1.2鉸鏈材料的選取
材料選擇上,為了達到要求的行程,柔性鉸鏈的變形是首先要考慮的,較為理想的彈性材料有鈹青銅、鈦合金、彈簧鋼等.初選兩種鉸鏈材料一尼龍和1060合金.通過有限元分析軟件COSMOSXpress,分析尺寸為t=2mm,r=3mm的兩種材料鉸鏈在最大受力下的應力分布情況,如圖3所示.
第一個分析結果是安全系數,該系數是材料的屈服強度與實際應力的比值.COSMOSXpress使用最大等量應力標準來計算安全系數.當等量應力達到材料的屈服強度時,材料開始屈服.在相同受力條件下,1060合金的最低安全系數為1.065 45,而尼龍的最低安全系數為5.355 85,遠比1060合金安全.從應力圖解可知:尼龍鉸鏈的最大應力為2.596×107 N/m2。屈服力為1.390×108 N/m2;1060合金鉸鏈的最大應力為2.588N 107 N/m2,屈服力為2.757×107 N/m2.說明兩種材料的最大應力都小于許用應力,滿足強度條件.
柔性鉸鏈作為機構的運動副,是靠材料的彈性變形來實現微小的運動.欲使柔性鉸鏈產生較大的變形,從材料的角度出發就要有較大的強度極限與彈性模量比.為了增大柔性鉸鏈的運動范圍,在滿足強度要求的前提下,彈性模量E越大越好.但是兼顧到工作臺的動態性能,選擇了彈性模量E較小的尼龍作為鉸鏈的材料.
1.3鉸鏈尺寸的選取
初選柔性鉸鏈的3種尺寸組合:t=1mm,r=2.5 mm;t=2mm,r=2.5 mm;t=l mm,r=3 mm.通過有限元分析軟件COSM0SXpress,分析3種t和r組合的柔性鉸鏈的應力分布情況.選項中設置在應力圖解中為最大和最小值顯示注解,如圖4所示.比較圖4(a)和(b),發現當柔性鉸鏈的半徑不變,厚度發生變化時,其最大應力發生了很大的變化.而保持厚度不變,改變鉸鏈的半徑,如圖4(a)和(c),發現鉸鏈的最大應力沒有明顯的變化.由應力圖解可知:柔性鉸鏈最小厚度的變化對鉸鏈特性影響最顯著,而切割半徑相對影響較.
在并聯微動機構的設計過程中,動平臺需要具有良好的動態特性,為了保證運動的穩定性,動平臺應具有足夠的剛度,因此鉸鏈的剛度應盡量大.但是作為一種應用于超精密加工領域的機構,為了實現傳動的高靈敏度和高分辨率,在保證動平臺剛度的前提下,應適當減小柔性鉸鏈的最小厚度,增大鉸鏈的切割半徑.注意最小厚度t不能過小,這樣會導致鉸鏈不能承受較大或頻繁交變的載荷,導致部件失效甚至斷裂.在結合設計要求和有限元分析的前提下,選擇圖4(c)組合:t=1·mm。r=3mm.
2驅動支桿的設計和有限元分析
2.1驅動支桿的設計
目前應用精度達到納米級以上的微動機構大多采用基于壓電陶瓷材料的驅動元件,但是其輸出功率低,而且由于采用疊片結構容易產生漂移現象新型超磁致伸縮材料TbDyFe具有輸出力大、位移分辨率高及位移范圍大等特點,且結構簡單,不存在蠕變及漂移.作動器由磁致伸縮棒、永磁鐵套桶、軛鐵及彈性鋼片等組成.磁致伸縮棒在激勵磁場的作用下產生變形,實現微量位移.在導出桿部分套上作動器的外殼,桿向力主要由磁致伸縮棒承受,其他的力由作動器外殼承受.
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