液压式微量位移驱动器的结构设计及特性分析

　　0　引言

　　微量位移驱动器是一种能产生微米级运动的装置。近年来,国内外正在开展研究的微量位移驱动器按其工作原理大致有静电、电磁、压电、形状记忆合金、热和光驱动、超导驱动等类型[1]。但现有微量位移驱动器中,不能同时满足线性关系,高刚度及同时承受拉压载荷作用。基于上述原因,现在发现了一种新型液压式微量位移驱动器。以色列内盖夫本—古里安大学的V·Portman和B·Z·sandler[2]对该驱动器作过研究,但他们仅仅对轴向变形形成微量位移进行过研究,没有对径向变形形成的微量位移进行过研究,本文对此作初步探讨。

　　1　驱动器的工作原理

　　图1为液压式微量位移驱动器的工作原理简图,它是利用液压油泵向液压缸体中输入高压油,缸体在高压油的作用下,缸体薄壁处发生径向弹性变性,在薄壁缸体中间处可获得最大的径向弹性变形量,把此变形量作为驱动器输出的微量位移Δ。

　　2　驱动器结构尺寸确定

　　2·1　驱动器模型简化

　　从驱动器工作原理中可知,微量位移是轴向力和径向力共同作用的结果,若以轴向力和径向力共同作用情况下来确定输入油压p与微量位移Δ的关系,那将是复杂的,所以有必要对模型进行简化。当有轴向力作用时,如图1所示,薄壁缸体圆弧就有相应的切向力F作用,在一般情况下,薄壁缸体长度L远远大于Δ,所以切向力F与缸体轴线的夹角近似为0, F沿径向的分力近似为0,因此就可以不考虑轴向力对径向变形的影响。由图1可知,缸体两端对径向变形是有约束的,但由于径向变形量Δ很小并且缸体长度L大于缸体内径d,所以两端约束影响也是小的,因此模型可简化为薄壁圆筒模型。

　　2·2　驱动器结构尺寸的确定

　　在模型简化的基础上,根据材料力学知识可得如下设计公式[3]:

　　其中:Δd为直径改变量, d为缸体的内径, t为缸体壁厚, E为材料弹性模量。

　　其中:r为圆筒内圆的半径。

　　其中:D为圆筒的外径。

　　设计初始数据:驱动器材料45钢;材料弹性模量E=205GPa;输出微量位移Δ=6μm;缸体外径D=24mm;输入最大油压p=30MPa。根据结构尺寸确定公式(1)—(3)可得:

　　。由前所述,缸体的长度L大于内径d可以减小两端约束对径向变形的影响,所以取L=62mm。缸体结构尺寸的确定结果如图2所示。

　　在模型简化的基础上可算出输入油压为30MPa,缸体结构尺寸为上述尺寸时的输出微量位移理论值:

　　3　驱动器有限元分析