农业微驱动测控系统中三角位移放大机构固有特性研究

□丁 娟 曾凡菊

(哈尔滨华德学院 黑龙江 哈尔滨 150025)

农业微驱动测控系统中三角位移放大机构固有特性研究

□丁 娟 曾凡菊

(哈尔滨华德学院 黑龙江 哈尔滨 150025)

为研究农业微驱动测控系统中具有柔性铰链的三角放大机构的固有特性，分析铰链的主要结构参数对三角放大机构固有频率和等效刚度的影响。利用ANSYS软件计算和仿真研究了直圆柔性铰链条件下三角放大机构固有频率和等效刚度随铰链半径和厚度的变化规律。研究结果表明，柔性铰链厚度对固有频率和等效拉伸刚度的影响较大，柔性铰链半径对固有特性的影响较小，该研究结果为深入探索驱动器系统动力学模型奠定了基础。

三角放大机构；固有频率；等效刚度

微位移放大机构被广泛地应用于微驱动测控系统设备中。由于微驱动设备多采用智能材料作为驱动源，其变形位移较小（微米级），因此增设位移放大机构可以放大智能材料的变形位移，满足驱动和定位的要求。

目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆放大机构和三角放大机构[1-2]。其中，杠杆放大机构具有结构简单、易于加工的特点，被国内外学者广泛而深入地研究。相比之下，三角位移放大机构的对称性好，智能材料驱动时承受的压应力均匀，可避免压电陶瓷等脆性智能材料被损坏，但结构相对复杂，数学模型的建立困难，设计具有该类型位移放大机构的微驱动器时，通常采用数值模拟（如有限元）的方法，经过多次仿真获得最佳的结构参数。该方法的特点是建立的实体模型直观，计算结果较精确。

本文将利用ANSYS有限元软件仿真研究具有柔性铰链的三角位移放大机构的固有频率和等效刚度随主要结构参数的变化规律，避免微位移驱动器工作时发生共振损坏现象，为驱动器的设计和应用奠定了基础。

1 三角放大机构建模与仿真

本文建立的三角位移放大机构的示意图如图1所示。仿真建模时，选取圆心角为180°，材料为硬铝合金的三角位移放大机构，分析三角放大机构固有频率和等效刚度随主要结构参数的变化规律。

图1 三角放大机构参数简图

利用ANSYS有限元软件对三角放大机构进行实体建模，仿真计算不同结构参数条件下的固有频率f，振型和计算结果分别如图2和图3所示。

图2 三角放大机构振型

图3 固有频率仿真计算结果

由图3可见，当柔性铰链半径R不变时，三角放大机构的固有频率f随铰链厚度t的增加而增加；当铰链厚度t不变时，三角放大机构固有频率f随铰链半径R的增加而降低，但变化量较小。因此，可以根据仿真计算结果设计具有柔性铰链结构的三角放大位移放大机构，从而避免驱动器工作时三角位移放大机构发生共振损坏现象。

同理，基于上述有限元实体模型，仿真计算了不同铰链半径R和铰链厚度t条件下三角放大机构的等效拉伸刚度k2，仿真计算结果如图4所示。

由图4可见，当铰链半径R不变时，三角放大机构的等效拉伸刚度k随铰链厚度t的增加而增加；当铰链厚度t不变时，三角放大机构等效拉伸刚度k随铰链半径R的增加而增加。

图4 等效刚度仿真计算结果

结束语

利用ANSYS有限元软件仿真计算了三角放大机构等效拉伸刚度和固有频率随铰链半径和铰链厚度的变化规律。分析结果表明，柔性铰链厚度对固有频率和等效刚度的影响较大，铰链半径对其影响作用较小。该研究结果为驱动器的设计提供了理论基础。

[1]杜习波,陈西平,张斌,等.基于三角原理的压电驱动微位移定位机构的设计与分析[J].航空精密制造技术,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

TH703

A

10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.19.104