亚微米级液压式微驱动器工作机理及其特性

　　微位移驱动器是一种能产生微米、亚微米甚至纳米级位移的装置,它在精密加工与测量中得到广泛的应用[1-4].近年来,国内外学者在微位移驱动器方面开展了大量的研究工作[5-8],所研究的微位移驱动器按其工作原理可大致分为静电、电磁、压电、形状记忆合金、热和光驱动、超导驱动等类型[5-10].但现有微位移驱动器中,不能同时满足线性关系、高刚度及稳定性好的条件.以色列内盖夫本-古里安大学的Portman和San-dler[10]提出了利用油缸的轴向变形产生微位移的设想,并对其性能进行了初步的分析,但未涉及到径向力对位移的影响、滞回特性等关键问题.

　　笔者采用理论分析、有限元仿真和实验验证等多种方法,对这种新型亚微米级液压式微位移驱动器进行了系统的研究.

　　1　微驱动器工作原理

　　图1为利用轴向变形产生微位移的亚微米级液压式微位移驱动器工作原理简图,它利用液压油泵向液压缸体中输入高压油,缸体在轴向高压油作用下,缸体薄壁发生沿轴向的弹性变形,在缸体左端处可输出最大轴向弹性变形量,把此变形量作为驱动器输出的微位移Δ.

　　2　微驱动器结构尺寸与微行程的关系

　　2.1　微驱动器模型简化

　　从亚微米级液压式微位移驱动器工作原理可知,微位移是轴向力和径向力共同作用的结果.这是一个轴对称问题.将圆柱坐标系建立在液压缸体中部,对称轴为z轴,径向坐标为r,环向坐标为θ.根据弹性力学理论,其位移的微分方程为

式中:w为轴向位移;ur为径向位移;d、D分别为液压缸体内外直径;L、L1分别为液压缸体薄壁长度和总长度;E为材料的弹性模量;μ为材料的泊松比;σr为径向应力;σz为轴向应力;p为液压缸体内部油压.

　　目前,还很难得到这种微分方程的位移解析解,所以为了得到输入油压p与总微位移Δ的关系,有必要对模型进行简化.当有径向力作用时,如图1所示,薄壁缸体在径向力作用下就有相应的径向弹性变形.如果径向弹性变形量远远小于薄壁缸体薄壁长度L,那么径向力造成缸体薄壁轴向位移收缩量近似为零,可以不考虑径向力对轴向变形的影响,这时模型可简化为只受轴向力作用的薄壁缸体.

　　2.2　微驱动器结构尺寸的确定

　　在模型简化的基础上,根据材料力学理论可得

式中Δ为输出微位移.

　　为了保证轴向变形在弹性范围之内,金属材料的线应变ε应不大于0·2%,取安全系数为2,则轴向线应变取ε≤0·1%,即L≥1 000Δ,由此可得

　　设计初始数据如下:微驱动器材料为45号钢;材料弹性模量E=205 GPa;输出微位移Δ=15μm;缸体外径D=22·5 mm;输入最大油压p=30 MPa;根据结构尺寸确定式(1)和(3),可得d≤21·03 mm,取整,d=20 mm.将以上确定的数据代入到缸体尺寸确定式(2),得到缸体长度L为27·23mm,考虑到缸体薄壁两端分别留0·5 mm的圆角,因此取L为29 mm.笔者所研究的液压式微位移驱动器的缸体结构尺寸如图2所示.