一種多自由度定位系統旋轉關節設計

隨著現代藥理、信息科學、現代醫學等領域微納科技的快速發展，在狹窄空間中正確定位微結構、設備和組織的機會越來越多。微納智能駕駛技術的需求越來越高。壓電驅動器自身受應變極限(<0.1!)的限制,即使配合位移放大機構,其運動行程往往仍難以滿足跨尺度驅動的需求相比直線驅動機構,旋轉驅動機構往往具有更大的運動空間和更強的操作靈活性,而對于關節臂式多自由度操作機構而言,其壓電旋轉關節與傳統沖擊式壓電旋轉馬達則存在很大差異,結構布局需進一步優化,微型化難度更大.本文設計了一種新的微型壓電旋轉關節機構,采用左右定子對稱夾持、同步驅動的方式,有利于串聯機構的平穩運行,且結構緊湊,易于微型化.建立壓電定子的結構模型進行靜態和動態分析,建立了驅動機構的動力學模型進行沖擊過程分析,并通過仿真分析結果預估了該旋轉關節機構的基本性能指標.1旋轉機構設計圖1為微型壓電旋轉關節的結構示意,采用對稱設計,由U形基座、軸承驅動模塊、旋轉軸、碟形彈簧等部件組成.兩個軸承驅動模塊安裝在U形基座的兩側,旋轉軸兩端采用階梯結構,通過螺釘調節碟形彈簧的變形,使得軸承驅動模塊的套圈端面以一定的預緊力夾緊旋轉軸的階梯端面,旋轉套筒固定在旋轉軸上并用于安裝后續驅動機構.圖2為軸承驅動模塊的結構示意,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個壓電堆的變形作用下產生鋸齒波往復旋轉運動,利用左右軸承驅動模塊的同步驅動實現旋轉軸的單方向旋轉運動.圖3為微型壓電旋轉關節的工作原理示意,采用鋸齒波電壓信號激勵壓電堆,利用慣性沖擊式驅動原理實現旋轉軸的旋轉運動(1)t(2)t一個工作循環結束,旋轉軸即實現一次逆時針微小步進運動,通過周期性的工作循環累積,旋轉軸便可實現單方向連續的步進旋轉運動.通過改變鋸齒波的方向,即先快速上升再緩慢下降,則可實現旋轉軸順時針步進旋轉運動;通過改變驅動信號的幅值和頻率,則可調整旋轉軸的步進位移和運動速度.2軸承驅動模塊靜動態特性分析為驗證上述微型壓電旋轉關節機構在適宜材料和尺寸參數下的旋轉變形能力和慣性沖擊驅動能力,利用仿真軟件ANSYS14.0對該機構中的軸承驅動模塊進行了有限元靜態和模態分析圖4所示為軸承驅動模塊在電壓激勵下的靜態仿真結果.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,壓電堆2和4縮短)的變形圖,在1000V/mm等效電場的作用下,壓電堆的壓電應變約為6.4×10對軸承驅動模塊進行模態分析,研究了軸承驅動模塊的固有振動特性.軸承驅動模塊的初級振動模態如圖5(a)所示,其諧振頻率約為36kHz,一階扭轉振動模態如圖5(b)所示,其諧振頻率約為101kHz.慣性沖擊驅動要求工作在壓電定子的準靜態頻率范圍,以滿足鋸齒波振動輸出和粘滑耦合的要求3微型壓縮器的動態建模和分析對壓電沖擊式馬達的性能分析,許多學者是通過建立動力學理論模型3.1微型壓電旋轉關節的動力學模型微型壓電旋轉關節主要功能模塊的簡化動力學模型如圖6所示,其中I建立以下動力學方程組描述微型壓電旋轉關節的工作過程:由于兩個軸承驅動模塊的結構參數完全相同,在同步控制下的運動參數也相同,則式(1)可簡化為其中M式中:s摩擦耦合模型對系統仿真精度有著重要的影響,本文使用經典的庫侖摩擦模型3.2ink模塊的動力學仿真分析根據式(2)、(3)和圖7摩擦耦合模型,利用MAT-LAB軟件中的Simulink模塊,建立了針對微型壓電旋轉關節主要功能模塊的動力學仿真框圖,如圖8所示.仿真分析過程中的主要參數如表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,當激勵電壓上升速率大于2×103.3旋轉軸相對軸承驅動模塊運動特性圖9為不同激勵電壓幅值下的旋轉軸位移輸出特性.設定鋸齒波激勵頻率為100Hz,占空比為99∶1,改變激勵電壓幅值分別為5V、10V、50V和100V,觀察10個周期內軸承驅動模塊扭轉角和旋轉軸旋轉位移的情況.如圖9(a)~(d)所示,旋轉軸的步進位移隨著激勵電壓幅值的增加而增大.當激勵電壓沿著鋸齒波的前沿緩慢上升時,旋轉軸跟隨軸承驅動模塊一起正向運動,當激勵電壓達到最大值并沿鋸齒波的后沿快速下降時,旋轉軸與軸承驅動模塊之間出現相對滑動,軸承驅動模塊快速回到初始位置,而旋轉軸產生一定的反向運動,且不同電壓幅值下反向運動角度基本相等.在激勵電壓為100V時,旋轉軸的位移輸出曲線近似為一條平滑直線,反向運動可忽略,步進旋轉角約為0.07°,與軸承驅動模塊的靜態位移基本一致.圖10為不同激勵電壓占空比下的旋轉軸位移輸出特性.設定鋸齒波激勵電壓幅值為100V,驅動頻率為100Hz,改變激勵電壓占空比分別為99∶1、96∶4、93∶7和90∶10,觀察10個周期內軸承驅動模塊扭轉角和旋轉軸旋轉位移的情況.如圖10(a)~(d)所示,在粘滑運動臨界點附近,不同占空比下旋轉軸位移輸出存在明顯的差異.當激勵電壓的占空比為99∶1和96∶4時,旋轉軸相對軸承驅動模塊的運動符合粘滑運動原理圖11為不同激勵電壓頻率下的旋轉軸位移輸出特性.設定激勵電壓幅值為100V,電壓快速下降的沖擊時間為0.1ms,改變激勵鋸齒波的驅動頻率分別為10Hz、100Hz、1000Hz和5000Hz,觀察10個周期內軸承驅動模塊扭轉角和旋轉軸旋轉位移的情況.如圖11(a)~(c)所示,在激勵電壓頻率為10Hz、100Hz和1000Hz時,旋轉軸相對軸承驅動模塊的運動符合粘滑運動原理,旋轉軸的步進旋轉角基本一致.當頻率為5000Hz時,即占空比為1∶1,旋轉軸在整個工作周期內始終受到滑動摩擦力的作用,在特定初始狀態下旋轉軸理論上存在旋轉位移輸出,但其輸出角度相對而言已經很小.4動力學模型分析基于慣性沖擊驅動原理,本文設計了一種新穎的微型壓電旋轉關節的驅動機構,用于關節臂式多自由度旋轉操作系統.運用有限元仿真分析了該旋轉關節中軸承驅動模塊的靜動態特性,ANSYS分析結果表明,在1000V/mm電場的作用下,軸承驅動模塊的耦合套圈可產生約0.07°的旋轉位移,可滿足慣性沖擊驅動對定子位移的要求,一階扭轉振動模態的固有頻率高達100kHz,具有較寬的鋸齒波驅動頻率范圍.建立微型壓電旋轉關節的動力學模型并利用MAT