尺寸小;2)該機構采用對稱式結構,具有較高的整體剛性,輸入位移可通過左右2條放大鏈向輸出端進行傳遞,理論上可以完全消除機構的側向附加位移,有效地減小了機構自身的縱向耦合位移誤差;3)一體化結構易于加工,避免了裝配誤差.根據式(2)可以求得該機構的理論放大倍數A=11.25.

圖2 位移放大機構結構圖

3 位移放大機構的有限元分析

當超磁致驅動器通過位移放大機構輸出位移時,由于位移放大機構采用全柔性結構,各桿件的彈性變形、柔性鉸鏈的軸向變形以及內反力均會造成能量損耗,超磁致驅動器做的功并沒有全部輸出,所以位移放大機構的實際放大倍數比理論放大倍數小[5].為保證所設計的位移放大機構正確可靠地工作,需要對位移放大機構的強度、放大倍數和動態(tài)特性等進行分析,而有限元法是一種有效分析方法.

3.1 位移放大機構有限元模型

在軟件ANSYS10.0中,根據位移放大機構幾何模型,采用實體單元Solid95進行建模,有限元模型見圖3.位移放大機構材料為60Si2Mn,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3.劃分網格后有42208個單元和107474個節(jié)點.

圖3 位移放大機構的有限元模型

3.2 位移放大機構靜態(tài)分析

本文針對的超磁致驅動器最大輸出位移為0.05 mm,計算位移放大機構在不同輸入下的放大倍數和強度,計算結果見表1.當位移放大機構的輸入位移δin=0.05 mm時應力最大,最大應力σmax=575 MPa<885 MPa,滿足強度要求.在無負載情況下,輸入位移與輸出位移關系曲線如圖4所示.位移放大機構在不同輸入作用下的放大倍數比較穩(wěn)定,輸出位移線性度較好.但與理論放大倍數比較,實際放大倍數只有理論放大倍數的60%,說明位移損失比較大.

表1 不同輸入位移下的輸出位移和放大倍數

圖4 輸入位移與輸出位移關系曲線

當放大機構的輸入位移為0.05 mm時,分析不同載荷下的放大倍數和強度,計算結果見表2,負載與放大倍數關系如圖5所示.分析結果表明,位移放大機構的放大倍數隨負載增多而減小.

表2 不同負載下的輸出位移和放大倍數

圖5 負載與放大倍數關系曲線

3.3 位移放大機構模態(tài)分析

系統(tǒng)固有頻率是評價機構內在特性的重要指標,它對系統(tǒng)控制和機構優(yōu)化設計都有著重要的意義.由于位移放大機構的固有頻率是它承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數,所以對放大機構進行模態(tài)分析具有重要的意義.ANSYS提供了強大的模態(tài)分析功能,計算出位移放大機構的前6階固有頻率如表3所示,前6階振型如圖6所示.

表3 模態(tài)分析結果

圖6 位移放大機構振型

4 結束語

為了擴展超磁致驅動的應用范圍,滿足實際工程的需要,本文結合差動式杠桿放大原理和柔性鉸鏈,設計了一種位移放大機構,并采用有限元方法進行仿真分析.該放大機構具有結構緊湊、易加工、空間尺寸小、放大倍數大、輸出線性度大、動態(tài)性能好等優(yōu)點,對實現大行程的超磁致驅動具有重要的指導性意義,并且在精密工程中具有廣泛的應用前景.

[1]盧全國,陳定方,鐘毓寧等.超磁致伸縮致動器熱變形影響及溫控研究[J].中國機械工程,2007,18(1):15-19.

[2]吳鷹飛,周兆英.柔性鉸鏈的應用[J].中國機械工程,2002,13(18):1615-1618.

[3]Nicolae Lobontiu,Jeffrey SN Paine.Ephrahim Garcia Corner-filleted flexure hinges[J].Journal of Mechanical Design,Transactions of the ASM E,2001,123(9):346-352.

[4]成立峰,余躍慶,王雯靜.橢圓形柔性鉸鏈的頻率特性分析[J].機械設計,2009,26(2):52-53.

[5]于靖軍,畢樹生,宗光華.全柔性微位移放大機構的設計技術研究[J].航空學報,2004,25(1):74-78.