為了滿足大行程、高精度直線位移的需求,根據尺蠖運動原理,設計出一種慣性沖擊式超磁致伸縮直線驅動器,通過對激勵線圈施加鋸齒波信號,可以實現步進式累積位移運動。根據電壓定律、磁阻理論和動力學理論,以磁路模型、標準平方模型和J-A模型為基礎,建立系統(tǒng)的位移模型。搭建實驗平臺,對設計的樣機進行實驗測試。模擬和實驗結果表明:驅動器的平均最小和最大單步位移為2.41mm和7.49mm,最大工作頻率為60Hz;柔性鉸鏈兩端位移的實驗值曲線和模擬值曲線基本吻合;在工作電壓3～9V范圍內,系統(tǒng)輸出位移的實驗值和模擬值最大相對誤差為6.48%。 

【文章來源】：中國電機工程學報. 2020,40(10)北大核心EICSCD

【文章頁數】：10 頁

【部分圖文】：

慣性式驅動器的總體結構組成螺釘導軌AGMM棒永磁鐵線圈永磁鐵B

形塊A楔形塊B永磁鐵A永磁鐵B圖3預壓機構施加預壓力示意圖Fig.3Schematicdiagramofpreloadingmechanismapplyingpreloading螺距為0.5mm，計算得調整螺釘擰緊3.88圈可產生需要的預壓力。2有限元分析驗證2.1柔性鉸鏈強度校核柔性鉸鏈作為驅動器的彈性元件，需要有良好的彈性性能，材料選用彈性性能較好的65Mn彈簧鋼。GMM棒伸長時，柔性鉸鏈產生彎曲形變并儲存能量；GMM棒收縮時，柔性鉸鏈釋放能量，柔性鉸鏈回到初始狀態(tài)。采用有限元分析法對柔性鉸鏈進行仿真驗證，圖4為GMM棒輸出最大位移時柔性鉸鏈的應力分布圖，從圖中可以看出，各單個柔性鉸鏈的應力分布情況基本相同，平均分配了整個柔性鉸鏈的應力，有效地改善了柔性鉸鏈的受力情況。應力主要集中在各單個柔性鉸鏈的根部，其最大應力為49.56MPa，小于65Mn彈簧鋼的極限應力785MPa，滿足設計要求。表面：vonMises應力/MPa50403020100圖4柔性鉸鏈最大形變時的應力分布圖Fig.4Stressdistributionofflexurehingesundermaximumdeformation2.2模態(tài)動力學分析柔性鉸鏈采用整體線切割加工而成，系統(tǒng)工作時，柔性鉸鏈周期性的伸長和收縮，直線驅動器周期性輸出位移，為避免產生共振，對直線驅動器進行模態(tài)分析。在Comsol軟件中通過有限元分析來確定其諧振頻率，驅動器的前四階模態(tài)振型如圖5所示，前四階諧振頻率分別為406、1431、1538和1541Hz。通過對樣品的實驗測試，確定驅動器的最大穩(wěn)定工作頻率為60Hz，遠小于一階諧振頻率，滿足設計要求。一階模態(tài)振型二階模態(tài)振型三階模態(tài)振型四階模態(tài)振型圖5驅動器模態(tài)動力學分析結果Fig.5Modaldynamicsanaly

個柔性鉸鏈的根部，其最大應力為49.56MPa，小于65Mn彈簧鋼的極限應力785MPa，滿足設計要求。表面：vonMises應力/MPa50403020100圖4柔性鉸鏈最大形變時的應力分布圖Fig.4Stressdistributionofflexurehingesundermaximumdeformation2.2模態(tài)動力學分析柔性鉸鏈采用整體線切割加工而成，系統(tǒng)工作時，柔性鉸鏈周期性的伸長和收縮，直線驅動器周期性輸出位移，為避免產生共振，對直線驅動器進行模態(tài)分析。在Comsol軟件中通過有限元分析來確定其諧振頻率，驅動器的前四階模態(tài)振型如圖5所示，前四階諧振頻率分別為406、1431、1538和1541Hz。通過對樣品的實驗測試，確定驅動器的最大穩(wěn)定工作頻率為60Hz，遠小于一階諧振頻率，滿足設計要求。一階模態(tài)振型二階模態(tài)振型三階模態(tài)振型四階模態(tài)振型圖5驅動器模態(tài)動力學分析結果Fig.5Modaldynamicsanalysisoftheactuator3輸出位移模型建立根據電路疊加原理，將鋸齒波電壓激勵信號的單個周期簡化為階躍信號u1(t)和遞減信號u2(t)的疊加，如圖6所示。u(t)u00u0(a)電壓激勵信號Tt02u0u1(t)u2(t)3u00u0tt(b)階躍信號(c)遞減信號圖6鋸齒波信號的簡化疊加Fig.6Simplifiedsuperpositionofsawtoothwavesignals階躍信號u1(t)的表達式為100,0()2,0tutut(2)遞減信號u2(t)的表達式為200,0()(2),0tutuTttT(3)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]超磁致伸縮諧波電機致動器設計方法與特性研究[J]. 朱林劍,曹向崢,陸玉前.  機械工程學報. 2018(22)
[2]超磁致伸縮致動器的等效電路模型研究及實驗分析[J]. 李一寧,張培林,何忠波,薛光明.  中國電機工程學報. 2018(11)
[3]超磁致伸縮電靜液作動器磁場分析與優(yōu)化[J]. 楊旭磊,朱玉川,費尚書,紀良,郭亞子.  航空動力學報. 2016(09)
[4]基于慣性沖擊的磁致伸縮電機及其運動性能[J]. 趙冉,盧全國.  磁性材料及器件. 2016(01)
[5]超磁致伸縮功率超聲換能器熱分析[J]. 曾海泉,曾庚鑫,曾建斌,閆明.  中國電機工程學報. 2011(06)
[6]超磁致伸縮加速度傳感器(英文)[J]. 閆榮格,楊慶新,楊文榮,侯淑萍,高少杰,顏威利.  中國電機工程學報. 2009(24)
[7]磁致伸縮材料的非線性本構關系[J]. 萬永平,方岱寧,黃克智.  力學學報. 2001(06)



本文編號：3265871