超磁致伸縮微位移放大機構的設計與性能研究

劉旭輝，宋浩然，吳雁，胡慧娜，徐彬，蒲美玲

(1.上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418；2.上海赫緣機電科技有限公司，上海 201104)

0 前言

隨著近年來高精度高端制造等領域的不斷發展，精密測量、高精度設備、航空航天制造等對微制動的要求越來越高，迫切需求能實現大行程與高精度的驅動裝置。利用超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material ，GMM)研制的超磁致伸縮驅動器(GMA)，通過外加電流可控制其輸出位移，響應快、精度高。但在一些特殊應用領域，需要對其輸出位移進一步放大才能滿足正常使用需求。

柔性鉸鏈式放大機構具有放大效率高、整體負載性好、運動穩定等優點，在微位移驅動裝置上被廣泛應用。華順明等對比了不同放大機構的優缺點，得出柔性鉸鏈式放大機構結構簡單、再現性好。虞啟凱等根據壓電驅動技術，設計出一種基于柔性鉸鏈的微旋轉平臺，通過理論與仿真驗證了該平臺設計誤差較小，具有較好的應用價值； QIU等研制出傾斜折疊的彎曲鉸鏈，通過折疊彎曲單元實現可變剛度的目的。

基于前期驅動器研制，設計一種微位移放大機構，用于放大超磁致伸縮驅動裝置的輸出位移。通過理論計算分析放大機構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，驗證機構正確性；通過實驗測試系統，進一步對設計的放大機構進行實驗驗證。

1 杠桿式柔性微位移放大機構

1.1 柔性鉸鏈結構選擇

按照連接處切口形狀，柔性鉸鏈分為直圓形、橢圓形、復合多軸等。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驅動環境下位移的輸出。綜合考慮，文中選用直圓切口形柔性鉸鏈，其結構簡圖如圖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，鉸鏈右端將產生變形，設轉角變形量為，則柔性鉸鏈在平面內繞軸的轉角剛度為

(1)

其中:

(2)

=

(3)

式中:為彈性模量。計算得出的轉角剛度將用于計算所設計的放大機構整體靜剛度。

1.2 放大機構結構設計

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

圖2 微位移放大機構1/2模型(a)及實物(b)

2 微位移放大機構特性分析

2.1 放大機構轉動特性分析

放大機構的幾何原理如圖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，為轉動后的與垂直方向上的夾角。對轉動的鉸鏈進行編號，根據杠桿原理，放大機構的理論放大倍數為=。

圖3 放大機構幾何原理

通過幾何原理，得出與比例因子以及之間的轉動關系，如圖4所示。其中，=/。

圖4 α/ks與輸出力臂轉角的關系

根據圖4及數據集，對在(3.0,5.0)內變化時，與變換的關系進行計算。發現位于(03°,10°)內時，兩者具有良好的線性關系，當<03°時，<5，因此可將近似取為0。由此可得關系式：

(4)

2.2 放大機構靜態整體剛度計算

在工作過程中放大機構會產生彈性形變，GMA輸入位移會有一部分被機構本身吸收，由于機構自身存在一定剛度，會造成一部分的結構反力，導致輸出力的損失。因此,需對靜剛度等進行計算，分析其輸出性能。

GMA在輸入端輸入驅動力，產生輸出位移Δ，各個鉸鏈發生角位移后，忽略拉伸變形量，設第處柔性鉸鏈的轉角剛度為、角位移為、柔性鉸鏈儲存的彈性勢能為，設驅動力所做功為，根據功能原理有：

(5)

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

≈tan=Δ

(6)

(7)

3 放大機構有限元仿真

利用Creo/E創建三維模型，導入ANSYS中進行有限元仿真。放大機構設計材料選擇Al7075，其彈性模量為71.9 GPa、泊松比為0.33、許用應力為270 MPa，設計參數如表1所示，切割的圓角半徑由于加工誤差設置為1.2 mm。

表1 放大機構設計參數 單位：mm

通過代入表1中數據計算可以得出，放大機構理論放大比=5.42，將數據代入公式(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時放大機構的仿真結果。可知：放大機構的輸出位移達到315.61 μm，放大比為5.26；在整個放大過程中，機構的最大應力為182.54 MPa<[]=270 MPa，故放大機構結構設計正確，其運動中最大應力出現在和連接的柔性鉸鏈處。

圖5 輸入位移yin=60 μm時的仿真結果

放大機構整體靜剛度、放大比的理論值與仿真結果對比如表2所示。可知：所設計的放大機構整體靜剛度誤差為6.45%、放大比誤差為3.04%，誤差合理，證明了所設計放大機構的模型正確性。

表2 放大機構整體靜剛度與放大比的理論值與仿真結果對比

4 微位移放大機構性能實驗

微位移放大機構整體安裝結構如圖6所示。其中，通過緊固螺釘將固定支架5固定。

圖6 整體裝置安裝結構

柔性鉸鏈放大機構通過激光切割Al7075整體成型。安裝時，放大機構兩側通過固定片連接在兩側支柱上，利用支架將傳感器側頭豎直接觸放大機構輸出端，確保測頭與放大機構在一條基準線上，傳感器位移精度可達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

調節激勵電流改變放大機構的輸入位移，可得出在不同預壓力下的輸出位移，如圖8所示。可知：預壓力為100 N時，整個裝置輸出位移較為穩定。

圖8 電流-輸出位移

圖9所示為柔性鉸鏈放大裝置在GMA預壓力100 N下性能測試的結果。

圖9 預壓力100 N下輸出性能

由圖9(a)可知：機構的整體靜剛度為1.29 N/μm，與理論值誤差為2.32%。根據圖9(b)得出放大比為5.32，誤差為1.87%，均在5%以內。結果表明：所設計的放大機構整體靜剛度較好，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，忽略了其余結構如力臂的變形，設備安裝也存在一定偏差。

5 結論

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