壓電尺蠖式作動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3123壓電尺蠖式作動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例 1211951.1柔性機構(gòu)的設(shè)計 1111721.2支撐環(huán)和螺母調(diào)整機構(gòu)的選型設(shè)計 363131.3預(yù)緊彈簧的選型 4129591.4邊筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5109091.5中間筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計 61.1柔性機構(gòu)的設(shè)計隨著各項科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于各種精度要求越來越高，特別是小范圍內(nèi)的運動副要求更是嚴(yán)苛，尺寸要求也越來越小。彈性支撐能夠起到運動副的作用并且相對于傳統(tǒng)的運動副來說有許多優(yōu)勢，比如它簡化了機構(gòu)導(dǎo)致減小了預(yù)算；它能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運動副并且沒有摩擦和傳動間隙，所以使得運動精度變得更高了；還有一點就是它的機械能可以變成彈性勢能適時的釋放出來從而起到節(jié)能環(huán)保的作用。所選擇的壓電疊堆微位移為20μm柔性機構(gòu)當(dāng)中最關(guān)鍵的就是柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)了，它的材料選型和外形設(shè)計等都會對它的性能和壽命產(chǎn)生影響。目前為止我們有杠桿式柔性鉸鏈和框架式柔性鉸鏈兩種常用的設(shè)計，杠桿式柔性鉸鏈和杠桿原理很相似，能夠?qū)崿F(xiàn)大位移，這種結(jié)構(gòu)由于設(shè)計簡便而得到了廣泛的應(yīng)用。而框架式柔性鉸鏈則是結(jié)合了杠桿和柔性鉸鏈，這種原理使得位移放大倍數(shù)達到了10倍，但是它的輸出力只有9.3N。但是隨著時間的推移和人們對其尺寸及形狀的不斷優(yōu)化，框架式柔性鉸鏈已經(jīng)不同以往，變得越來越成熟了。目前，設(shè)計任務(wù)中應(yīng)用得比較多和比較可靠的柔性放大機構(gòu)的夾持結(jié)構(gòu)的模型如圖1.1所示，它是軸對稱布置三個柔性夾持臂，再從中間插入一根圓直桿，然后和通過夾持臂中間的凹槽和圓直桿接觸擠壓的靜摩擦來提供夾持力這樣的結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)用比較廣泛。本次設(shè)計屬于微型驅(qū)動器，由于加工精度比較高的原因?qū)е略趭A持臂中間挖槽時成本會增加。所以，本文在其圓桿的基礎(chǔ)上設(shè)計成三角凸桿，夾持臂中間做成凸起的弧形狀而不用再進行挖槽，這樣使得接觸面面積增大從而使摩擦力增大。對于材料的選擇，因為不僅要保證其彈性模量比較大，還要使其具有良好的經(jīng)濟適用性，所以我們選擇了生產(chǎn)中常用的Q345鋼。它的彈性模量為206GPa;泊松比為0.03；抗拉強度為490~675MPa；屈服強度為≥345MPa；伸長率≥22。圖1.1夾持結(jié)構(gòu)由圖1.1可以看出，蓋片和支撐環(huán)同時對夾持臂起到固定和支撐的作用，而三個夾持臂則同時夾持中間桿，以此實現(xiàn)箝位功能。同時，在壓電疊堆工作時夾持臂要有足夠的伸長量放開中間桿使其實現(xiàn)驅(qū)動效果，達到設(shè)計要求。因為夾持臂在設(shè)計任務(wù)中起到至關(guān)重要的作用，所以它的設(shè)計關(guān)乎到很多因素，因此我們還要充分考慮到其他因素。再有加持的螺母雖然可以以調(diào)整夾緊力來實現(xiàn)箝位功能，但是同樣也要保證在壓電疊堆工作伸長時實現(xiàn)夾持臂的松開完成驅(qū)動。由于壓電疊堆的輸出位移為20μm，所以在設(shè)計時壓電疊堆和支撐環(huán)之間的間隙要非常小，不然達不到設(shè)計要求。有因為夾持臂在此次設(shè)計之中占有重要位置，所以對夾持臂進行位移放大系數(shù)的計算是必然不能缺少的，而在考慮到壓電堆的內(nèi)徑和整體結(jié)構(gòu)空間設(shè)計的同時，初步把夾持臂的厚度定為4mm夾持臂的簡化圖如圖3.2所示，我們將它看作一個剛體，由此可以看出它的橫向位移可以轉(zhuǎn)換成為柔性臂的軸向位移，則它們之間的比值就是位移放大系數(shù)。由幾何公式有：dy=xy假設(shè)彎曲角度為10°，那么軸向和橫向位移比為：dydx=ctan圖1.2夾持臂的簡化圖1.2支撐環(huán)和螺母調(diào)整機構(gòu)的選型設(shè)計如圖1.3所示，蓋片和支撐環(huán)能夠同時對夾持臂起到固定作用，三個夾持臂共同起作用夾緊中間桿，還可以看出壓電堆與支撐環(huán)之間的間隙要設(shè)計的非常小。因為壓電堆的位移本身非常小，是微米級的，要實現(xiàn)對中間桿的夾持和松開都是靠這個間隙的大小決定的，所以為了使中間桿有足夠大的預(yù)緊力我們需要在詳細分析夾持臂受力變形的基礎(chǔ)上充分考慮裝配間隙的大小，同時還要保證壓電堆能夠伸長帶動夾持臂松開對中間桿的夾持，從而使得機構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動達到設(shè)計要求。（a）總體圖（b）分解圖圖1.3夾持結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計圖如圖1.4所示，從支撐蓋的詳細分解圖可以看到需要加緊固螺釘，螺釘型號選用十字槽沉頭螺釘M2×0.4。調(diào)節(jié)夾持臂與中間桿間隙得以小范圍變化是通過螺釘來調(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)螺釘還可以使得三個夾持臂的軸心對中，這樣能使得其允許有大的加工誤差，從而使加工精度變小進一步減少加工成本。為了保證彈性模量和經(jīng)濟適用性，我們依然選擇Q345鋼材料來加工上述結(jié)構(gòu)。圖1.4支撐蓋詳細分解圖1.3預(yù)緊彈簧的選型預(yù)緊力是設(shè)計工作中非常重要的一環(huán)，它不僅是壓電堆實現(xiàn)夾持功能和安全保護功能的重要保證，其大小還關(guān)系到壓電陶瓷損壞與否和工作性能的好壞。如果預(yù)緊力過小的話，那么就可能會導(dǎo)致壓電陶瓷受到?jīng)_擊力而損壞；如果預(yù)緊力過大的話，那么壓電堆的伸長量又可能變小從而影響到它的工作性能，所以預(yù)緊彈簧的選型就顯得尤為重要了。當(dāng)把圖1.3（a）整體放入邊筒時，支撐環(huán)和邊筒之間還要加入預(yù)緊彈簧以此保護壓電堆，使得在工作過程中不會導(dǎo)致壓電堆的損壞從而影響工作效能，所以它安裝的空間就變得非常有限了。因此我們根據(jù)彈簧實現(xiàn)的功能而選擇了蝶形彈簧，如圖1.5左圖所示，它是向上承受載荷的。當(dāng)壓電疊堆伸長時，彈簧就會因受力壓縮而變形從而儲存勢能，當(dāng)壓電疊堆斷電時彈簧就會釋放能量促使壓電堆恢復(fù)原狀。除此之外，它還有作用于夾持結(jié)構(gòu)，使夾持臂夾緊中間桿的功能作用。因為蝶形彈簧的剛度相比來說比其他類型的彈簧剛度都要大，而且具有緩沖吸振，能夠以較小的變形承受較大的負載的特點，所以它比較適用于我們本次設(shè)計結(jié)構(gòu)中有限的安裝空間。此彈簧還有許多其他優(yōu)點，比如它可以在不同的方式下進行組合，不同的組合使得彈簧的彈性范圍變大了，可以滿足用戶們的不同需求，為用戶解決了許多渴求，使得不同的設(shè)計任務(wù)完成度更加良好，所以成為人們設(shè)計任務(wù)中較為喜愛的一種選擇類型。如圖1.5右圖所示為蝶形彈簧的尺寸設(shè)計，D為直徑，d為內(nèi)環(huán)的內(nèi)徑，t為厚度，H0為高度，?0為變形范圍。其彈力的大小和變形是非線性的，通過查找國際標(biāo)準(zhǔn)手冊可以得到，t/圖1.5蝶形彈簧的實物圖及尺寸標(biāo)定本次設(shè)計選擇的蝶形彈簧外徑D為20mm，內(nèi)徑d為10.2mm，厚度t為0.8mm，其承受的最大線性負載為1815N，壓電堆最大線性輸出力約為5000N，因此我們必須采用組合方式才能達到負載要求，完成設(shè)計任務(wù)使其達到標(biāo)準(zhǔn)。1.4邊筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計邊筒的作用是為了將柔性夾持機構(gòu)和蝶形彈簧組合固定在一起而設(shè)計的構(gòu)件。如圖1.6所示，它的整體結(jié)構(gòu)包括筒體和兩端的兩個法蘭。在壓電疊堆還沒有通電的時候，機構(gòu)因為要保持夾緊作用，所以此時法蘭、彈簧和夾持臂都要受到預(yù)緊力的作用，并且預(yù)緊力的大小還會關(guān)系到夾緊力的大小，所以預(yù)緊力也是設(shè)計任務(wù)中非常重要的一部分。因為壓電疊堆伸長時會擠壓彈簧導(dǎo)致法蘭承受的壓力增大，所以在設(shè)計法蘭和邊筒的螺紋連接時需要充分考慮到負載的作用，并且法蘭因為在壓電疊堆工作時其不斷伸縮導(dǎo)致法蘭會受到一個周期循環(huán)載荷，所以對螺紋的自鎖能力提出了要求。考慮到諸多要求，再結(jié)合機械設(shè)計手冊，決定邊筒和法蘭都采用細螺紋，螺距為1mm。1.6邊筒的模型圖本文設(shè)計在柔性夾持臂的兩端分別放置了兩組蝶形彈簧，這樣做有兩個好處：一是彈簧在中間桿來回伸縮時均能起到緩沖的作用；二是因為兩組彈簧都能承受預(yù)緊力，所以在其中一組損壞時另一組能起到代替作用以至于壓電驅(qū)動器不會完全失效。兩組彈簧和夾持機構(gòu)共同決定了筒體的長度。并且筒體內(nèi)徑的尺寸還不能過大或過小，因為過大的話會導(dǎo)致夾持機構(gòu)左右晃動從而對中間桿造成損傷，除此之外還會造成位移不精確；過小的話不僅不便于柔性機構(gòu)的組裝，而且還容易造成壓電堆的損壞。因為邊筒和法蘭從始至終都受力的原因，所以如果它的變形過大的話就會嚴(yán)重影響到驅(qū)動器的夾緊力。本文選用的Q345鋼，它的剛度滿足設(shè)計要求，避免了變形過大的缺點。1.5中間筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計驅(qū)動器是由兩端箝位機構(gòu)和和中間驅(qū)動機構(gòu)共同組成的，并且中間驅(qū)動器的性能決定了驅(qū)動力的大小，其響應(yīng)和變形還直接影響到中間桿的伸長速度。驅(qū)動機構(gòu)又包括了筒體和兩個法蘭，因為壓電疊堆放置在其中與兩個法蘭緊密配合，所以它筒體的長度和內(nèi)徑相對來說都比較好確定下來，但是因為壓電疊堆工作頻率很高，筒體長期處在高頻的循環(huán)工作狀態(tài)之下，選用的材料就必須擁有比較高的抗疲勞性和比較長的使用壽命，所以就導(dǎo)致材料的選擇比較困難。又因為壓