二级杠杆式微牛级微力发生机构

摘要:
力变频器不相容的体系的不相容的情形,设计了一种二级杠杆式微力电邮系统组合发作机构。率先,在比力经用的苛求的和机能的按照,引见了微力电邮系统组合发作机构的分配规律。那时的,在思索杆件变质和感情挠度的按照,辨别程度杠杆和灵活性铰链的力能印,衍生物了二级杠杆式微力电邮系统组合发作机构减力多个的的观点计算方法,并以缩减力多个的为设计目的。,在此按照,体格了微力电邮系统组合发生机构的最优化设计方法。。相继不绝,举行了有限元虚幻的剖析。,开始了辨别出口名功能下的力对称的特点。。最初,微力电邮系统组合发生机构I的机能考验平台。。树或花草结果泄漏:,有限元剖析、试验树或花草结果与观点力值当切中要害最大多样化,试验非通过单独的若干阶段来发展绝对偏差,0~500的器 μN的微力电邮系统组合使担负。以为减力乘数内容设计规定。,使合法化了采取该最优化设计方法苛求设计二级杠杆式力柔顺机构、增强微力电邮系统组合使担负苛求的的苛求的。

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 工作量。 Initially, the working principle of the micro-force generator was introduced based on the performance comparison among general flexure hinges. 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 (有限元剖析) 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 管辖的见识。 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 苛求 of micro-Newton 工作量。

Key words:

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

1 小引

微力电邮系统组合(决不10)-5 N)普遍申请表格于海洋技术管辖见识。[1]、航空与航天空间[2]、生物医学[3]、原子力显微镜使出声[4]、MEMS与微纳触摸[56]和其他的许多的科学技术管辖见识。当苛求且软弱的变频器被不相容的时、测力与微动手术,力程度很小。,先前管辖的见识了典型的值。μN级。引渡的类别使出声与剖析比例混合运用。、变频器制作和平台苛求的限度局限,引渡的强力值基准机志趣不相投的装载这般的。微力电邮系统组合发生的持续在方法,W 金等。采取安培力发生规律。[7],电流线圈拔出永久磁铁切中要害得出所预测的结果,经过把持电流和其他的变量,更大见识的力和,只,本地新闻被加热是由刺激颠换惹起的。,发生热漂移气象;静力学发电规律,得出所预测的结果人员赠送静力学梳。[8]静力学划一板[9]微力电邮系统组合发生方法,即使空间机构限度局限了力的见识。,大抵,可是煤烟发生,动手术复杂。,支配元素很多。;国籍静力学得出所预测的结果所赠送的静力学场重现方法[10],使用灵活性机构将微力电邮系统组合印到内筒电极,静力学力与机械力的穿插检测,多样性决不300。 μN,分辨系数15 nN。促进的,限度局限内电极成轴的突变,排泄细节隔离所表面支配,多样性决不200。 μN下微力电邮系统组合的发生与不相容的[11];显微散斑干预术,李等。[12]赠送了经过单晶发生和被传送微力电邮系统组合的方法。,类别梁挠度和刚度间接的计算微力电邮系统组合,开环体系并非易事把持。,间接的测会创造绝对偏差。;吉林大学制成品的压电的陶瓷微力电邮系统组合发作有根基的[13]正负压电的效应,使紧张与变质、变质与出口力当切中要害非通过单独的若干阶段来发展相干惹起多样性。,把持变质的巨大多样化是很难了解的。。同时,压电的让吃饱也具有发热量。,鉴于自放电阻碍的在,电荷不克不及[14],远程不坚决的使担负是不宜的。;经过基准砝码重现力值是最古希腊与古罗马的文化研究的。,重锤反桨划船的引渡使担负方法[15],因分量其是苛求和信实的。,它可以在吸引力关系上管辖的见识绝高的苛求的。,基准分量的最小分量为0.5。 mg(5×10-6 N)[10], 但这种小素养砝码的绝对不确实知道度[16]、成索状或绳状重负、很难疏忽反桨划船和用绳子捆绑当切中要害摩擦力。,动手术绝对偏差对使担负苛求的有支配。[17]

概括地说,中外袖珍力发作器的得出所预测的结果分配首要集合在、微力电邮系统组合的测与究根儿。或申请表格压电的让吃饱、静力学力和磁力。,或从事微柔顺的印和替换,通常跟随把持和不相容的的拮据。、剧烈的的健康状况和复杂的动手术、难以初步的地举行苛求定量使担负、难以了解高苛求的等现实问题。,而且普通具有整齐的的感性和测见识。,只遵从的什么都可以人场所。。但值当留意的是,与引渡铰链比拟,灵活性铰链不注意摩擦和豁开。、反复好,苛求的高,得出所预测的结果人员迅速发展。[1820]。杠杆式灵活性机构简略信实。、可全体化触摸、能耗低、无磨损、可了解高苛求的突变等。,它已变成O中最古希腊与古罗马的文化研究的突变和使标准化机制。。

为了开始500 μN以下苛求微力电邮系统组合,由于杠杆力柔顺机构的规律,本文以力压缩制紧缩多个的K=210+5为设计分配。,由于直圆灵活性铰链设计了一种二级杠杆式微力电邮系统组合发作机构,申请表格回弹力学和让吃饱力学观点,对K的观点计算方法举行了议论。,在此按照,赠送了中心量纲的最优化设计方法。,经过有限元虚幻的和试验使合法化。。本文的设计和试验方法可供证明人。。

2 分配规律 直圆灵活性铰链

经用的灵活性铰链具有弧形。、圆角直梁式、长圆体的等典型。当最小厚度t记住不乱性时,铰链的感情角是相等的的角度。,弧型、长圆灵活性铰链必要较小的捻。, 遵从的小捻驾驭场所。。当替换相等的的量纲和捻时, 长圆灵活性铰链具有最大的倾斜的角。, 无上的感性, 遵从的苛求的规定高的场所。[21]。弧铰链具有无上的的旋转苛求的。[22],但它只细微旋转。,其次是长圆铰链。,特别的,直圆灵活性铰链具有较高的苛求的且申请表格绝普遍。从此,思索到微力电邮系统组合的苛求印。、机构的紧凑性和触摸的多相。,本文选择直圆灵活性铰链用于印力和摆脱掉。

直圆灵活性铰链的刚度剖析

灵活性铰链的苛求的普通是指回弹铰链的挠性。[23],灵活性铰链的转动刚度是本人要紧的限制因素。,中外朝着直圆灵活性铰链的刚度计算方法[2425]先前使苍老,直圆灵活性铰链的互插限制因素如图 1所示。直圆灵活性铰链的变质集合在弧的最缺点一部分且变素养绝巨大,疏忽变质干预的其他的一部分,最小厚度t对转动刚度Kα最大支配, tKα补充部分购买和补充部分生涯。,其次是半径。R,最初宽度b,且bKα通过单独的若干阶段来发展递加相干[21],如处方一览表(1)所示:

怀胎博得较小的转动刚度和权利的成轴的T。,绝对而言,转动刚度速度系数。。青年时期的弘量有限元仿照分配泄漏:,微名功能下,成轴的汲取优点Kx轻易内容,从此,在内容限度局限应力的健康状况下,,一定做的事率先确定。b,放量缩减。t,在此按照,必要举行定量剖析。R转动和成轴的汲取刚度的支配。思索到规定和触摸健康状况等。,选择b=5 mm,t=0.4 mm,R在0~5 毫米汞柱见识多样化。本文得出所预测的结果了密度小、优点高的硬质阿尔达勒。,回弹模量E=72 GPa,灵活性铰链转动和成轴的汲取刚度的计算[25],作为典型(2):

式中s=R/t

用MATLAB软件编制计算顺序,开始了它们当切中要害相干。图 2所示。

跟随R的增大,KαKx均呈谢绝癖好,多样化属于宁静的。,思索灵活性铰链的刚度规定,后段滑溜区域的选择R=3.8 mm。

二级杠杆式微力电邮系统组合发作机构

在此按照,本文设计了一种对称的差别的式二级杠杆微力电邮系统组合发作机构,采取不乱的四点约束法。,在左、右PA上使担负辨别值的基准体重。,灵活性铰链印力与摆脱掉,在第二产程杠杆的力出口端博得铅直关系的微力电邮系统组合。对称的微分的机构有助于拿下CO的非通过单独的若干阶段来发展,压缩制紧缩程度、在纤维方向上,摆脱掉和力是耦合的。。在行为颠换中,杠杆的重负发生奇数的衡力和滞性力矩。,在掌握突变对中发生动态压力。,不过,突变的苛求的和信实性压缩制紧缩。,同时,杠杆的远程挠曲也会惹起PLA。,从此,每个杠杆的重点定位F的感情。,微力电邮系统组合发作机构在空载下了解初始均衡,同时在二级杠杆处设置受力着端,了解径直使担负。概括地说,最初,体格了等厚度集成陶冶。图 3所示。

3 静力学剖析 减力多个的的观点计算

助长的机构陶冶,如图 3(b)所示,灵活性铰链Hi(i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)成轴的力是Fi,功能力矩Mi=Kα×θi,转动刚度Ki=Kα,概要的、两级动力臂引人注目为l1l3,阻碍臂的浆糊引人注目为l2l4,衣服的胸襟过渡条C1D1=C2D2=d,杠杆的矩形领巾的顶垂线是h,宽为z。必要下降的的力和摆脱掉。,一定誓言F。IN1大于f,横向力和摆脱掉很小,大一部分负的了EA。,从此疏忽了横向微力电邮系统组合和摆脱掉。

非敏感地方的助长陶冶,鱼贯转动第本人杠杆。A1B1C1A2B2C2、衣服的胸襟过渡条C1D1C2D2、第二产程杠杆D1ED2F引人注目举行了应力剖析。。

(1) 概要的杠杆A1B1C1的受力剖析

力健康状况如图 4所示,从均衡健康状况:

外力杠杆功能,锯齿形的线条、小径等变质与大剪刀变质,为了狭长的的梁星l/h5)杠杆功能,大剪刀力比弯矩小得多。,通常可以疏忽不顾的。。

什么都可以领巾的弯矩都是:

基准回弹观点,概要的杠杆A1B1C1锯齿形的线条、小径等性格能是:

衣服的胸襟一部分的刚度为:

Hi(i=1, 2)锯齿形的线条、小径等性格能引人注目为

总性格能为:

锯齿形的线条、小径等变质的叠加规律,A1铅直摆脱掉是

C1出口摆脱掉为

从回弹变质体的功能规律动身:

(2) 替换条C1D1的受力剖析

力健康状况如图 5(a)所示,同样地可获:

替换条C1D1汲取性格能为

替换条C1D1汲取变素养为

从回弹变质体的功能规律动身:

(3) 概要的杠杆A2B2C2的受力剖析

力健康状况如图 6所示,同样地可获:

对什么都可以领巾的弯矩都是:

概要的杠杆A2B2C2锯齿形的线条、小径等性格能是:

灵活性铰链的锯齿形的线条、小径等性格能引人注目为::

总性格能为

A2摆脱掉是

C2出口摆脱掉为

从回弹变质体的功能规律动身:

(4) 替换条C2D2的受力剖析

力健康状况如图 5(b)所示,同样地可获,

替换条C2D2汲取性格能为

替换条C2D2铅直关系上的汲取浆糊为

从回弹变质体的功能规律动身:

(5) 第二产程杠杆D1ED2F的受力剖析

力健康状况如图 7, 同样地可获:

界说力缩减多个的。

K值上涂料径直玻璃机构的运放机能,K涵义越大,棉纸的演技越好。,当FIN1F在一定见识内的多样化。,K值越不乱泄漏机构的反复苛求的越高。

键杆浆糊量纲的最优化设计

基准处方一览表(1)~(35),已知力发生机构的杆长上涂料。,以x=[l2, l4, θ1, θ5]为根底变量,根本限制因素的迭代可以确定减力多个的。。思索到杠杆的上涂料惹起的全体刚度不可,K值动摇,那时的举行突变出口。、出口浮现非通过单独的若干阶段来发展相干,当FIN1、F在一定见识内多样化,观点计算值与设计水手的多样性,观点设计苛求的无上的。。同时,减小灵活性铰链的成轴的拉应力。,遵照轻数字化根本,在内容希望膨胀多个的的健康状况下,尽量缩减整个的机构的重负。,规定机构的全体量纲尽量小。。可以缩减多K=213作为设计规定。,将目的有或起作用设置为

混合机能规定、量纲限度局限和特别健康状况,约束健康状况引人注目为:

(1) 誓言单级阻碍臂大于动力臂,为了管辖的见识两个优点的压缩制紧缩,基准梦想遗产下二级杠杆规律,当l2当取极小值时,l4取最大值的,反之亦然。即:

(2) 基准二级杠杆规律,杆在各级的浆糊确定了力的最大一部分R。,但潜在能力亏耗一定创造力压缩制紧缩多个的大于梦想遗产下二级杠杆规律所得。即:

(3) 微力电邮系统组合使担负和出口端的纤维方向力使Tθi 5°),且H1H5它们都逆时针方向地旋转。。内容:

微力电邮系统组合发作机构的根本量纲为:表 1所示,运用Matlab软件切中要害Fgoalattain有或起作用器集对杆长量纲举行最优化求解,复杂的额外的决定因素多样化,额外的决定因素体重=[ 1 ]在平坦的体重下选择。 1)博得最优非劣解,对迭代颠换举行了使合法化。θ1θ5约束见识的多样化对K值支配罕见。,该树或花草结果可作为本人使平衡角度来表现现实角度。。基准现实触摸和运用健康状况,对树或花草结果举行滤波和检查,以博得终极的棒长。l2=94.5 mm,l4=310 mm。

4 试验使合法化 微力电邮系统组合发作机构的有限元仿照

为了使合法化动态陶冶和最优化颠换的效力,使用ANSYS Workbench软件对陶冶举行了有限元虚幻的剖析。。有限元陶冶的量纲限制因素与,用限制因素化建模方法计算各级体重,使用必须的自动化、本地新闻灵活性铰链和力出口端的网格改善方法。怀胎开始机械出口端的力出口。,从此选择了三维物质单元SRID187。。思索到绝对简略的边界健康状况,从此,强制对现实分配健康状况举行仿照。、灵活性铰链和力出口端整齐的后,,李煜出口使担负0~10 g砝码力见识内的25组粗暴地均布的多样性力值,出口力是强制发生出口端使人沮丧的的力多样化。。用硬质阿尔达勒让吃饱,横向变形系数为,密度为2。 700 kg/m3,降服限度局限和抗拉优点均为265。 兆帕和410 MPa。

有限元仿照树或花草结果列举如下图 10(a)所示,仿照购买与观点购买顶垂线划一。,K值不乱性,同时,微力电邮系统组合仿照值当切中要害最大多样化。。

微力电邮系统组合发作机构的试验得出所预测的结果

由于前述的量纲限制因素,采取正常运转线分割技术开始现实的二级杠杆式力微力电邮系统组合发作机构如图 8所示。

图 9微力电邮系统组合发作机构试验考验图,试验在室温20℃下举行。 在本人封住的房间里,在本人高烧。,设计了一种建造成一部分微力电邮系统组合发生机构的夹紧机构。,分辨系数是 μm)上。装填前运用剖析比例(AL104),分辨系数是0.01 Mg)不相容的砝码, 为了拿下Flex中先前使担负惹起的剩余性格能,采取使担负-静置倾吐-反复使担负的方法将各组差值砝码引人注目使担负至摆布Ⅴ型托盘处。分量多样性是出口力。,剖析比例的读数差是出口力。,差分计算的另本人优点是它弃权了体系E。。

图 9(a)所示,于冷酷无情的隔震在朝的对二级杠杆式微力电邮系统组合发作机构形成对应的25组使担负试验,引人注目记载出口力并计算现实K值。。力出口和力出口引人注目为图 9(c)9(d)所示,试验树或花草结果如图 10(a)所示;如图 9(b)所示,当出口不受约束时,使用激光摆脱掉SE测各力出口的摆脱掉,跟随出口力的补充部分,力出口的摆脱掉逐步增大,最大VaR逐步增大。 μm,最大出口力为 μN。在发生最大举值的按照,以 μM为单位,力出口和剖析比例的绝对摆脱掉发作多样化。,开始了摆脱掉与力当切中要害相干。图 10(b)所示,由于得出所预测的结果所的其他的不相容的方法的有实行能够,开始相称的购买。:

试验树或花草结果泄漏::,试验购买与观点通过单独的若干阶段来发展购买根本划一。,试验的非通过单独的若干阶段来发展绝对偏差,K值的动摇较小。,同时,试验值与T当切中要害最大多样化。。

议论

前文分配泄漏,虚幻的、试验树或花草结果与观点值当中仍在巨大绝对偏差。,试验与虚幻的树或花草结果绝对偏差的能够使遭受:

(1) 在铅直关系上的力和摆脱掉仅思索在,虚幻的和试验中现实在的横向巨大举及摆脱掉创造了使合法化树或花草结果与观点计算当中巨大绝对偏差的发生。

(2) 在正常运转线分割触摸中,即食的低温创造硬质阿尔达勒的切削刃。,创造旋转和汲取刚度补充部分。,突变持续的工夫的潜在能力消耗补充部分,试验的力值决不仿照值。,K值补充部分。,量纲绝对偏差也会支配MECH的苛求的和机能。。

(3) 在延续试验颠换中,微力电邮系统组合发作机构的潜在能力倾吐工夫可以是INS。,锯齿形的线条、小径等附加费功能下灵活性铰链的剩余性格能,对后续试验树或花草结果的支配。

持续在方法[1215]比拟,微力电邮系统组合发生机构采取狭长直梁式杠杆,在一定程度上纠正了引渡的全体刚性缺陷。、非通过单独的若干阶段来发展出口及其他的缺陷,了解了苛求的和反复。;由于多样性规律,拿下了体系绝对偏差。,观点上,可以开始恣意力值的出口力。,使担负颠换中支配元素较少地。,最初,博得了牛的出口功率的较高苛求的。;全体正常运转线分割触摸,与引渡MEMS复合技术比拟,其触摸余量小。、创造本钱低,拆卸苛求的高。。

5 后记

本文将灵活性铰链和二级杠杆机构开创申请表格于微力电邮系统组合发作机构的设计,在比力几种经用挠曲H的机能的按照,选择苛求的高。、遵从的小捻驾驭场所。且申请表格绝普遍的直圆灵活性铰链,体格了二级杠杆式微力电邮系统组合发作机构陶冶;在思索杆件变质和感情挠度的按照,衍生物了力压缩制紧缩多个的K的观点计算方法。;为了了解本人力缩减多个的作为设计目的,赠送了二级杠杆式力发作机构的最优化设计方法,开始了中心杆的最优化浆糊。;使用ANSYS 采取Workbench软件举行有限元虚幻的剖析。,体格了微力电邮系统组合发作机构的机能考验平台。,开始了辨别出口名功能下的力对称的特点。。树或花草结果泄漏:,虚幻的、试验树或花草结果与观点力值当切中要害最大多样化,试验非通过单独的若干阶段来发展绝对偏差,从此,以为力压缩制紧缩了多个的。k内容设计规定,微力电邮系统组合发生规律、设计和试验方法是精密可行的的。,有助于这种灵活性机构的得出所预测的结果和设计。。在从今以后的分配中,还应思索由M惹起的震动背景。,后来地,可以设置初级防震的和细节隔离掌握根基的。。