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二级杠杆式微牛级微力发生机构

发布时间:2019-04-25 15:09  浏览:

        

        

        

        摘要: 力变频器使基准化体系的使基准化现势,设计了一种二级杠杆式微力电邮系统组合发生机构。率先,在匹敌经用的行为准确的的和机能的由于,绍介了微力电邮系统组合发生机构的交给某人规律。后来地,在思索杆件使变形和心挠度的由于,特色程度杠杆和灵活性铰链的力能发射,导出了二级杠杆式微力电邮系统组合发生机构减力多个的的大众化的观念计算办法,并以添加力多个的为设计目的。,在此由于,建造了微力电邮系统组合发生机构的使最优化设计办法。。继承,停止了有限元虚幻的辨析。,通行了特色出口杰出的事用下的力壁联特点。。上个,微力电邮系统组合发生机构I的机能检验平台。。产生弄清::,有限元辨析、试验产生与大众化的观念力值暗切中要害最大换衣,试验非线形的绝对偏差,0~500的执行 μN的微力电邮系统组合整枝。以为减力乘子履行设计必需品。,校对了采取该使最优化设计办法准确的设计二级杠杆式力柔顺机构、进步微力电邮系统组合整枝行为准确的的的行为准确的的。

        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 使担负。 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 目前的。 Moreover, the response characteristics under different input forces were obtained by performing finite element 模仿。 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 成功。 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 使担负。

        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(缺乏10)-5 N)普及的就职于海洋技术接。[1]、航空与航天空间[2]、生物医学[3]、原子力显微镜听起来[4]、MEMS与微纳开动机器[5-6]和另一边好多科学技术接。当准确的且软弱的变频器被基准化时、测力与微手感,力程度很小。,早已成功了典型的值。μN级。国际公约的排除听起来与辨析脱落结合的应用。、变频器塑造和平台行为准确的的极点,国际公约的强力值基准机不符合装载这般的。微力电邮系统组合发生的持续在办法,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学习,经过把持电流和另一边变量,更大漫游的力和,无论如何,片断使热是由使电气化一道菜通向的。,发生热漂移景象;摩擦电发电规律,学习人员目前的摩擦电梳。[8]摩擦电分歧板[9]微力电邮系统组合发生办法,无论如何空间作文限度局限了力的漫游。,普通而言,仅有的插入发生,手感复杂。,感动抵抗丝很多。;国度摩擦电学习所目前的的摩擦电场重现办法[10],使用灵活性机构将微力电邮系统组合发射到内筒电极,摩擦电力与机械力的穿插检测,特色缺乏300。 μN,分辨能力15 nN。较远的的,限度局限内电极成轴的娱乐,无效的工作平台四十天的工夫表面感动,特色缺乏200。 μN下微力电邮系统组合的发生与使基准化[11];显微散斑阻碍物术,李等。[12]目前的了经过单晶发生和转移微力电邮系统组合的办法。,排除梁挠度和刚度整齐的计算微力电邮系统组合,开环体系并非易事把持。,整齐的测会引起绝对偏差。;吉林大学锻炼的压电的陶瓷微力电邮系统组合发生就职[13]正负压电的效应,压与使变形、使变形与出口力暗切中要害非线形的相干通向特色。,把持使变形的巨大换衣是很难实施的。。同时,压电的纸和烟叶也具有发热量。,鉴于自放电抵抗的在,电荷不克不及[14],现世的不稳固的整枝是不正式的的的。;经过基准砝码重现力值是最佛经的。,重锤街区的国际公约整枝办法[15],由于分量自己是准确的和真实可信的的。,它可以在严重性方位上成功正是高的行为准确的的。,基准分量的最小分量为0.5。 mg(5×10-6 N)[10], 但这种小才能砝码的绝对不明确度[16]、一串静重、很难疏忽街区和用绳子系牢暗切中要害摩擦力。,手感绝对偏差对整枝行为准确的的有感动。[17]

        最后,中外袖珍力发生器的学习交给某人首要集合在、微力电邮系统组合的测与起端。或就职压电的纸和烟叶、摩擦电力和磁力。,或转向微柔顺的发射和替换,通常关于把持和基准化的沉重地。、苛刻的的健康状况和复杂的手感、难以有效的地停止准确的定量整枝、难以实施高行为准确的的等现实问题。,而且普通具有不易挥发的的仪器等的)灵敏性和测漫游。,只分歧的一体处境。。但值当当心的是,与国际公约铰链比拟,灵活性铰链缺乏摩擦和张开。、反复性好,行为准确的的高,学习人员迅速发展。[18-20]。杠杆式灵活性机构简略真实可信的。、可宏观世界化开动机器、能耗低、无磨损、可实施高行为准确的的娱乐等。,它已发生O中最佛经的娱乐和缩放比例机制。。

        为了通行500 μN以下准确的微力电邮系统组合,鉴于杠杆力柔顺机构的规律,本文以力取消法令多个的K=210+5为设计交给某人。,鉴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生机构,就职伸缩性力学和纸和烟叶力学大众化的观念,对K的大众化的观念计算办法停止了议论。,在此由于,目前的了关头次元的使最优化设计办法。,经过有限元虚幻的和试验校对。。本文的设计和试验办法可供指的是。。

2 交给某人规律 直圆灵活性铰链

        经用的灵活性铰链具有弧形。、圆角直梁式、卵形的等典型。当最小厚度t坚持不变的时,铰链的心角是同卵的的角度。,圈子型、长圆灵活性铰链必要较小的扭转力。, 分歧的小扭转力驾驭处境。。当使不适同卵的的次元和扭转力时, 长圆灵活性铰链具有最大的时滞角。, 黄金时代仪器等的)灵敏性, 分歧的行为准确的的必需品高的处境。[21]。圈子铰链具有黄金时代的旋转行为准确的的。[22],但它不料细微旋转。,其次是长圆铰链。,特别的,直圆灵活性铰链具有较高的行为准确的的且就职去普及的。如此,思索到微力电邮系统组合的准确的发射。、作文的紧凑性和开动机器的复合物。,本文选择直圆灵活性铰链用于发射力和替代。

直圆灵活性铰链的刚度辨析

        灵活性铰链的行为准确的的普通是指伸缩性铰链的挠性。[23],灵活性铰链的转动刚度是本人要紧的决议因素。,中外在流行中的直圆灵活性铰链的刚度计算办法[24-25]早已使苍老,直圆灵活性铰链的相关性决议因素如图 1所示。直圆灵活性铰链的使变形集合在圈子的最灯心草篓比例且使变形量正是巨大,疏忽使变形阻碍物的另一边比例,最小厚度t对转动刚度Kα最大感动, tKα添加沿曲线行进和添加全速。,其次是半径。R,上个宽度b,且bKα线形的递加相干[21],如符号(1)所示:

        需要的东西通用较小的转动刚度和盗用的成轴的T。,绝对而言,转动刚度速度系数。。初期的浓厚的有限元模仿交给某人弄清:,微杰出的事用下,成轴的牵引力严格Kx轻易履行,如此,在履行极点应力的健康状况下,,得率先决议。b,放量添加。t,在此由于,必要停止定量辨析。R转动和成轴的牵引力刚度的感动。思索到必需品和开动机器健康状况等。,选择b=5 mm,t=0.4 mm,R在0~5 =megameter漫游换衣。本文学习了密度小、严格高的硬质包铝钢板。,伸缩性模量E=72 GPa,灵活性铰链转动和成轴的牵引力刚度的计算[25],作为典型(2):

        式中s=R/t

        用MATLAB软件编制计算顺序,通行了它们暗切中要害相干。图 2所示。

        跟随R的增大,KαKx均呈空投放任自流,换衣变得坦。,思索灵活性铰链的刚度必需品,后段润滑区域的选择R=3.8 mm。

二级杠杆式微力电邮系统组合发生机构

        在此由于,本文设计了一种对称美微分的的式二级杠杆微力电邮系统组合发生机构,采取稳固的四点约束法。,在左、右PA上整枝特色值的基准重量。,灵活性铰链发射力与替代,在第二产程杠杆的力出口端通用铅直方位的微力电邮系统组合。对称美微分的作文有助于治疗CO的非线形的,取消法令程度、在向前的上,替代和力是耦合的。。在行为一道菜中,杠杆的静重发生非正义衡力和惰性力矩。,在缠住娱乐对中发生动态压力。,再者,娱乐的行为准确的的和真实可信的性取消法令。,同时,杠杆的现世的挠曲也会通向PLA。,如此,每个杠杆的重点得第二名F的心。,微力电邮系统组合发生机构在空载下实施初始平版印刷,同时在二级杠杆处设置受力联系端,实施整齐的整枝。最后,上个,建造了等厚度集成榜样。图 3所示。

3 静力学辨析 减力多个的的大众化的观念计算

        帮助的机构榜样,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,高音部、两级动力臂别离为l1l3,抵抗臂的一定尺寸的别离为l2l4,怀抱过渡条C1D1=C2D2=d,杠杆的矩形部门的身高是h,宽为z。必要滑降的力和替代。,只好包管F。IN1大于f,横向力和替代很小,大比例平版印刷了EA。,如此疏忽了横向微力电邮系统组合和替代。

        非敏感得第二名的帮助榜样,以次转动第本人杠杆。A1B1C1A2B2C2、怀抱过渡条C1D1C2D2、第二产程杠杆D1ED2F别离停止了应力辨析。。

        (1) 高音部杠杆A1B1C1的受力辨析

        力健康状况如图 4所示,从平版印刷健康状况:

        外力杠杆功能,使变曲使变形与修剪使变形,为了无估计本钱的的梁星l/h5)杠杆功能,修剪力比弯矩小得多。,通常可以疏忽不顾。。

        无论哪些部门的弯矩都是:

        由于伸缩性大众化的观念,高音部杠杆A1B1C1使变曲语气能是:

        怀抱比例的刚度为:

        Hi(i=1, 2)使变曲语气能别离为

        总语气能为:

        使变曲使变形的叠加规律,A1铅直替代是

        C1出口替代为

        从伸缩性使原形体的功能规律动身:

        (2) 替换条C1D1的受力辨析

        力健康状况如图 5(a)所示,同样地可获:

        替换条C1D1牵引力语气能为

        替换条C1D1牵引力使变形量为

        从伸缩性使原形体的功能规律动身:

        (3) 高音部杠杆A2B2C2的受力辨析

        力健康状况如图 6所示,同样地可获:

        对无论哪些部门的弯矩都是:

        高音部杠杆A2B2C2使变曲语气能是:

        灵活性铰链的使变曲语气能别离为::

        总语气能为

        A2替代是

        C2出口替代为

        从伸缩性使原形体的功能规律动身:

        (4) 替换条C2D2的受力辨析

        力健康状况如图 5(b)所示,同样地可获,

        替换条C2D2牵引力语气能为

        替换条C2D2铅直方位上的牵引力一定尺寸的为

        从伸缩性使原形体的功能规律动身:

        (5) 第二产程杠杆D1ED2F的受力辨析

        力健康状况如图 7, 同样地可获:

        精确地解释力添加多个的。

        K值巨大整齐的传达机构的运放机能,K估计本钱越大,团体的执行越好。,当FIN1F在一定漫游内的换衣。,K值越稳固弄清机构的反复行为准确的的越高。

键杆一定尺寸的次元的使最优化设计

        由于符号(1)~(35),已知力发生机构的杆长巨大。,以x=[l2, l4, θ1, θ5]为根底变量,根本决议因素的迭代可以决议减力多个的。。思索到杠杆的巨大通向的宏观世界刚度缺乏,K值动摇,后来地停止娱乐出口。、出口暴露非线形的相干,当FIN1、F在一定漫游内换衣,大众化的观念计算值与设计尼古丁的特色,大众化的观念设计行为准确的的黄金时代。。同时,减小灵活性铰链的成轴的拉应力。,遵照轻量子化根本原则,在履行怀孕膨胀多个的的健康状况下,尽量添加完全机构的静重。,必需品机构的宏观世界次元尽量小。。可以添加多K=213作为设计必需品。,将目的职务设置为

        结合的机能必需品、次元限度局限和特别健康状况,约束健康状况别离为:

        (1) 包管单级阻碍臂大于动力臂,为了成功两个严格的取消法令,由于抱负环境下二级杠杆规律,当l2当取最低限度时,l4取尖端,反之亦然。即:

        (2) 由于二级杠杆规律,杆在各级的一定尺寸的决议了力的最大比例R。,但精力亏耗一定引起力压缩制紧缩多个的大于抱负环境下二级杠杆规律所得。即:

        (3) 微力电邮系统组合整枝和出口端的向前的力使Tθi 5°),且H1H5它们都逆时针方向的旋转。。履行:

        微力电邮系统组合发生机构的根本次元为:表 1所示,应用Matlab软件切中要害Fgoalattain职务器集对杆长次元停止使最优化求解,复杂的额外的决定因素的换衣,额外的决定因素的重量=[ 1 ]在单调重量下选择。 1)通用最优非劣解,对迭代一道菜停止了校对。θ1θ5约束漫游的换衣对K值感动很少。,该产生可作为本人平均的角度来表现现实角度。。由于现实开动机器和应用健康状况,对产生停止滤波和有待改正,以通用终极的棒长。l2=94.5 mm,l4=310 mm。

4 试验校对 微力电邮系统组合发生机构的有限元模仿

        为了校对动态榜样和使最优化一道菜的正式的,使用ANSYS Workbench软件对榜样停止了有限元虚幻的辨析。。有限元榜样的次元决议因素与,用决议因素化建模办法计算各级重量,使用结合自动化、片断灵活性铰链和力出口端的网格变细办法。需要的东西通行机械出口端的力出口。,如此选择了三维本质单元SRID187。。思索到绝对简略的边界健康状况,如此,效劳对现实交给某人健康状况停止模仿。、灵活性铰链和力出口端不易挥发的后,,李渔出口整枝0~10 g砝码力漫游内的25组多多少少均布的特色力值,出口力是推动出口端管理权的力换衣。。用硬质包铝钢板纸和烟叶,横向变形系数为,密度为2。 700 kg/m3,降服极点和抗拉严格均为265。 兆帕和410 MPa。

        有限元模仿产生列举如下图 10(a)所示,模仿沿曲线行进与大众化的观念沿曲线行进身高分歧。,K值稳固性,同时,微力电邮系统组合模仿值暗切中要害最大换衣。。

微力电邮系统组合发生机构的试验学习

        鉴于上述的次元决议因素,采取正常运转线削减技术通行现实的二级杠杆式力微力电邮系统组合发生机构如图 8所示。

        图 9微力电邮系统组合发生机构试验检验图,试验在室温20℃下停止。 在本人不通气的的房间里,在本人体温。,设计了一种镶嵌微力电邮系统组合发生机构的夹紧机构。,分辨能力是 μm)上。装填前应用辨析脱落(AL104),分辨能力是0.01 Mg)基准化砝码, 为了治疗Flex中先前整枝通向的剩余语气能,采取整枝-静置突然跌倒或落下-反复整枝的方法将各组差值砝码别离整枝至摆布Ⅴ型托盘处。分量特色是出口力。,辨析脱落的读数差是出口力。,差分计算的另本人优点是它废止了体系E。。

        如图 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生机构投入对应的25组整枝试验,别离记载出口力并计算现实K值。。力出口和力出口别离为图 9(c)9(d)所示,试验产生如图 10(a)所示;如图 9(b)所示,当出口不受约束时,使用激光替代SE测各力出口的替代,跟随出口力的添加,力出口的替代逐步增大,最大VaR逐步增大。 μm,最大出口力为 μN。在发生最大举值的由于,以 μM为单位,力出口和辨析脱落的绝对替代发生换衣。,通行了替代与力暗切中要害相干。图 10(b)所示,鉴于学习所的替代的基准化办法的可能性性,通行使适合沿曲线行进。:

        试验产生弄清:::,试验沿曲线行进与大众化的观念线形的沿曲线行进根本分歧。,试验的非线形的绝对偏差,K值的动摇较小。,同时,试验值与T暗切中要害最大换衣。。

议论

        关于交给某人弄清,虚幻的、试验产生与大众化的观念值暗中仍在巨大绝对偏差。,试验与虚幻的产生绝对偏差的可能性引起:

        (1) 在铅直方位上的力和替代仅思索在,虚幻的和试验中现实在的横向巨大举及替代引起了校对产生与大众化的观念计算暗中巨大绝对偏差的发生。

        (2) 在正常运转线削减开动机器中,速食食品低温引起硬质包铝钢板的切削刃。,引起旋转和牵引力刚度添加。,娱乐持续的工夫的精力消耗添加,试验的力值缺乏模仿值。,K值添加。,次元绝对偏差也会感动MECH的行为准确的的和机能。。

        (3) 在陆续试验一道菜中,微力电邮系统组合发生机构的精力突然跌倒或落下工夫可以是INS。,使变曲工作量功能下灵活性铰链的剩余语气能,对后续试验产生的感动。

        持续在办法[12-15]比拟,微力电邮系统组合发生机构采取狭长直梁式杠杆,在一定程度上停止了国际公约的宏观世界刚性缺陷。、非线形的出口及另一边缺陷,实施了行为准确的的和反复性。;鉴于特色规律,治疗了体系绝对偏差。,大众化的观念上,可以通行任性力值的出口力。,整枝一道菜中感动抵抗丝较少的。,上个,通用了牛的出口功率的较高行为准确的的。;宏观世界正常运转线削减开动机器,与国际公约MEMS复合技术比拟,其开动机器余量小。、创造本钱低,拆卸行为准确的的高。。

5 收场白

        本文将灵活性铰链和二级杠杆机构创始就职于微力电邮系统组合发生机构的设计,在匹敌几种经用挠曲H的机能的由于,选择行为准确的的高。、分歧的小扭转力驾驭处境。且就职去普及的的直圆灵活性铰链,建造了二级杠杆式微力电邮系统组合发生机构榜样;在思索杆件使变形和心挠度的由于,导出了力取消法令多个的K的大众化的观念计算办法。;为了实施本人力添加多个的作为设计目的,目前的了二级杠杆式力发生机构的使最优化设计办法,通行了关头杆的使最优化一定尺寸的。;使用ANSYS 采取Workbench软件停止有限元虚幻的辨析。,建造了微力电邮系统组合发生机构的机能检验平台。,通行了特色出口杰出的事用下的力壁联特点。。产生弄清::,虚幻的、试验产生与大众化的观念力值暗切中要害最大换衣,试验非线形的绝对偏差,如此,以为力取消法令了多个的。k履行设计必需品,微力电邮系统组合发生规律、设计和试验办法是正式的可用的的。,有助于这种灵活性机构的学习和设计。。在未来的交给某人中,还应思索由M通向的震动干涉。,过后,可以设置初级防震的和工作平台四十天的工夫就职。。

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