二级杠杆式微牛级微力发生机构

摘要:
力收集规范化零碎的规范化时势,设计了一种二级杠杆式天璇发生机构。率先,在对照经用的得体的的和机能的按照,绍介了天璇发生机构的指定规律。而且,在思索杆件时尚界损毁和去核挠度的按照,区分程度杠杆和伸缩性铰链的力能传送,排出了二级杠杆式天璇发生机构减力落后于时代的作品计算办法,并以缩减力落后于时代为设计目的。,在此按照,体格了天璇发生机构的最优化设计办法。。继续举行,举行了有限元仿照剖析。,欢迎了区分输入杰功能下的力答复特点。。不可更改的,天璇发生机构I的机能勘探平台。。终于表白::,有限元剖析、试验终于与作品力值中心区的最大多种经营,试验非上胶料的绝对偏差,0~500的完成 μN的天璇工作量。以为减力乘数到达设计请求允许。,使生效了采取该最优化设计办法得体的设计二级杠杆式力柔顺机构、增殖天璇工作量得体的的的得体的的。

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 负荷。 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 hinge”s 旋转。 To accomplish the aim of achieving a certain minification ratio, the optimization design of the micro-force generator was 出现。 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 到达。 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 负荷。

Key words:

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

1 小引

天璇(缺乏10)-5 N)普遍地服用于海洋技术土地。[1]、宇宙空间的[2]、生物医学[3]、原子力显微镜声波[4]、MEMS与微纳工作的[56]等大群人科学技术土地。当举行精细而软弱的收集规范化、测力与微手柄,力程度很小。,曾经到达了典型的值。μN级。国际公约的等级声波与剖析结平联合收割机运用。、收集时尚界和平台得体的的限量,国际公约的强力值规范机不适宜的装载这么的。天璇发生的持续在办法,W 金等。采取安培力发生规律。[7],在永久磁铁中拔出使兴奋线圈,经过把持电流和另本人变量,更大搜索的力和,但使兴奋指引航线会形成党派发寒热,发生热漂移景象;静电的发电规律,背诵人员出现静电的梳。[8]静电的划一板[9]天璇发生办法,再空间排列限度局限了力的搜索。,普通而言,单独的煤烟发生,手柄复杂。,触发某事纠纷很多。;国务的静电的背诵生出现的静电的场重现办法[10],应用伸缩性机构将天璇传送到内筒电极,静电的力与机械力的穿插检测,辨别缺乏300。 μN,析像系数15 nN。更加的,限度局限内电极轴周围的手势,清洁产生轻松氛围的掩护表面触发某事,辨别缺乏200。 μN下天璇的发生与规范化[11];显微散斑插嘴术,李等。[12]出现了经过单晶发生和转学天璇的办法。,等级梁挠度和刚度间接的计算天璇,开环零碎并不轻易把持。,间接的测会使遭受绝对偏差。;吉林大学生长的压电的陶瓷天璇发生立鉴于[13]正负压电的效应,压力与时尚界损毁、时尚界损毁与输入力中心区的非上胶料的相干触发某事辨别。,把持时尚界损毁的巨大多种经营是很难引起的。。同时,压电的让吃饱也具有发热量。,鉴于自放电抗力的在,电荷不克不及[14],长距离的不坚决的工作量是非正常的的。;经过规范砝码重现力值是最古典音乐的。,重锤捆的国际公约工作量办法[15],由于分量在本质上是得体的和可信性的。,可以在要紧性方针的确定上到达很高的得体的的,眼前规范砝码的最小美质为0.5 mg(5×10-6 N)[10], 但这类小美质砝码的绝对不肯定度[16]、传动装置的静负荷、捆和传动装置中心区的摩擦等触发某事难以疏忽,手柄绝对偏差对工作量得体的的发生触发某事[17]

一句话,中外袖珍力发生器的背诵指定次要集合在、天璇的测与究根儿。或服用压电的让吃饱、静电的力和磁力。,或致力天璇的传送和转变,通常伴同把持和符合公认准则的的登陆处。、粗糙的的制约和复杂的手柄、难以开除地举行得体的定量工作量、难以引起高得体的的等实践问题。,而且普通具有使合在一起:封合的神经过敏和测搜索。,只依从的一点钟形势。。但值当注重的是,与国际公约铰链比拟,伸缩性铰链缺乏摩擦和自由。、可反复性好,得体的的高,背诵人员迅速发展。[1820]。杠杆式伸缩性机构简略可信性。、可合奏化工作的、能耗低、无磨损、可引起高得体的的手势等。,它已译成O中最古典音乐的手势和使合标准机制。。

为了欢迎500 μN以下得体的天璇,鉴于杠杆力柔顺机构的规律,本文以力裁短落后于时代K=210+5为设计指定。,鉴于直圆型伸缩性铰链设计了一种二级杠杆式天璇发生机构,服用可塑度力学和让吃饱力学作品,对K的作品计算办法举行了议论。,在此按照,出现了枢要上胶料的最优化设计办法。,经过有限元仿照和试验使生效。。本文的设计和试验办法对这一典型的天璇发生立鉴于有必定的引为鉴戒意思。

2 指定规律 直圆型伸缩性铰链

通俗的的伸缩性铰链有圆状物型、圆角直梁式、美式足球用球等典型。当最小厚度t私有财产不变性时,铰链的去核角是完全同样的的角度。,圆状物型、长圆伸缩性铰链需求较小的交结。, 依从的小交结驾驭形势。。当使适应完全同样的的上胶料和交结时, 长圆伸缩性铰链具有最大的斜裁的角。, 难以置信的神经过敏, 依从的得体的的请求允许高的形势。[21]。圆状物铰链具有难以置信的的旋转得体的的。[22],但它不得不细微旋转。,其次是长圆铰链。,特别的,直圆伸缩性铰链得体的的高,勤勉最广。。照着,思索到天璇的得体的传送。、排列的紧凑性和工作的的不均一。,本文采取直圆伸缩性铰链传送力。。

直圆伸缩性铰链刚度剖析

伸缩性铰链的得体的的普通是指可塑度铰链的挠性。[23],伸缩性铰链的转动刚度是本人要紧的确定因素。,海内直圆伸缩性铰链刚度计算办法及服用[2425]曾经年龄段,直圆伸缩性铰链的相互关系确定因素如次图 1所示。直圆伸缩性铰链的时尚界损毁集合在,疏忽时尚界损毁插嘴的另本人党派,最小厚度t对转动刚度Kα最大触发某事, tKα附带说明购得和附带说明拍子。,其次是半径。R,不可更改的宽度b,且bKα上胶料的递加相干[21],如符号(1)所示:

需要的东西取得较小的转动刚度和成为的轴周围的T。,绝对而言,转动刚度速度系数。。初期的少量有限元仿照指定表白:,微杰功能下,轴周围的图样加剧Kx轻易到达,照着,在到达限量应力的制约下,,一定率先确定。b,放量缩减。t,在此按照,需求举行定量剖析。R转动和轴周围的图样刚度的触发某事。思索到请求允许和工作的制约等。,选择b=5 mm,t=0.4 mm,R在0~5 毫米汞柱搜索多种经营。本文背诵了密度小、加剧高的硬质包铝钢板。,可塑度模量E=72 GPa,伸缩性铰链转动和轴周围的图样刚度的计算[25],作为典型(2):

式中s=R/t

用MATLAB软件编制计算顺序,欢迎了它们中心区的相干。图 2所示。

跟随R的增大,KαKx均呈沦陷电流,多种经营变得饵。,思索伸缩性铰链的刚度请求允许,后段滑溜区域的选择R=3.8 mm。

二级杠杆式天璇发生机构

在此按照,本文设计了一种对称的差动的式二级杠杆天璇发生机构,采取不变的四点约束法。,在左、右PA上工作量区分值的规范加重值。,伸缩性铰链传送力与狡诈的,在第二产程杠杆的力输入端取得铅直方针的确定的天璇。对称的导数排列有助于开除CO的非上胶料的,裁短程度、在标本上,狡诈的和力是耦合的。。在行为指引航线中,杠杆的静负荷发生不服衡力和不振力矩。,在极度的手势对中发生定态压力。,再者,手势的得体的的和可信性性裁短。,同时,杠杆的长距离的挠曲也会触发某事PLA。,照着,每个杠杆的重点坐下F的去核。,天璇发生机构在空载下引起初始均衡,同时在二级杠杆处设置受力吃或喝端,引起坦率地工作量。一句话,不可更改的,体格了等厚度集成形成图案。图 3所示。

3 静力学剖析 减力落后于时代的作品计算

帮助的机构形成图案,如图 3(b)所示,伸缩性铰链Hi(i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)轴周围的力是Fi,功能力矩Mi=Kα×θi,转动刚度Ki=Kα,优先、两级动力臂使分开为l1l3,抗力臂的上胶料使分开为l2l4,中心区过渡条C1D1=C2D2=d,杠杆的矩形女围巾的崇高的是h,宽为z。需求计算机或计算机系统停机的力和狡诈的。,不得不确保F。IN1大于f,横向力和狡诈的很小,大党派动身了EA。,照着疏忽了横向天璇和狡诈的。

非敏感名列前茅的帮助形成图案,先后转动第本人杠杆。A1B1C1A2B2C2、中心区过渡条C1D1C2D2、第二产程杠杆D1ED2F使分开举行了应力剖析。。

(1) 优先杠杆A1B1C1的受力剖析

力制约如图 4所示,从均衡制约:

外力杠杆功能,锯齿形的时尚界损毁与将切开时尚界损毁,为了无涵义的的梁星l/h5)杠杆功能,将切开力比弯矩小得多。,通常可以疏忽漠视。。

究竟哪一个女围巾的弯矩都是:

理性可塑度作品,优先杠杆A1B1C1锯齿形的尽量使力能是:

中心区党派的刚度为:

Hi(i=1, 2)锯齿形的尽量使力能使分开为

总尽量使力能为:

锯齿形的时尚界损毁的叠加规律,A1铅直狡诈的是

C1输入狡诈的为

从可塑度时尚界损毁体的功能规律动身:

(2) 替换条C1D1的受力剖析

力制约如图 5(a)所示,同样地可获:

替换条C1D1图样尽量使力能为

替换条C1D1图样时尚界损毁量为

从可塑度时尚界损毁体的功能规律动身:

(3) 优先杠杆A2B2C2的受力剖析

力制约如图 6所示,同样地可获:

对究竟哪一个女围巾的弯矩都是:

优先杠杆A2B2C2锯齿形的尽量使力能是:

伸缩性铰链的锯齿形的尽量使力能使分开为::

总尽量使力能为

A2狡诈的是

C2输入狡诈的为

从可塑度时尚界损毁体的功能规律动身:

(4) 替换条C2D2的受力剖析

力制约如图 5(b)所示,同样地可获,

替换条C2D2图样尽量使力能为

替换条C2D2铅直方针的确定上的图样上胶料为

从可塑度时尚界损毁体的功能规律动身:

(5) 第二产程杠杆D1ED2F的受力剖析

力制约如图 7, 同样地可获:

规定力缩减落后于时代。

K值规模坦率地使平滑如玻璃机构的运放机能,K涵义越大,一套的表现越好。,当FIN1F在必定搜索内的多种经营。,K值越不变表白机构的反复得体的的越高。

键杆上胶料上胶料的最优化设计

理性符号(1)~(35),已知力发生机构的杆长规模。,以x=[l2, l4, θ1, θ5]为根底变量,根本确定因素的迭代可以确定减力落后于时代。。思索到杠杆的规模触发某事的合奏刚度缺乏,K值动摇,而且举行手势输入。、输入出现非上胶料的相干,当FIN1、F在必定搜索内多种经营,作品计算值与设计以焦油或沥青覆盖或涂抹的辨别,作品设计得体的的难以置信的。。同时,减小伸缩性铰链的轴周围的拉应力。,遵照轻量子化原理,在到达周密考虑压缩制紧缩落后于时代的制约下,尽量缩减全部机构的静负荷。,请求允许机构的合奏上胶料尽量小。。可以缩减多K=213作为设计请求允许。,将目的作用设置为

联合收割机机能请求允许、上胶料限度局限和特别制约,约束制约使分开为:

(1) 确保单级阻碍臂大于动力臂,为了到达两个加剧的裁短,理性抱负情形下二级杠杆规律,当l2当取最低限度时,l4取最大的量、体积、强度等,反之亦然。即:

(2) 理性二级杠杆规律,杆在各级的上胶料确定了力的最大党派R。,但充其量的亏耗必定使遭受力压缩制紧缩落后于时代大于抱负情形下二级杠杆规律所得。即:

(3) 天璇工作量和输入端的标本力使Tθi 5°),且H1H5它们都逆时针方向地旋转。。到达:

天璇发生机构的根本上胶料为:表 1所示,运用Matlab软件正中鹄的Fgoalattain作用器集对杆长上胶料举行最优化求解,倍数额外的决定因素的多种经营,额外的决定因素的加重值=[ 1 ]在均匀性加重值下选择。 1)取得最优非劣解,对迭代指引航线举行了使生效。θ1θ5约束搜索的多种经营对K值触发某事严厉地。,该终于可作为本人秤锤角度来表现实践角度。。理性实践工作的和运用制约,对终于举行滤波和评定,以取得终极的棒长。l2=94.5 mm,l4=310 mm。

4 试验使生效 天璇发生机构的有限元仿照

为了使生效定态形成图案和最优化指引航线的正当,应用ANSYS Workbench软件对形成图案举行了有限元仿照剖析。。有限元形成图案的上胶料确定因素与,用确定因素化建模办法计算各级加重值,应用使整合自动化、党派伸缩性铰链和力输入端的网格使纯净办法。需要的东西欢迎机械输入端的力输入。,照着选择了三维本质单元SRID187。。思索到绝对简略的边界制约,照着,强制对实践指定制约举行仿照。、伸缩性铰链和力输入端使合在一起:封合后,,李煜输入工作量0~10 g砝码力搜索内的25组总的来看均布的辨别力值,输入力是执行输入端限制的力多种经营。。用硬质包铝钢板让吃饱,横向变形系数为,密度为2。 700 kg/m3,屈从限量和抗拉加剧均为265。 兆帕和410 MPa。

有限元仿照终于如次图 10(a)所示,仿照购得与作品购得崇高的划一。,K值不变性,同时,天璇仿照值中心区的最大多种经营。。

天璇发生机构的试验背诵

鉴于是你这么说的嘛!上胶料确定因素,采取发光的颗粒线剪报技术欢迎实践的二级杠杆式力天璇发生机构如图 8所示。

图 9天璇发生机构试验勘探图,试验在室温20℃下举行。 在本人盖章的房间里,在本人气温。,设计了一种任命天璇发生机构的夹紧机构。,析像系数是 μm)上。装填前运用剖析结平(AL104),析像系数是0.01 Mg)符合公认准则的砝码, 为了开除Flex中先前工作量触发某事的剩余尽量使力能,采取工作量-静置摆脱-反复工作量的方法将各组差值砝码使分开工作量至摆布Ⅴ型托盘处。分量辨别是输入力。,剖析结平的读数差是输入力。,差分计算的另本人优点是它戒除了零碎E。。

图 9(a)所示,于冷酷无情的隔震在朝的对二级杠杆式天璇发生机构进行对应的25组工作量试验,使分开记载输入力并计算实践K值。。力输入和力输入使分开为图 9(c)9(d)所示,试验终于如图 10(a)所示;如图 9(b)所示,当输入不受约束时,应用激光狡诈的SE测各力输入的狡诈的,跟随输入力的附带说明,力输入的狡诈的逐步增大,最大VaR逐步增大。 μm,最大输入力为 μN。在发生最大举值的按照,以 μM为单位,力输入和剖析结平的绝对狡诈的发生多种经营。,欢迎了狡诈的与力中心区的相干。图 10(b)所示,鉴于背诵生的备选的符合公认准则的办法的实用性,欢迎使合身购得。:

试验终于表白:::,试验购得与作品上胶料的购得根本划一。,试验的非上胶料的绝对偏差,K值的动摇较小。,同时,试验值与T中心区的最大多种经营。。

议论

上级的指定表白,仿照、试验终于与作品值中心区仍在巨大绝对偏差。,试验与仿照终于绝对偏差的能够辩论:

(1) 在铅直方针的确定上的力和狡诈的仅思索在,仿照和试验中实践在的横向巨大举及狡诈的使遭受了使生效终于与作品计算中心区巨大绝对偏差的发生。

(2) 在发光的颗粒线剪报工作的中,顷刻低温使遭受硬质包铝钢板的切削刃。,使遭受旋转和图样刚度附带说明。,手势学时的充其量的消耗附带说明,试验的力值缺乏仿照值。,K值附带说明。,上胶料绝对偏差也会触发某事MECH的得体的的和机能。。

(3) 在延续试验指引航线中,天璇发生机构的充其量的摆脱时期可以是INS。,锯齿形的负担功能下伸缩性铰链的剩余尽量使力能,对后续试验终于的触发某事。

持续在办法[1215]比拟,天璇发生机构采取狭长直梁式杠杆,在必定程度上到达了国际公约的合奏刚性删除。、非上胶料的输入及另本人缺陷,引起了得体的的和可反复性。;鉴于辨别规律,开除了零碎绝对偏差,作品上,可以欢迎任性力值的输入力。,工作量指引航线中触发某事纠纷较次的。,不可更改的,取得了牛的输入功率的较高得体的的。;合奏发光的颗粒线剪报工作的,与国际公约MEMS复合技术比拟,其工作的余量小。、制形本钱低,配得体的的高。。

5 定论

本文将伸缩性铰链和二级杠杆机构改革服用于天璇发生机构的设计,在对照几种经用挠曲H的机能的按照,选择得体的的高。、依从的小交结驾驭形势。且服用去普遍地的直圆型伸缩性铰链,体格了二级杠杆式天璇发生机构形成图案;在思索杆件时尚界损毁和去核挠度的按照,排出了力裁短落后于时代K的作品计算办法。;为了引起本人力缩减落后于时代作为设计目的,出现了二级杠杆式力发生机构的最优化设计办法,欢迎了枢要杆的最优化上胶料。;应用ANSYS 采取Workbench软件举行有限元仿照剖析。,体格了天璇发生机构的机能勘探平台。,欢迎了区分输入杰功能下的力答复特点。。终于表白::,仿照、试验终于与作品力值中心区的最大多种经营,试验非上胶料的绝对偏差,照着,以为力裁短了落后于时代。k到达设计请求允许,天璇发生规律、设计和试验办法是得体的可塑的的。,有助于这种伸缩性机构的背诵和设计。。在从此以后的指定中,还应思索由M触发某事的震动拥挤。,随后,可以设置初级防震的和产生轻松氛围的掩护立鉴于。。

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