基于ANSYS的二维微动平台的性能分析

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Performance Analysis of 2D Jiggle Platform Based on ANSYSZHANG Yanjun(Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 5 10700，China)Abstract：A 2D flexible hinges type jiggle platform with lever magnifying mechanism was designed.The influences of structuralnonlinear and form ation nonlinear on the system characters were analyzed.Adopting FEM method，statics analysis，mode analysis anddynamic response analysis were made to the jiggle platform.The resonance frequency，vibration mode and step response when the jgle platform worked efectively were goten.The statics performance，working band and dynamic overshooting of the designed jiggleplatform can meet designing requirements。

Keywords：Jiggle platform ；FEM ；Dynamic character；Working ban随着纳米技术的兴起和迅猛发展 ，基于压电驱动的纳米级微定位技术已成为微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、细胞操作等诸多前沿技术的基础支持技术。尤其是多自由度纳米级微定位工作台的应用越来越受到重视。纳米级微定位系统的传动副中的柔性铰链是-种结构紧凑、体积孝无机械摩擦、无间隙的传动导向机构，具有高精度和高稳定性的特点。以柔性铰链为导向机构的高精度微动工作台已被广泛用于要求具有纳米级定位分辨率的技术领域内。

在基于压电陶瓷驱动的纳米级微定位系统中，压电陶瓷驱动器的固有频率较高，-般为7-8 kHz，电路处理的频率也较高，可以到 1 000 kHz左右，则整个微定位系统的动态特性主要撒于由柔性铰链组成的放大机构和由平行板柔性铰链组成的弹性导向机构的固有频率。对这-系统进行分析，对于满足系统频响要求，以及对闭环系统的硬件配置、控制方法的选择、系统调试等都有-定的指导作用。

作者设计了-个两自由度微定位工作台，分析其结构非线性和变形非线性。并采用有限元分析方法，对微动工作台进行了静力学、模态和动态响应分析，得到微定位工作台有效工作的谐振频率和振型以及阶跃响应，验证了设计平台能满足其静、动态特性的要求。

1 二维微动平台的结构设计1.1 平台结构设计为了提高控制系统的定位精度，平台采用柔性铰链结构结合放大机构的结构形式。柔性铰链是-种弹性元件，具有机构简单、质量轻、无摩擦、无噪声 、不需要润滑、运动灵敏度高、加工简单等特点，广泛应用于微动平台的设计中。放大机构通过柔性铰链采用杠杆原理可以放大驱动器产生的位移，加大定位范围。

文中研究对象为-个二维杠杆放大的柔性铰链机构，结构如图1所示。

平台在 100 mil×100 mm×5 mm的弹簧钢板上线切割加工而成。如图 1所示 ，中间部分 为工作的平台，四周与柔性铰链 连接 ，柔性铰链宽度为 l mil。

2l mm×6 r/in方孔用来安装压电陶瓷驱动器。放大机构采用二级放大，其中-级理论放大比为3.3，二级理论放大比为3.2，因为工作中，杠杆有变形，实际放大比有减校4个半径为 3 mil的圆孑L通过螺栓与隔振台连接，隔离外界对平台的干扰。

收稿日期：2012-o4-26作者简介：张艳君 (1977-)，女，工学硕士，工程师、讲师，研究方向为机械电子工程。E-mail：zyjwzf###163.com。

第 9期 张艳君：基于 ANSYS的二维微动平台的性能分析 -155·图1 平台结构设计1.2 平台的非线性二维微动平台的平台部分在工作中存在变形非线性和结构非线性。这些非线性因素影响平台的定位精度，给控制方法的研究带来困难。

(1)变形非线性。微动平 台在工作时，柔性铰链发生变形，使其刚度和阻尼发生变化。柔性铰链的伸长量越大，其截面积越小，此时刚度和阻尼都变校这是由于变形而引起的系统参数随时间变化而形成的非线性。因为变形非常小，只有几十微米，产生的截面变化和引起的参数变化也很小，所以这种由于变形引起的非线性很校在研究控制方法时可以忽略平台的变形非线性。

(2)结构非线性。文 中所设计的平台有两个方向的运动，两个方向上的输入和输 出是相互影响的，- 个方向上的输入影响另-个方向的输出，即两个方向之间的运动存在耦合。-个方向位移的输入，导致另-个方向的系统结构发生变化，那么系统的参数也将发生变化，从而引起系统的非线性。因为两个方向的输入都很小，对系统的结构影响很小，所以系统因为结构的变化而产生的非线性也很校在研究控制方法时可以忽略平台的结构非线性。

2 微动平台的静/动态特性分析该平台采用弹簧钢，其性能参数见表 12。利用柔性铰链的弹性变形产生位移，为保证变形在弹性变形范围内，需要对平台进行静应力分析；文中所设计的平台主要用于动态定位，因此固有频率要高，需要对平台进行模态分析；为了分析平台的响应特性，对平台进行瞬态响应分析。

因为ANSYS与 Pro/E有 良好的接口技术，并且ANSYS在结构分析方面有强大的前后处理及计算分析能力，操作简单，界面友好，应用广泛，所以作者采用ANSYS对平台进行静/动力学分析。

表 1 65Mn弹簧钢化学成分 (质量分数)表 2 65Mn弹簧钢力学性能2.1 诲 灸分析平台利用柔性铰链的弹性变形产生位移，因此在平台的运动范围内，平台的变形不能超过其弹性变形范围。用ANSYS软件对平台进行静力分析。首先定义平台的材料、单元等参数。对平台进行网格划分，建立平台的有限元分析模型。平台的有限元分析模型如图2所示。有 限元分析模型采用 SOLID187单元，单元数为65 603，节点数为 108 873。对平台加位移载荷，固定 4个连接孔，在安装压电陶瓷的方孔加载位移 ，其中-个孔沿 方向加载 20 m位移，另-孑L沿Y方向加载 2O m的位移。定义完载荷后进行求解。平台所使用的材料是为65Mn钢，为金属弹性材料，根据第四强度理论来判断平台是否在其屈服极限内。分析结果如图2所示。

图2 平台应力云图分析得到 艿 580.668 MPa；65 mn钢的屈服强度6 I>784 MPa，因此6 <6 ，所以在弹性工作范围· 162· 机床与液压 第41卷缸筒与机械臂的初始坐标和转动惯量。对系统仿真90 S，利用 MATLAB工作空间数据可以得到举升过程的位移曲线、速度曲线、举升角度曲线和举升力曲线，如图5-8所示。

图7 举升角度曲线图 图8 举升力曲线图从图5和图6中可以看出：举升过程二级液压缸向外伸出的顺序为：第-级与第二级同步向外伸出，第-级运行到达极限位置时停止，同时第二级向外伸出。由于第二级外伸出时容腔体积变小，所以第二级运行速度比第-级大。从图6可以看出：液压缸在启动、换级及停止时将产生冲击振荡，这些都与实际相符合。

图7为举升角度曲线，从图中可以看出：举升角度的变化范围为0。～89.380 4。，也与实际情况相符。

从图8可以看出：举升力在开始时最大，随着举升时间增加而逐渐减小，在 t85.339 8 S时举升力变为零 ，随着时间的增加 ，举升力变为负值。这表明举升过程中，举升力由推力变为拉力，与实际情况相符。

5 结论利用 SimHydraulics和 SimMechanics软件能方便地建立多级液压缸的模型和机械系统的模型，通过机械、液压、控制模型间参数的关联关系，在 Simulink环境下能够实现复杂的机电液系统的仿真研究 ，为含多级液压缸的举升系统的仿真与优化提供了方法。