一種多自由度定位系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

一種多自由度定位系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代藥理、信息科學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域微納科技的快速發(fā)展，在狹窄空間中正確定位微結(jié)構(gòu)、設(shè)備和組織的機(jī)會(huì)越來(lái)越多。微納智能駕駛技術(shù)的需求越來(lái)越高。壓電驅(qū)動(dòng)器自身受應(yīng)變極限(<0.1!)的限制,即使配合位移放大機(jī)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)行程往往仍難以滿足跨尺度驅(qū)動(dòng)的需求相比直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往往具有更大的運(yùn)動(dòng)空間和更強(qiáng)的操作靈活性,而對(duì)于關(guān)節(jié)臂式多自由度操作機(jī)構(gòu)而言,其壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與傳統(tǒng)沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)則存在很大差異,結(jié)構(gòu)布局需進(jìn)一步優(yōu)化,微型化難度更大.本文設(shè)計(jì)了一種新的微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu),采用左右定子對(duì)稱夾持、同步驅(qū)動(dòng)的方式,有利于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行,且結(jié)構(gòu)緊湊,易于微型化.建立壓電定子的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析,建立了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行沖擊過程分析,并通過仿真分析結(jié)果預(yù)估了該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的基本性能指標(biāo).1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1為微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意,采用對(duì)稱設(shè)計(jì),由U形基座、軸承驅(qū)動(dòng)模塊、旋轉(zhuǎn)軸、碟形彈簧等部件組成.兩個(gè)軸承驅(qū)動(dòng)模塊安裝在U形基座的兩側(cè),旋轉(zhuǎn)軸兩端采用階梯結(jié)構(gòu),通過螺釘調(diào)節(jié)碟形彈簧的變形,使得軸承驅(qū)動(dòng)模塊的套圈端面以一定的預(yù)緊力夾緊旋轉(zhuǎn)軸的階梯端面,旋轉(zhuǎn)套筒固定在旋轉(zhuǎn)軸上并用于安裝后續(xù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).圖2為軸承驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)示意,包括軸承座、十字支架、套圈和壓電堆,軸承座通過銷釘固定,十字支架支承的套圈在4個(gè)壓電堆的變形作用下產(chǎn)生鋸齒波往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),利用左右軸承驅(qū)動(dòng)模塊的同步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的單方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).圖3為微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作原理示意,采用鋸齒波電壓信號(hào)激勵(lì)壓電堆,利用慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(1)t(2)t一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束,旋轉(zhuǎn)軸即實(shí)現(xiàn)一次逆時(shí)針微小步進(jìn)運(yùn)動(dòng),通過周期性的工作循環(huán)累積,旋轉(zhuǎn)軸便可實(shí)現(xiàn)單方向連續(xù)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).通過改變鋸齒波的方向,即先快速上升再緩慢下降,則可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針步進(jìn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率,則可調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)位移和運(yùn)動(dòng)速度.2軸承驅(qū)動(dòng)模塊靜動(dòng)態(tài)特性分析為驗(yàn)證上述微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)在適宜材料和尺寸參數(shù)下的旋轉(zhuǎn)變形能力和慣性沖擊驅(qū)動(dòng)能力,利用仿真軟件ANSYS14.0對(duì)該機(jī)構(gòu)中的軸承驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了有限元靜態(tài)和模態(tài)分析圖4所示為軸承驅(qū)動(dòng)模塊在電壓激勵(lì)下的靜態(tài)仿真結(jié)果.圖4(a)為十字支架和套圈在壓電堆作用下(壓電堆1和3伸長(zhǎng),壓電堆2和4縮短)的變形圖,在1000V/mm等效電場(chǎng)的作用下,壓電堆的壓電應(yīng)變約為6.4×10對(duì)軸承驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行模態(tài)分析,研究了軸承驅(qū)動(dòng)模塊的固有振動(dòng)特性.軸承驅(qū)動(dòng)模塊的初級(jí)振動(dòng)模態(tài)如圖5(a)所示,其諧振頻率約為36kHz,一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)如圖5(b)所示,其諧振頻率約為101kHz.慣性沖擊驅(qū)動(dòng)要求工作在壓電定子的準(zhǔn)靜態(tài)頻率范圍,以滿足鋸齒波振動(dòng)輸出和粘滑耦合的要求3微型壓縮器的動(dòng)態(tài)建模和分析對(duì)壓電沖擊式馬達(dá)的性能分析,許多學(xué)者是通過建立動(dòng)力學(xué)理論模型3.1微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要功能模塊的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示,其中I建立以下動(dòng)力學(xué)方程組描述微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作過程:由于兩個(gè)軸承驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同,在同步控制下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)也相同,則式(1)可簡(jiǎn)化為其中M式中:s摩擦耦合模型對(duì)系統(tǒng)仿真精度有著重要的影響,本文使用經(jīng)典的庫(kù)侖摩擦模型3.2ink模塊的動(dòng)力學(xué)仿真分析根據(jù)式(2)、(3)和圖7摩擦耦合模型,利用MAT-LAB軟件中的Simulink模塊,建立了針對(duì)微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要功能模塊的動(dòng)力學(xué)仿真框圖,如圖8所示.仿真分析過程中的主要參數(shù)如表2所示.在仿真過程中未考慮壓電材料的遲滯、蠕變等非理想情況.分析過程表明,空載和初始靜止情況下,當(dāng)激勵(lì)電壓上升速率大于2×103.3旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)軸承驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)特性圖9為不同激勵(lì)電壓幅值下的旋轉(zhuǎn)軸位移輸出特性.設(shè)定鋸齒波激勵(lì)頻率為100Hz,占空比為99∶1,改變激勵(lì)電壓幅值分別為5V、10V、50V和100V,觀察10個(gè)周期內(nèi)軸承驅(qū)動(dòng)模塊扭轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)位移的情況.如圖9(a)~(d)所示,旋轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)位移隨著激勵(lì)電壓幅值的增加而增大.當(dāng)激勵(lì)電壓沿著鋸齒波的前沿緩慢上升時(shí),旋轉(zhuǎn)軸跟隨軸承驅(qū)動(dòng)模塊一起正向運(yùn)動(dòng),當(dāng)激勵(lì)電壓達(dá)到最大值并沿鋸齒波的后沿快速下降時(shí),旋轉(zhuǎn)軸與軸承驅(qū)動(dòng)模塊之間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng),軸承驅(qū)動(dòng)模塊快速回到初始位置,而旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一定的反向運(yùn)動(dòng),且不同電壓幅值下反向運(yùn)動(dòng)角度基本相等.在激勵(lì)電壓為100V時(shí),旋轉(zhuǎn)軸的位移輸出曲線近似為一條平滑直線,反向運(yùn)動(dòng)可忽略,步進(jìn)旋轉(zhuǎn)角約為0.07°,與軸承驅(qū)動(dòng)模塊的靜態(tài)位移基本一致.圖10為不同激勵(lì)電壓占空比下的旋轉(zhuǎn)軸位移輸出特性.設(shè)定鋸齒波激勵(lì)電壓幅值為100V,驅(qū)動(dòng)頻率為100Hz,改變激勵(lì)電壓占空比分別為99∶1、96∶4、93∶7和90∶10,觀察10個(gè)周期內(nèi)軸承驅(qū)動(dòng)模塊扭轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)位移的情況.如圖10(a)~(d)所示,在粘滑運(yùn)動(dòng)臨界點(diǎn)附近,不同占空比下旋轉(zhuǎn)軸位移輸出存在明顯的差異.當(dāng)激勵(lì)電壓的占空比為99∶1和96∶4時(shí),旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)軸承驅(qū)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)符合粘滑運(yùn)動(dòng)原理圖11為不同激勵(lì)電壓頻率下的旋轉(zhuǎn)軸位移輸出特性.設(shè)定激勵(lì)電壓幅值為100V,電壓快速下降的沖擊時(shí)間為0.1ms,改變激勵(lì)鋸齒波的驅(qū)動(dòng)頻率分別為10Hz、100Hz、1000Hz和5000Hz,觀察10個(gè)周期內(nèi)軸承驅(qū)動(dòng)模塊扭轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)位移的情況.如圖11(a)~(c)所示,在激勵(lì)電壓頻率為10Hz、100Hz和1000Hz時(shí),旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)軸承驅(qū)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)符合粘滑運(yùn)動(dòng)原理,旋轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)角基本一致.當(dāng)頻率為5000Hz時(shí),即占空比為1∶1,旋轉(zhuǎn)軸在整個(gè)工作周期內(nèi)始終受到滑動(dòng)摩擦力的作用,在特定初始狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)軸理論上存在旋轉(zhuǎn)位移輸出,但其輸出角度相對(duì)而言已經(jīng)很小.4動(dòng)力學(xué)模型分析基于慣性沖擊驅(qū)動(dòng)原理,本文設(shè)計(jì)了一種新穎的微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),用于關(guān)節(jié)臂式多自由度旋轉(zhuǎn)操作系統(tǒng).運(yùn)用有限元仿真分析了該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中軸承驅(qū)動(dòng)模塊的靜動(dòng)態(tài)特性,ANSYS分析結(jié)果表明,在1000V/mm電場(chǎng)的作用下,軸承驅(qū)動(dòng)模塊的耦合套圈可產(chǎn)生約0.07°的旋轉(zhuǎn)位移,可滿足慣性沖擊驅(qū)動(dòng)對(duì)定子位移的要求,一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的固有頻率高達(dá)100kHz,具有較寬的鋸齒波驅(qū)動(dòng)頻率范圍.建立微型壓電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型并利用MAT