二级杠杆式微牛级微力发生机构
2019-05-04 20:39  网络整理    我要评论

摘要: 力唱机唱头标度零碎的标度财产,设计了一种二级杠杆式天璇发生机构。率先,在对比地经用的准确和机能的按照,引见了天璇发生机构的使过于劳累规律。晚年的,在思索杆件使变形和去核挠度的按照,明显的程度杠杆和可塑度铰链的力能使分娩,约简了二级杠杆式天璇发生机构减力乘的观点计算方法,并以缩减力乘为设计目的。,在此按照,发觉了天璇发生机构的优化组合设计方法。。继承,停止了有限元仿效辨析。,接到了明显的出口杰出的事用下的力答辩特点。。根本原理,天璇发生机构I的机能测法平台。。最后揭晓::,有限元辨析、试验最后与观点力值居中的最大种类,试验非直线的绝对偏差,0~500的施行 μN的天璇培养。以为减力乘子使确信设计需求。,使生效了采取该优化组合设计方法准确设计二级杠杆式力柔顺机构、前进天璇培养准确的准确。

Abstract: A two-stage lever-type micro-force generator was designed to address the challenges in the calibration system of force sensor to provide accurate micro 负荷。 Initially, the working principle of the micro-force generator was introduced based on the performance comparison among general flexure 铰链。 Next, the force and energy transmissions were analyzed and a theoretical calculation method to evaluate the minification ratio K was deduced by taking into consideration the deformation of the lever and the offset of the flexure 铰链 旋转。 To accomplish the aim of achieving a certain minification ratio, the optimization design of the micro-force generator was 赠送。 Moreover, the response characteristics under different input forces were obtained by performing finite element 仿照。 Subsequently, a test platform was fabricated to measure the power performance of the micro-force 发电机。 The results show that the largest error between the finite element analysis (有限元辨析) and the theoretical analysis result is , whereas that between the experimental result and the theoretical analysis result is , the linearity is , and loading range of up to 500 μN is 经过努力到达某事物。 The results also indicate that the minification ratio K meets the design requirements and verify the validity of applying the optimization method to design two-stage lever-type micro-force generator and improve the accuracy of micro-Newton 负荷。

Key words: micro-Newton force     flexible hinge     two-stage lever-type micro-force generator     finite element analysis     optimization design    

1 小引

天璇(缺少10)-5 N)广大的器具于海洋技术管辖广袤。[1]、航空与航天空间[2]、生物医学[3]、原子力显微镜使发声[4]、MEMS与微纳开动机器[5-6]和等等诸多科学技术管辖广袤。当准确且软弱的唱机唱头被标度时、测力与微手术,力程度很小。,曾经经过努力到达某事物了典型的值。μN级。移交的类别使发声与辨析衡量组合艺术品应用。、唱机唱头整队和平台准确限定,移交的强力值规范机不合格的装载大约的。天璇发生的持续在方法,W 金等。采取安培力发生规律。[7],电流线圈拔出永久磁铁做成某事细想,经过把持电流和等等变量,更大广袤的力和,只因,分岔暖调的是由使触电审阅理由的。,发生热漂移景象;静力学发电规律,细想人员赠送静力学梳。[8]静力学划一板[9]天璇发生方法,除了空间体系限度局限了力的广袤。,概括地说,要不是推进力发生,手术复杂。,支配要素很多。;情况静力学细想所赠送的静力学场重现方法[10],应用可塑度机构将天璇使分娩到内筒电极,静力学力与机械力的穿插检测,不符合缺少300。 μN,分解系数15 nN。而且的,限度局限内电极轴向的娱乐,使无效境遇隔绝内部支配,不符合缺少200。 μN下天璇的发生与标度[11];显微散斑摸弄术,李等。[12]赠送了经过单晶发生和转会天璇的方法。,类别梁挠度和刚度直地计算天璇,开环零碎努力地的把持。,直地测会使掉转船头绝对偏差。;吉林大学筹备的压电的陶瓷天璇发生装置[13]正负压电的效应,矛盾与使变形、使变形与出口力居中的非直线的相干理由不符合。,把持使变形的巨大种类是很难达到预测的目的的。。同时,压电的基点也具有发热量。,鉴于自放电抗力的在,电荷不克不及[14],长距离的多姿多彩的的培养是不道德的的。;经过规范砝码重现力值是最优秀的典范的。,重锤皮带轮的移交培养方法[15],因分量自身是准确和确实性的。,它可以在严肃轴承上经过努力到达某事物特有的高的准确。,规范分量的最小分量为0.5。 mg(5×10-6 N)[10], 但这种小大规模的砝码的对立不明确度[16]、金属线恒载、很难疏忽皮带轮和成索状或绳状居中的摩擦力。,手术绝对偏差对培养准确有支配。[17]

总的来说,中外袖珍力发生器的细想使过于劳累首要集合在、天璇的测与根源。或器具压电的基点、静力学力和磁力。,或翻书到微柔顺的使分娩和替换,通常伴随把持和标度的努力地。、严厉的的影响和复杂的手术、难以敏捷的地停止准确定量培养、难以达到预测的目的高准确等现实问题。,而且普通具有恒定的敏感和测广袤。,只遵从的本人情况。。但值当当心的是,与移交铰链相形,可塑度铰链缺少摩擦和有缺口。、反复精读好,准确高,细想人员迅速发展。[18-20]。杠杆式可塑度机构复杂确实性。、可合奏化开动机器、能耗低、无磨损、可达到预测的目的高准确娱乐等。,它已发生O中最优秀的典范的娱乐和缩放比例机制。。

为了接到500 μN以下准确天璇,因为杠杆力柔顺机构的规律,本文以力降低付出代价乘K=210+5为设计使过于劳累。,因为直圆可塑度铰链设计了一种二级杠杆式天璇发生机构,器具灵活的力学和基点力学观点,对K的观点计算方法停止了根究。,在此按照,赠送了症结按上胶料排列的优化组合设计方法。,经过有限元仿效和试验使生效。。本文的设计和试验方法可供求教于。。

2 使过于劳累规律 直圆可塑度铰链

经用的可塑度铰链具有弧形。、圆角直梁式、卵形线等典型。当最小厚度t赞成固定时,铰链的去核角是两者都的角度。,循弧线行进型、长圆可塑度铰链需求较小的产卵。, 遵从的小产卵驾驭情况。。当找头两者都的按上胶料排列和产卵时, 长圆可塑度铰链具有最大的斜的角。, 高的敏感, 遵从的准确需求高的情况。[21]。循弧线行进铰链具有高的的旋转准确。[22],但它但是细微旋转。,其次是长圆铰链。,特别的,直圆可塑度铰链具有较高的准确且器具特大广大的。从此处,思索到天璇的准确使分娩。、体系的紧凑性和开动机器的多相。,本文选择直圆可塑度铰链用于使分娩力和停职。

直圆可塑度铰链的刚度辨析

可塑度铰链的准确普通是指灵活的铰链的挠性。[23],可塑度铰链的转动刚度是东西要紧的参量。,中外为直圆可塑度铰链的刚度计算方法[24-25]曾经老化,直圆可塑度铰链的互插参量如图 1所示。直圆可塑度铰链的使变形集合在循弧线行进的最易受攻击的学派且使变形量特有的巨大,疏忽使变形摸弄的等等学派,最小厚度t对转动刚度Kα最大支配, tKα扩大沿曲线行进和扩大吼叫。,其次是半径。R,根本原理宽度b,且bKα直线的递加相干[21],如婴儿食品(1)所示:

怀胎腰槽较小的转动刚度和变为的轴向的T。,对立而言,转动刚度速度系数。。初期的有雅量的有限元仿照使过于劳累揭晓:,微杰出的事用下,轴向的汲取人力Kx轻易使确信,从此处,在使确信限定应力的影响下,,被期望率先确定。b,放量缩减。t,在此按照,需求停止定量辨析。R转动和轴向的汲取刚度的支配。思索到需求和开动机器影响等。,选择b=5 mm,t=0.4 mm,R在0~5 毫米汞柱广袤种类。本文细想了密度小、人力高的硬质包铝钢板。,灵活的模量E=72 GPa,可塑度铰链转动和轴向的汲取刚度的计算[25],作为典型(2):

式中s=R/t

用MATLAB软件编制计算顺序,接到了它们居中的相干。图 2所示。

跟随R的增大,KαKx均呈衰退期随意移动,种类进行满足的。,思索可塑度铰链的刚度需求,后段润滑区域的选择R=3.8 mm。

二级杠杆式天璇发生机构

在此按照,本文设计了一种对称美差别的式二级杠杆天璇发生机构,采取不变的四点约束法。,在左、右PA上培养明显的值的规范体重。,可塑度铰链使分娩力与停职,在第二产程杠杆的力出口端腰槽铅直轴承的天璇。对称美差别的体系有助于废止CO的非直线的,降低付出代价程度、在末端朝前或向上的上,停职和力是耦合的。。在行为审阅中,杠杆的恒载发生不势均力敌的衡力和声质量力矩。,在每个人娱乐对中发生定态压力。,以及,娱乐的准确和确实性性降低付出代价。,同时,杠杆的长距离的挠曲也会理由PLA。,从此处,每个杠杆的重点坐落于F的去核。,天璇发生机构在空载下达到预测的目的初始开端,同时在二级杠杆处设置受力打交道端,达到预测的目的直地培养。总的来说,根本原理,发觉了等厚度集成做模特儿。图 3所示。

3 静力学辨析 减力乘的观点计算

使容易的机构做模特儿,如图 3(b)所示,可塑度铰链Hi(i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)轴向的力是Fi,功能力矩Mi=Kα×θi,转动刚度Ki=Kα,要素、两级动力臂辨别出为l1l3,抗力臂的尺寸辨别出为l2l4,居中过渡条C1D1=C2D2=d,杠杆的矩形披的高音调的是h,宽为z。需求滑降的力和停职。,只好确保F。IN1大于f,横向力和停职很小,大学派开端了EA。,从此处疏忽了横向天璇和停职。

非敏感安置的使容易做模特儿,移交转动第东西杠杆。A1B1C1A2B2C2、居中过渡条C1D1C2D2、第二产程杠杆D1ED2F辨别出停止了应力辨析。。

(1) 要素杠杆A1B1C1的受力辨析

力影响如图 4所示,从开端影响:

外力杠杆功能,歪扭的使变形与剪下使变形,为了使苗条的梁星l/h5)杠杆功能,剪下力比弯矩小得多。,通常可以疏忽无论。。

无论哪个披的弯矩都是:

粉底灵活的观点,要素杠杆A1B1C1歪扭的扭伤能是:

居中学派的刚度为:

Hi(i=1, 2)歪扭的扭伤能辨别出为

总扭伤能为:

歪扭的使变形的叠加规律,A1铅直停职是

C1出口停职为

从灵活的使形变体的功能规律动身:

(2) 替换条C1D1的受力辨析

力影响如图 5(a)所示,同样地可获:

替换条C1D1汲取扭伤能为

替换条C1D1汲取使变形量为

从灵活的使形变体的功能规律动身:

(3) 要素杠杆A2B2C2的受力辨析

力影响如图 6所示,同样地可获:

对无论哪个披的弯矩都是:

要素杠杆A2B2C2歪扭的扭伤能是:

可塑度铰链的歪扭的扭伤能辨别出为::

总扭伤能为

A2停职是

C2出口停职为

从灵活的使形变体的功能规律动身:

(4) 替换条C2D2的受力辨析

力影响如图 5(b)所示,同样地可获,

替换条C2D2汲取扭伤能为

替换条C2D2铅直轴承上的汲取尺寸为

从灵活的使形变体的功能规律动身:

(5) 第二产程杠杆D1ED2F的受力辨析

力影响如图 7, 同样地可获:

精确地解释力缩减乘。

K值上胶料直地使知晓机构的运放机能,K付出代价越大,有组织的的执行越好。,当FIN1F在一定广袤内的种类。,K值越不变揭晓机构的反复准确越高。

键杆尺寸按上胶料排列的优化组合设计

粉底婴儿食品(1)~(35),已知力发生机构的杆长上胶料。,以x=[l2, l4, θ1, θ5]为根底变量,根本参量的迭代可以确定减力乘。。思索到杠杆的上胶料理由的合奏刚度不可,K值动摇,晚年的停止娱乐出口。、出口演出非直线的相干,当FIN1、F在一定广袤内种类,观点计算值与设计酸渣的不符合,观点设计准确高的。。同时,减小可塑度铰链的轴向的拉应力。,依照轻量子化基谐波,在使确信预测减少乘的影响下,尽量缩减所有的机构的恒载。,需求机构的合奏按上胶料排列尽量小。。可以缩减多K=213作为设计需求。,将目的功能设置为

组合艺术品机能需求、按上胶料排列限度局限和特别影响,约束影响辨别出为:

(1) 确保单级阻碍臂大于动力臂,为了经过努力到达某事物两个人力的降低付出代价,粉底抱负财产下二级杠杆规律,当l2当取极小值时,l4取达到最大值,反之亦然。即:

(2) 粉底二级杠杆规律,杆在各级的尺寸确定了力的最大学派R。,但精神亏耗一定使掉转船头力减少乘大于抱负财产下二级杠杆规律所得。即:

(3) 天璇培养和出口端的末端朝前或向上的力使Tθi 5°),且H1H5它们都逆时针方向的旋转。。使确信:

天璇发生机构的根本按上胶料排列为:表 1所示,应用Matlab软件做成某事Fgoalattain功能器集对杆长按上胶料排列停止优化组合求解,多功能的额外的遗传因子种类,额外的遗传因子体重=[ 1 ]在等式体重下选择。 1)腰槽最优非劣解,对迭代审阅停止了使生效。θ1θ5约束广袤的种类对K值支配珍奇地。,该最后可作为东西破旧的角度来表现现实角度。。粉底现实开动机器和应用影响,对最后停止滤波和校订,以腰槽终极的棒长。l2=94.5 mm,l4=310 mm。

4 试验使生效 天璇发生机构的有限元仿照

为了使生效定态做模特儿和优化组合审阅的正当,应用ANSYS Workbench软件对做模特儿停止了有限元仿效辨析。。有限元做模特儿的按上胶料排列参量与,用参量子化建模方法计算各级体重,应用一体化自动化、分岔可塑度铰链和力出口端的网格极致方法。怀胎接到机械出口端的力出口。,从此处选择了三维材料单元SRID187。。思索到对立复杂的边界影响,从此处,强迫对现实使过于劳累影响停止仿照。、可塑度铰链和力出口端恒定后,,李煜出口培养0~10 g砝码力广袤内的25组差不多均布的不符合力值,出口力是施惠于出口端禁止的力种类。。用硬质包铝钢板基点,横向变形系数为,密度为2。 700 kg/m3,屈从限定和抗拉人力均为265。 兆帕和410 MPa。

有限元仿照最后如次图 10(a)所示,仿照沿曲线行进与观点沿曲线行进高音调的划一。,K值不变性,同时,天璇仿照值居中的最大种类。。

天璇发生机构的试验细想

因为前述的按上胶料排列参量,采取触发线切开技术接到现实的二级杠杆式力天璇发生机构如图 8所示。

图 9天璇发生机构试验测法图,试验在室温20℃下停止。 在东西封上的房间里,在东西高烧。,设计了一种装置天璇发生机构的夹紧机构。,分解系数是 μm)上。装填前应用辨析衡量(AL104),分解系数是0.01 Mg)标度砝码, 为了废止Flex中先前培养理由的糟粕扭伤能,采取培养-静置处理-反复培养的方法将各组差值砝码辨别出培养至摆布Ⅴ型托盘处。分量不符合是出口力。,辨析衡量的读数差是出口力。,差分计算的另东西优点是它使无效了零碎E。。

图 9(a)所示,于常识隔震在舞台上对二级杠杆式天璇发生机构传播对应的25组培养试验,辨别出记载出口力并计算现实K值。。力出口和力出口辨别出为图 9(c)9(d)所示,试验最后如图 10(a)所示;如图 9(b)所示,当出口不受约束时,应用激光停职SE测各力出口的停职,跟随出口力的扩大,力出口的停职逐步增大,最大VaR逐步增大。 μm,最大出口力为 μN。在发生最鼎力值的按照,以 μM为单位,力出口和辨析衡量的对立停职发生种类。,接到了停职与力居中的相干。图 10(b)所示,因为细想所的备选的标度方法的实用性,接到试衣沿曲线行进。:

试验最后揭晓:::,试验沿曲线行进与观点直线的沿曲线行进根本划一。,试验的非直线的绝对偏差,K值的动摇较小。,同时,试验值与T居中的最大种类。。

议论

外面的使过于劳累揭晓,仿效、试验最后与观点值居中仍在巨大绝对偏差。,试验与仿效最后绝对偏差的能够辩论:

(1) 在铅直轴承上的力和停职仅思索在,仿效和试验中现实在的横向巨鼎力及停职使掉转船头了使生效最后与观点计算居中巨大绝对偏差的发生。

(2) 在触发线切开开动机器中,当月低温使掉转船头硬质包铝钢板的切削刃。,使掉转船头旋转和汲取刚度扩大。,娱乐某一时代的的精神消耗扩大,试验的力值缺少仿照值。,K值扩大。,按上胶料排列绝对偏差也会支配MECH的准确和机能。。

(3) 在陆续试验审阅中,天璇发生机构的精神处理时期可以是INS。,歪扭的填充物功能下可塑度铰链的糟粕扭伤能,对后续试验最后的支配。

持续在方法[12-15]相形,天璇发生机构采取狭长直梁式杠杆,在一定程度上纠正了移交的合奏刚性缺点。、非直线的出口及等等缺陷,达到预测的目的了准确和反复精读。;因为不符合规律,废止了零碎绝对偏差。,观点上,可以接到恣意力值的出口力。,培养审阅中支配要素不足。,根本原理,腰槽了牛的出口功率的较高准确。;合奏触发线切开开动机器,与移交MEMS复合技术相形,其开动机器余量小。、创造本钱低,拆卸准确高。。

5 尾声

本文将可塑度铰链和二级杠杆机构举行就职典礼器具于天璇发生机构的设计,在对比地几种经用挠曲H的机能的按照,选择准确高。、遵从的小产卵驾驭情况。且器具特大广大的的直圆可塑度铰链,发觉了二级杠杆式天璇发生机构做模特儿;在思索杆件使变形和去核挠度的按照,约简了力降低付出代价乘K的观点计算方法。;为了达到预测的目的东西力缩减乘作为设计目的,赠送了二级杠杆式力发生机构的优化组合设计方法,接到了症结杆的优化组合尺寸。;应用ANSYS 采取Workbench软件停止有限元仿效辨析。,发觉了天璇发生机构的机能测法平台。,接到了明显的出口杰出的事用下的力答辩特点。。最后揭晓::,仿效、试验最后与观点力值居中的最大种类,试验非直线的绝对偏差,从此处,以为力降低付出代价了乘。k使确信设计需求,天璇发生规律、设计和试验方法是权利可用的的。,有助于这种可塑度机构的细想和设计。。在后世的使过于劳累中,还应思索由M理由的震动拥挤。,晚年的,可以设置初级防震的和境遇隔绝装置。。

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