□丁 娟 曾凡菊

(哈爾濱華德學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025)

農(nóng)業(yè)微驅(qū)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中三角位移放大機(jī)構(gòu)固有特性研究

□丁 娟 曾凡菊

(哈爾濱華德學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025)

為研究農(nóng)業(yè)微驅(qū)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中具有柔性鉸鏈的三角放大機(jī)構(gòu)的固有特性，分析鉸鏈的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三角放大機(jī)構(gòu)固有頻率和等效剛度的影響。利用ANSYS軟件計(jì)算和仿真研究了直圓柔性鉸鏈條件下三角放大機(jī)構(gòu)固有頻率和等效剛度隨鉸鏈半徑和厚度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，柔性鉸鏈厚度對(duì)固有頻率和等效拉伸剛度的影響較大，柔性鉸鏈半徑對(duì)固有特性的影響較小，該研究結(jié)果為深入探索驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。

三角放大機(jī)構(gòu)；固有頻率；等效剛度

微位移放大機(jī)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于微驅(qū)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備中。由于微驅(qū)動(dòng)設(shè)備多采用智能材料作為驅(qū)動(dòng)源，其變形位移較?。ㄎ⒚准?jí)），因此增設(shè)位移放大機(jī)構(gòu)可以放大智能材料的變形位移，滿足驅(qū)動(dòng)和定位的要求。

目前，常用的微位移放大機(jī)構(gòu)主要有杠桿放大機(jī)構(gòu)和三角放大機(jī)構(gòu)[1-2]。其中，杠桿放大機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛而深入地研究。相比之下，三角位移放大機(jī)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性好，智能材料驅(qū)動(dòng)時(shí)承受的壓應(yīng)力均勻，可避免壓電陶瓷等脆性智能材料被損壞，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型的建立困難，設(shè)計(jì)具有該類(lèi)型位移放大機(jī)構(gòu)的微驅(qū)動(dòng)器時(shí)，通常采用數(shù)值模擬（如有限元）的方法，經(jīng)過(guò)多次仿真獲得最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該方法的特點(diǎn)是建立的實(shí)體模型直觀，計(jì)算結(jié)果較精確。

本文將利用ANSYS有限元軟件仿真研究具有柔性鉸鏈的三角位移放大機(jī)構(gòu)的固有頻率和等效剛度隨主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，避免微位移驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)發(fā)生共振損壞現(xiàn)象，為驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 三角放大機(jī)構(gòu)建模與仿真

本文建立的三角位移放大機(jī)構(gòu)的示意圖如圖1所示。仿真建模時(shí)，選取圓心角為180°，材料為硬鋁合金的三角位移放大機(jī)構(gòu)，分析三角放大機(jī)構(gòu)固有頻率和等效剛度隨主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。

圖1 三角放大機(jī)構(gòu)參數(shù)簡(jiǎn)圖

利用ANSYS有限元軟件對(duì)三角放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，仿真計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的固有頻率f，振型和計(jì)算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 三角放大機(jī)構(gòu)振型

圖3 固有頻率仿真計(jì)算結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)柔性鉸鏈半徑R不變時(shí)，三角放大機(jī)構(gòu)的固有頻率f隨鉸鏈厚度t的增加而增加；當(dāng)鉸鏈厚度t不變時(shí)，三角放大機(jī)構(gòu)固有頻率f隨鉸鏈半徑R的增加而降低，但變化量較小。因此，可以根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)具有柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的三角放大位移放大機(jī)構(gòu)，從而避免驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)三角位移放大機(jī)構(gòu)發(fā)生共振損壞現(xiàn)象。

同理，基于上述有限元實(shí)體模型，仿真計(jì)算了不同鉸鏈半徑R和鉸鏈厚度t條件下三角放大機(jī)構(gòu)的等效拉伸剛度k2，仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)鉸鏈半徑R不變時(shí)，三角放大機(jī)構(gòu)的等效拉伸剛度k隨鉸鏈厚度t的增加而增加；當(dāng)鉸鏈厚度t不變時(shí)，三角放大機(jī)構(gòu)等效拉伸剛度k隨鉸鏈半徑R的增加而增加。

圖4 等效剛度仿真計(jì)算結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS有限元軟件仿真計(jì)算了三角放大機(jī)構(gòu)等效拉伸剛度和固有頻率隨鉸鏈半徑和鉸鏈厚度的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，柔性鉸鏈厚度對(duì)固有頻率和等效剛度的影響較大，鉸鏈半徑對(duì)其影響作用較小。該研究結(jié)果為驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

[1]杜習(xí)波,陳西平,張斌,等.基于三角原理的壓電驅(qū)動(dòng)微位移定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].航空精密制造技術(shù),2009,(6)：10-12.

[2]HuiTang,Yangmin Li.OptimalDesign of The Lever Displacement Amplifiers for A Flexure-based Dual-mode Motion Stage [C]//2012 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Taiwan,2012.753-758.

1004-7026（2017）19-0156-01

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