单级柔顺正交位移放大机构非线性建模与优化

摘要

同时实现操作的灵活性与稳定性是精密工程领域的研究热点。单级柔顺正交位移放大机构可通过正交位移转换实现平行夹持,并通过位移放大提高操作的灵活性,但该机构的传统建模方法主要基于小变形假定并忽略剪切作用,导致模型精度较低。为此,对典型的单力输入单级柔顺正交位移放大机构进行精确的非线性建模与优化。考虑到剪切作用与几何非线性因素,对单级柔顺正交位移放大机构输出位移进行两步法半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。第1步,基于能量法与欧拉-伯努利梁理论,建立该机构输出位移的线弹性解析模型,并结合小变形静力学有限元分析,拟合剪切非线性修正系数;第2步,结合几何非线性静力学有限元分析与数值拟合,建立该机构输出位移的几何非线性修正系数模型。为最大化输出位移并抑制几何非线性作用,提出机构平面尺寸和厚度综合优化策略,并利用ANSYS Workbench有限元仿真验证了机构输出位移非线性模型与优化结果的有效性。仿真结果显示,机构输出位移非线性模型的误差小于5%,且可依据不同优化策略显著增大输出位移或将几何非线性程度约束于指定范围内。研究表明利用所提出的方法对单级柔顺正交位移放大机构进行非线性建模与优化,可有效提高压电驱动柔顺微夹钳的位移输出性能与开环控制的精度和实时性,有利于实现稳定灵活的微操作。