二级杠杆柔性铰链复合结构的双足压电直线电机

摘要:
精细机械有基地的的快的面向,表示方式添加移位缩小压电的堆的出口移位,高处了一种本二级杠杆和柔韧性铰链复合构架的时新双足压电的垂线电力机械。率先,剖析了电力机械的任务法制。,降低了车道足轨迹方程。。预付款其出口功能,对直圆柔韧性铰链的限度局限因素停止了使最优化。,冠铰链限度局限因素为厚度th=0.2 mm、切开半径Rh=1 毫米汞柱宽bh=10 mm。终极,工厂电力机械样机并停止幅值测。、周转率和装货功能试验,本垂直面试验法对电力机械加速停止了剖析。,探出张力对电力机械周转率的情绪反应更敏捷。试验成果喻:,车道足我、II的移位振幅使分开为75。 μm和63 近μm动摇,矛盾约为12。 μm;120 V、110 Hz记号由16.163激起。 mm/s,最大装货成团卷起为1.7 N。眼前的压电的垂线电力机械的比较地,电力机械构架复杂。,迅速地安定调试,具有答辩快、大振幅、高速公路稳固运转的性质。

Double-foot piezoelectric linear motor with secondary lever and flexure hinge composite structure

Abstract:
In order to improve the rapid positioning of precision mechanical devices and the amplification ability of displacement amplification structures for the output displacement of piezoelectric stacks in piezoelectric linear motors, a new kind of double-foot driving piezoelectric linear motor with secondary lever and flexible hinge was 高处. First, the operating principle of the motor was analyzed and the trajectory equation of the driving feet was 起草。 Next, the parameters of the straight circular flexure hinge were optimized in order to improve the output performance; the optimal hinge parameters obtained were thickness th=0.2 mm, cutting radius Rh=1 mm, and width bh=10 mm. Finally, the prototype motor was designed, and the amplitude, speed, and load performance were 受考验。 The motor speed was analyzed based on the orthogonal test method; our analysis revealed the sensitivity of the motor speed on the 张力。 Our experimental results revealed displacement amplitudes of the driving feet Ⅰ and Ⅱ in the range of 75 μm and 63 μm, respectively, i.e., the difference is about 12 μm. Furthermore, the speed was observed to reach 16.163 mm/s under a voltage of 120 V and a signal excitation of frequency 110 Hz, and a maximum load capacity of 1.7 N was obtained. Compared with existing piezoelectric linear motors, our motor possesses the advantages of a simple structure, easy installation and debugging, fast response, large amplitude, high speed, and stable 推拿。

Key words:

double-foot piezoelectric linear motor    
piezoelectric stack    
secondary lever    
flexure hinge    
orthogonal test    

1 小引

最近几年中,尾随科学技术的开展和提高,航空航天、模拟科学技术、精细机械、医学、在人造卫星田,新技术的面向充其量的。,故此召集一种高准确度的车道有基地的。[13]。与惯例电力机械比拟,非共振式压电的垂线电力机械具有显得庞大、整个的、面向准确度、答辩工夫和功耗等优点已通用广为流传地功能。。争辩原始的,这种电力机械可堕入指示环境判定车道型、移位缩小型、作线环的人和迟钝摩擦,移位缩小压电的交流助推器具有大里程。、构架复杂等优点。

眼前,移位缩小压电的助推器的更远的讨论[411]。海林李[6]高处了一种双车道压电的垂线电力机械。,该电力机械采取四组(两组垂直面)压电的叠堆停止车道,尽管电力机械车道的振幅较小。,周转率干脆的。苏钊[7]高处了一种由方波车道的双足压电的垂线电力机械。,电力机械采取双免疫因子安定。,表示方式夹子构架使适应与动子暗射中靶子触感,最大周转率为0.502 mm/s,通用很大的鼓励,但其车道脚振幅依然较小。。

柔韧性铰链心不在焉特权和机械摩擦。、高朋友敏捷度的优点造成了广为流传地的关怀。。柔韧性铰链构架通常与缩小机构相结合。,它次要用于零钱建立组织射中靶子移位。,以预付款机构对移位的缩小能力。眼前,一种经用的缩小机构,具有成直角的缩小机构。、杠杆缩小机构、锯齿形的缩小机构和紧缩缩小机构等。[1216]。卢倩[17]以及及其他人高处了一种二级杠杆式柔韧性铰链缩小比的计算方式,柔度比限度局限因素的请求,停止了相互相干虚幻的和试验校对。。在上述的讨论任务中,一些纯粹地讨论二级杠杆柔韧性铰链的使最优化,它不快用于压电的垂线电力机械车道器。;设计了一种双足车道压电的垂线电力机械。,尽管压电的堆亲手的出口移位很小。,电力机械的缩小率缺乏,在缺陷。,电力机械加速的快的面向,故此,开展高振幅缩小比是召集的。、一种时新大周转率双压电的垂线电力机械的讨论。

本文本二级杠杆和柔韧性铰链复合构架,非共振式压电的垂线电力机械结成移位缩小。预付款电力机械的出口功能,电力机械免疫因子垂线形成拱状物柔韧性铰链的使最优化设计,表示方式虚幻的讨论通用冠的柔韧性铰链限度局限因素。表示方式试验对电力机械的振幅停止了受考验。、周转率、装货及及其他特点,校对了时新双足车道电力机械的有实行能够。,为压电的垂线电力机械的讨论供给了新的思绪。。

2 双足压电的交流助推器车道机构 作动法制

压电的垂线电力机械的任务法制,如:图 1所示,图射中靶子A,b,C和D使分开对应于不一样的任务状况。,Ⅰ,Ⅱ为压电的垂线电力机械免疫因子上的两个车道足,有4套车道元件(压电的堆)用于在,这事数字顺次是1。,2,3,4,在上面的车道法制的描画中,这些数字是S。。图 2车道记号时序图,全正向出发张力,克制不要压电的叠层的损坏。在一一圈的压电的垂线电力机械车道的列队行进是::

在A状况下,2用于驱动力张力,发作移位,用柔韧性铰链和杠杆使铭记移位,使得车道足我与动子触感并压紧。

在从状况到B状况的替换列队行进中,在2激起张力常数的机遇下,1和3同时功能,使分开发作移位,用柔韧性铰链和杠杆使铭记移位。1发作的移位使得车道足我驱动动子沿X轴向的右朋友α移位;3的移位使驾驭脚促进变化。X轴向的左朋友α移位。

在从B态到C态的零钱列队行进中,在始终如一的驱动力张力下的1和3的机遇,去除使用到2的驱动力张力,将驱动力张力使用到4。2电源断开回复初始计算在内,话说回来发作向后拉开景象。,鞭策车道足我与动子脱触感;4代驱替,车道脚II触感和管理。

从C态到D态的零钱列队行进,保持不变励磁张力始终如一的在4,同时去除1和3的励磁张力。电源毛病回复的1种初始使符合;因车道脚II与致动器触感。,3由电源毛病回复到初始毛病造成的缩减X对轴向的朋友α移位。

在从D状况到状况替换的列队行进中,励磁张力被使用到2,抵消4励磁张力,车道脚II脱朋友,车道足我触感且压紧动子。

因而,在长工夫内,导轨将尾随X对轴向的朋友2α压电的垂线电力机械在一成圈射中靶子移位。。

踏脚轨迹方程

争辩电力机械车道脚和三角波的朋友法制,可以降低出电力机械踏脚轨迹方程。电力机械双车道脚整齐散布,因而降低出车道足我的轨迹方程那就够了,且车道足我的无效移位车道发作在0~T在2个一圈。图 3所示为车道足我上压电的叠堆的移位出口起形成作用的人,图中λ为二级杠杆的缩小连锁商店。

0射中靶子三角波记号T在2个一圈的功能式为:

式中E记号张力眼界。

0方波记号T2一圈工夫功能语句:

由成直角的和正方形的对赫芝波记号发作的移位:

式中δ作为一常数。

压电的叠堆发作的移位表示方式二级杠杆和柔韧性铰链使铭记至车道足上,矢量四边形间隙并列地整齐的,其朋友轨迹方程为:

语句(5)可以促进为:

,有:

式中:Eλ数值使分开为100。 V和,f=100 Hz,则T=0.01 s。屈贤汝(7)图 4所示,由图可看出,车道足相近垂线轨迹,表示方式摩擦延续车道致动器的朋友。

3 双脚压电的垂线电力机械的构架设计 免疫因子构架设计

图 5本铰链缩小的压电的垂线电力机械的构架设计,免疫因子与V导轨和议员席通过作弊预先安排好结果的。,V型导轨对免疫因子双向约束的方差;预压螺旋结构、预负担弹簧和预紧力结合的预压构架;四组微米头为四组压电的叠堆W。,免疫因子构架可以锁定千分卡头。。

免疫因子面向机构的设计

压电的垂线电力机械的免疫因子面向机构的设计的次要急切的是为了确保免疫因子上的车道足与动子上粘接的耐磨陶瓷条真实无效触感,所以电力机械可以将压电的叠堆发作的巨大移位表示方式免疫因子缩小元件缩小随后替换成动子的微观垂线朋友。一种出口功能优秀的的助推器,何止免疫因子的高出口和输出比,再说,对AUX的构架设计也有笔直的的查问。。图 6压电的垂线电力机械的梦想预压起形成作用的人,限起草子XYZ在两个环境判定在车轴的三个环境判定上朋友随后,免疫因子车道脚与致动器暗射中靶子触感力是使适应的。。

4 二级杠杆柔韧性铰链复合机构 二级杠杆缩小法制

图 7为二级杠杆缩小法制图。二级杠杆由一等臂杠杆和一非等臂杠杆结合,内幕,等臂杠杆缩小输出移位的归结为,所通用的出口移位再表示方式两个杠杆的衔接一份遗产(直圆型柔韧性铰链)使铭记至非等臂杠杆的输出端后再次停止缩小出口。图中AC这些点使分开是杠杆I和II的输出状态。,BD点是等臂和不同臂杠杆的出口状态。,且D点为等臂杠杆和非等臂杠杆复合的二级杠杆的终极出口状态,L1~L4每个杠杆臂的胶料。

λ为二级杠杆的缩小连锁商店,则:

式中:L1L2L3L4使分开为10,54,21和21 mm。将它们代入式(8)通用二级杠杆的学说缩小连锁商店λ为。

直圆柔韧性铰链的限度局限因素使最优化

图 8柔韧性铰链的使最优化起形成作用的人。在使最优化列队行进中心不在焉思索5号铰链。,免疫因子的缩小功率次要与铰链数使关心。,故此,人们只召集表示方式1~4铰链来使最优化限度局限因素。,5铰链的限度局限因素与及其他铰链的限度局限因素能与之比拟的东西。。每个铰链的厚度和半径(1~4的铰链切削半径)均为Co。,因而唯一的一限度局限因素被设置Rh那就够了;厚度设置为T1T2T3T4,厚度值相当,被界限为限度局限因素使符合(输出PARA)。。起形成作用的人在剖析列队行进射中靶子功能Y轴环境判定1 mm的移位,可以通用起形成作用的人的缩小连锁商店。。设置端车道脚的移位出口作为出口限度局限因素(O)。

本ANSYS的 Workbench的Design 选点模块使最优化计算,圆形柔韧性铰链的厚度th=0.2 mm、切开半径Rh=1 mm时,免疫因子起形成作用的人车道脚Y轴向的环境判定上的移位出口值约为 mm,相较于 mm的追溯比为;圆形柔韧性铰链的厚度th=0.3 mm、切开半径Rh=1.5 mm时,免疫因子起形成作用的人车道脚Y轴的移位值约为11.57。 mm,升压速度约为;圆形柔韧性铰链的厚度th=0.4 mm、切开半径Rh=2 mm时,免疫因子起形成作用的人车道脚Y轴的移位值约为11.39。 mm,升压速度约为。

可以在使最优化限度局限因素材料结成中决定,免疫因子车道足Y轴向的最大出口移位约为 mm,此刻直形成拱状物柔韧性铰链的限度局限因素:厚度th=0.2 mm、切开半径Rh=1 毫米汞柱宽bh=10 mm。

5 双脚压电的垂线电力机械的试验讨论 免疫因子车道脚端面振幅试验

图 9一种免疫因子车道的脚振幅受考验有基地的。用记号发作器发作1路100 赫兹的三角波记号,表示方式记号缩小器将张力缩小到120。 V,车道免疫因子驱动脚任务,激光移位临时凑成的读取车道脚的移位。。

图 10图 11成果喻,两车道脚移位材料的受考验验。从图中可以看出。,两个从动脚的震动对立稳固。,车道足我、II的移位眼界为75。 μm和63 μm左右漂徘徊,矛盾约为12。 μm,矛盾的能够原稿是:(1)压电的叠堆预紧力的相异性;(2)用过的压电的叠层的出口功能不一样。;(3)审阅偏离实现了功能的相异。;(4)不精确测方式造成的测偏离;(5)测列队行进射中靶子随机偏离。

电力机械加速特点试验(不一样张力和频率)

图 12周转率受考验有基地的图。电力机械在S的驱动力下发作必然的朋友间隔。,变化间隔次要用支配批改。,由跑表计时。表示方式时尚记号发作器出口记号的张力和频率,在一面向移下测电力机械朋友工夫的工夫,电力机械的加速和张力与频率的相干。

争辩下试验法制,设定记号的频率为50~130。 Hz、张力为70~120。 V,受考验电力机械功能,成果如图 13图 14所示,120 V、110 电力机械在赫兹以下的最大周转率为16.163。 mm/s。

电力机械加速的垂直面试验剖析

采取垂直面试验设计方式停止剖析处置。,通用了记号发作器记号对电力机械加速的情绪反应。,表 1电力机械加速的方差剖析[18]

从F表中反省临界值F0.01(5,25)=,由表 1人们确信A和BF值大于F表中赠送的值。,这喻,A和B对试验标准的情绪反应极明显;由方差平方和加在一起,对立平均值的差量学位决不THA。,即A对应的范本材料到某种状态稳固,因而在实践试验列队行进中对B的查问比A要高。

电力机械装货充其量的受考验

在电力机械周转率功能试验的根据对电力机械装货充其量的停止受考验。装货充其量的受考验有基地的在前面电力机械功能试验有基地的的根据添加了一面之词系有砝码而另一面之词系有扭歪(扭歪可通过作弊预先安排好结果的在电力机械动子上)的调弦(绕在通过作弊预先安排好结果的阻塞上),表示方式兑换不一样的分量来测电流交流助推器的周转率。T V,频率为110 Hz)。图 15所示为电力机械的装货-周转率曲线图形。尾随砝码整个的的举起,电力机械的周转率逐步降落,且装货充其量的严厉地,出席的测得的最大承载充其量的仅为1.7。 N。在试验列队行进中,当砝码整个的举起到200 g时,电力机械呈现投掷景象(免疫因子车道足和动子触感状态有脱状况)。

6 决定

本文高处了一种本二级杠杆和柔韧性铰链复合构架的非共振式压电的垂线电力机械,争辩作动法制和车道记号降低了踏脚轨迹方程,使用螺旋结构千分卡头宽裕的为压电的叠堆使用定量的预紧力。免疫因子构架中二级杠杆的学说缩小连锁商店λ为,本ANSYS的 对直圆柔韧性铰链的厚度停止workbenth=0.2 mm、切开半径Rh=1 毫米汞柱宽bh=10 mm,此刻虚幻的缩小连锁商店为,学说的缩小倍率和学说威严暗射中靶子偏离。本最优使最优化PARA对电力机械样机停止了使最优化设计。,电力机械出口功能的试验讨论,两个从动脚的震动对立稳固。,车道足我、II的移位眼界为75。 μm和63 在M邻近悬浮;设定记号的频率为50~110。 Hz和张力为70~120。 V,电力机械功能相互相干试验,120 V、110 电力机械在赫兹以下的最大周转率为16.163。 mm/s,最大承载充其量的仅为1.7。 N。助推器的缩小倍率很高。,博得较好的电力机械功能,具有答辩快、高速公路大幅值的优点,可功能于精细机械的快的面向。在继后的阶段,电力机械的装货充其量的应更远的使最优化。