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 位移放大機構模態分析

系統固有頻率是評價機構內在特性的重要指標,它對系統控制和機構優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載荷結構設計中的重要參數,所以對放大機構進行模態分析具有重要的意義.ANSYS提供了強大的模態分析功能,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、動態性能好等優點,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.