有指数应变放大机制的多孔嵌套的压电陶瓷制动器静态集总参数模型.doc

有应变指数放大机制的单元嵌套的压电陶瓷致动器静态集总参数模型 Jun Ueda, Thomas Secord, and H. Harry Asada 摘要——本文提出了一个有着应变指数放大机制的单元嵌套的压电陶瓷静态集总参数模型的设计和分析。压电陶瓷材料，例如锆钛酸铅（PZT），有很大的压力和带宽，但它的应变极其小，就仅仅0.1%，这已经成为了广泛应用它的主要的一个瓶颈。我们已经提出了一个有着超过20%的有效应变的压电陶瓷致动器的多层“嵌套菱形”机制，这个机制通过它的分层的单元结构增加应变指数。然而，为了带动一个大的负载必须注意应变放大结构的设计。通过运动学静态分析，本文针对输出的力和位移如何随着节点刚度和放大机制内包含的柔索衰减。一个优秀的集总参数模型有利于量化性能下降并且推进折衷设计的方案的成熟。一个仅重15克的单元嵌套的压电陶瓷致动器原型已经能产生21%的有效应变(2.49mm的位移由12mm的致动器长度)和1.7N阻力。 I．介绍 压电陶瓷，例如PZT，有很高的功率密度，高带宽和高效率。PZT在响应速度和带宽方面胜过其他的致动器材料，包括记忆合金（SMA），导电高分子材料，和导电致伸缩弹性体。它的最大应变和SMA一样大，并且效率堪比导电致伸缩弹性体。 PZT最致命的缺点是它的极其小的应变，也就是，只有0.1%。在过去的几十年里，大家做出了努力使得PZT产生的位移足够大来驱使机电自动一体化系统[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]。这些可以被分为 a）点动或周期波的产生；b)双金属片型弯曲；c）杠杆型运动放大；d）弯曲伸张机制。点动蕴含摩擦传动，它把点动的适用性限制到一个范围。双金属片型机制[11]仅仅是只能产生很小的力尽管它们的位移和张力很大，这个也把应用限制到了很小的范围。杠杆型运动放大[8]低效，产生仅仅近似100的一个微小收益。它在几个杠杆连接来产生一个大的位移式往往是十分笨重的。各种各样的弯张机制已经被研究开发出来了，例如“Moonie” [1] [4],“Cymbal” [7], “Rainbow” [3], 还有其他的一些 [9]。一个单独的致动器，例如C-block [5] 和 Moonie [4]，可以被串联叠加来增加总位移。然而，这种堆叠也增加了整体机构的尺寸，并且不能提高它本身的应变，它已经被知道可以提高到23%，例如，通过弯张机制。因此，一个具有更大的应变的更紧凑的致动器被认为是驱动各种各样的机电一体化系统所必须的。 我们提出的这个新的“菱形嵌套”方案[13]对于在一个小巧的机身上获得一个很打的应变是特别有用，它适用于很多种应用。数百量级大的放大增加可以用用这种方法获得。虽然PZT堆叠的原始应变仅为0.1%，这个新致动器所得到的额定应变在20%以上。这个大应变放大的核心思想是分层次的嵌套结构。应变在分层结构的每一层扩增α倍。不像传统的杠杆机制，它获得α与杠杆的尺寸或者堆叠的数量成比例，新机制的放大增益随层数的增加成指数的增加。对于K层的分层机构，所得到的增加是由αK（层的数量的力量）决定的。这种嵌套的方法可以让我们在一个紧凑的机体上获得一个大的应变。因此，单元致动器概念对致动器很合适。 本文提出了一种有着指数放大应变机制的单元嵌套的压电陶瓷静态集总参数模型的设计和分析。一个包括嵌套的应变放大器的机械柔性的运动学静态模型将发展到研究通过单个压电致动器产生的力和位移由分层机构传递是如何产生输出节点上力和位移聚合的结果。折衷的设计将会在这个模型的基础上讨论。提出的概念的有效性将通过具有21%有效应变，1.7N阻力，机身重量15克的致动器原型的设计得到证实。 II．菱形嵌套结构 用于放大PZT致动器小位移的几个放大机制已经同时在宏观[1]和微观[12]尺度上开发了，并且已经应用到了商业产品上[15]。我们基于传统的“Moonie”机制[1]的技术通过使用嵌套的结构扩展了呈指数的应变放大。如图1所示，该机制的基本组成部分是一个像六边形的菱形，他会在灰色所示的内部结构扩张时垂直收缩。假定该菱形的梁是完全刚性的，并且所有的接头是可以自由转动并且是单纯地旋转。结果，垂直方向的位移，即，机构的输出，被放大了。 我们的方法是将这个技术扩展到： 1）获得一个数量级更大的应变放大，并且 2） 图2展示出了一种新的机制，称为“菱形嵌套”应变放大器，它包含了众多的排列成分层结构的菱形机制。最内层的单元，也就是分级系统的基石，是以上描述的标准菱形机制。这些单元串联以增加输出位移。这些单元也可以平行排列，以增加输出力。这种分层机制的显着特点是，这些菱形单元被一个放大了一个较小的菱形单元的总位移的较大的菱形机制所封闭。这些较大的菱形单元被连接在一起，并围着甚至更大的菱形