电流变液微阀门加工公差带选择与盲文凸点显示关系*

徐鲁宁， 李宇飞， 韩 立， 沈 容， 陆坤权

(1.中国科学院 电工研究所 微纳加工技术部，北京 100190；2.中国科学院 物理研究所 北京国家凝聚态物理实验室 软物质物理重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049)

受盲文输出标准的限制，现有技术很难在毫米级空间完成对盲文凸点显示的控制，致使现有盲文输出手段存在显示内容少、价格昂贵的不足，无法满足视障群体的自学需求.电流变液(electrorheological fluids，ERF)微阀门的微流道、小体积特征[1-7]，以及极性分子型ERF更高的屈服强度[8]，为实现大容量、低成本、高密度阀门阵列的面阵盲文显示器提供了可能性[9-10].在解决ER微阀门使用持久性问题之后[11]，并联结构的阀门阵列性能一致性，成为将ER微阀门阵列应用于面阵盲文显示器之前必须要解决的重要问题.而阀门关键参数公差带是影响并联阀门性能一致性、正确实现盲文凸点显示的重要因素.本文通过对并联阀门性能一致性模型的理论分析，研究了影响阀门流动阻力和流量的阀门关键几何参数，及其公差带选择对其影响的规律.并根据模型指导选择了并联阀门阵列尺寸公差带，经过注塑工艺加工验证，此公差带控制下的并联阀门阵列可以满足盲文标准规定的应用需求.

1 使用原材料、仪器及设备

实验采用中国科学院物理研究所研制的C-T-O极性分子型电流变液.颗粒体积分数为30%，分散相为液压油.ER阀门的工作电场由天津东文高压电源厂的高压直流电源(DW-P303-1AC)提供，输出电压范围0 V～30 kV；并联式阀门的进口压力采用北京昆仑海岸传感技术有限公司的压力传感器(JYB-KO-PW2GZG)检测，量程为0～500 kPa；由直流电源(XD17110A-120)提供24 V工作电压，并通过美国国家仪器有限公司(NI)的数据采集系统(NI PXIe-6361 X Series)实时检测进口压力值，单通道采样率为2 MS/s，满足实验要求.

2 并联阀门加工及其一致性测试装置和方法

电流变液并联阀门用于面阵盲文字符显示，在确保并联阀门工作一致性的前提下，要具有低成本、大批量加工的特性，才能符合视障人群的消费能力，满足其使用需求.基于以上考虑，我们采用注塑加工方式制作并联阀门，以适用于后续的大批量加工，获得低成本、控制盲文凸点显示的并联式电流变液阀门.并联阀门性能一致性测试原理示意图如图1所示.图中给出的一对并联阀门，由活塞提供入口压力，在工作参数相同的情况下，出口流量受阀门结构参数影响，并联阀门出口流量的差异，会最终体现在盲文凸点显示高度上.在给定的阀门进口压力下，测定盲文凸点显示高度是否在盲文标准规定之内，即可判定并联阀门的加工误差是否满足盲文显示需求.阀门进口压力有压力传感器监测，并将数据传输到上位机存储，以备后续分析.

3 建模分析与讨论

矩形截面流道阀门是ER阀门的一种主要形式，如图2所示，阀门主要结构参数为阀门间隙h、阀门长度l及阀门宽度w，Q为阀门流量.

Pi和Po分别为阀门入口和阀门出口压力，阀门压力差为

ΔP=Pi-Po.

(1)

当电流变液(ERF)在矩形截面流道中流动，根据矩形截面泊肃叶公式，其阻力压差ΔP和阀门流量有如下关系：

(2)

式中，μ为流体黏度.另有

Q=vawh，

(3)

式中，va是流体在流道内流动的平均速度，将式(3)带入式(2)可得：

(4)

由此可见，阀门的流动阻力只与阀门间隙h和阀门长度l有关.将式(4)分别对阀门长度l和阀门间隙h求导，可得阀门压差随着两者变化的梯度：

(5)

(6)

所得梯度的绝对值越大，说明该尺寸对流动阻力变化的影响越大.在盲文凸点显示应用中，受盲文标准限制，及综合考虑电流变液工作电场强度与外控电路的体积和成本，阀门间隙h为亚毫米等级，比阀门长度l的尺寸小一个数量级.因此，阀门间隙的尺寸波动对阀门流动阻力的影响，远大于阀门长度尺寸波动所造成的影响.这表明，阀门间隙尺寸及其公差带，是影响并联ER微阀门流动阻力波动的重要参数，是加工并联阀门时需要着重考虑的设计参数.

对于并联形式的ER微阀门，任意两并联关系的微阀门流道ER1、ER2的阀门压降相等，即ΔP1=ΔP2.参考式(2)则有：

(8)

用于盲文凸点控制的矩形截面电流变液微阀门的阀门长度l在所有阀门尺寸中取值最大，是其他两个尺寸数值的几倍至十几倍量级，其公差带波动对并联阀门性能一致性的影响可以忽略，则有：

(9)

两阀门的阀门间隙和阀门宽度在尺寸上的公差波动可表示为Δh和Δw，即有如下关系：

h1=h2+Δh

(10)

w1=w2+Δw.

(11)

将式(10)、(11)带入式(9)中可得：

(12)

两阀门的流量差：

(13)

将式(13)中的多项式进行展开，并略去式中的高次项，则有

(14)

式(14)即为矩形截面阀门尺寸公差带的选择依据.

盲文国家标准规定盲文凸点的高度为0.2～0.5 mm，对应的盲文凸点的容积范围为0.4～1 μL，因此，需要存在尺寸公差的各流道流量均在这一容积范围之内，即需要存在尺寸公差的任意两流道的流量差小于0.6 μL，即|ΔQ|≤0.6 μL，若其大于0.6 μL，则并联流道中必有某个阀门流道的流量过大或不足，流量过大会导致盲文凸点过高，盲文凸点间的高度波动过大，过度刺激盲人触觉，产生触摸疲劳，影响盲人阅读持久性；流量不足则会导致盲文凸点突起高度不够，无法被盲人正常感知，妨碍阅读，形成误显示.

对于截面尺寸为1.8 mm(w)×0.4 mm(h)的电流变液微阀门流道，若将两个尺寸的公差带定义为±0.1 mm，则有-0.1 mm≤Δh≤0.1 mm，-0.1 mm≤Δw≤0.1 mm，按照式(14)计算可得，|ΔQ|≤1.034 μL，并行流道的流量差异，有较大概率大于0.6 μL；说明所选公差带过大，显示错误盲文凸点的概率很高，此公差带不适用.若将阀门间隙的公差带调整为±0.05 mm，保持阀门宽度公差带不变，则可得|ΔQ|≤0.519 μL，此时并联流道之间的流量差异在盲文标准允许范围之内，满足应用需求.

4 并联阀门测试结果

经过理论模型分析，考虑到后续产品化的工艺可行性和工艺成本，采用注塑加工方式以阀门间隙为0.4 mm，公差带为±0.05 mm，加工了并联流道的ER微阀门，如图3(a)所示.并用游标卡尺对盲文凸点的高度进行测量，测量结果显示，所有盲文凸点高度都在盲文标准规定的0.2～0.5 mm范围内.满足应用需求，如图3(b)所示.

5 结论

阀门尺寸公差带选择影响着并联电流变液微阀门性能的一致性.对用于盲文凸点显示的矩形截面的电流变液微阀门，其阀门间隙尺寸基数最小，它的公差带选择对并联阀门性能一致性影响最大，是设计中需要着重考虑的设计参数.略去流量一致性分析模型中高阶项，并未影响分析结果.根据本文模型选择的公差带所加工出的并联式电流变液微阀门，满足多行盲文显示的应用需求.