重力場(chǎng)下垂直微力發(fā)生裝置的研究

鄭 雙， 高榮慧， 王 勇

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

隨著人類對(duì)微觀世界的不斷探索，微力傳感器的運(yùn)用越來越廣泛，研究人員提出不少微力傳感器的標(biāo)定方法，但都達(dá)不到高精度的要求，尤其是無(wú)法產(chǎn)生精準(zhǔn)穩(wěn)定的微力。例如：砝碼重錘式［1－2］產(chǎn)生微力受滑輪、細(xì)線的摩擦影響較大；靜電平行板式［3］產(chǎn)生的力值和平板間隙是非線性關(guān)系，標(biāo)定不可靠；利用洛倫茲力［4］產(chǎn)生微力的裝置復(fù)雜，操作困難；靜電梳齒［5］產(chǎn)生微力操作不便，不易固定，制作復(fù)雜，不能標(biāo)定垂直方向力；Helmholtz線圈［6］產(chǎn)生微力易受地磁場(chǎng)的影響，只能在特殊環(huán)境中使用；文獻(xiàn)［7］利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器提供的一套單晶硅微懸臂梁和平板探針產(chǎn)生微力也能達(dá)到μN(yùn)級(jí)，但是這種方法先測(cè)量微懸臂梁的位移，再利用彈性系數(shù)間接求出，所以不易控制；文獻(xiàn)［8］針對(duì)的是水平方向的微力，并且未考慮裝置自身重力的影響，需要進(jìn)一步研究。

本文提出的垂直微力發(fā)生裝置采用二級(jí)杠桿進(jìn)行力縮小，用柔性鉸鏈［9］來連接杠桿和傳遞力，達(dá)到一定的縮小比，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的微力。目前考慮并消除重力場(chǎng)影響的設(shè)計(jì)很少，而本文設(shè)計(jì)的微力發(fā)生裝置加載力的方向?yàn)榇怪狈较?，裝置自身重心位置對(duì)裝置的測(cè)量和標(biāo)定產(chǎn)生的影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微力加載的最大量程，因此必須對(duì)重力場(chǎng)下裝置的性能加以分析。本文在考慮重力場(chǎng)（g＝9.8m／s2）影響后，對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)，最終采用對(duì)稱配重式的差動(dòng)結(jié)構(gòu)方案。

1 單側(cè)微力發(fā)生裝置

1.1 單側(cè)微力發(fā)生裝置工作原理

單級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確、損耗小，但只能通過增大杠桿的臂長(zhǎng)來獲得大的縮小比，因此空間使用受限；多級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)由于級(jí)數(shù)的增加，傳遞力的損耗增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素增多，雖然可獲得大的力縮小比，但最終的力縮小精度降低。為此，本文選用二級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 二級(jí)杠桿力縮小裝置示意圖

其中，杠桿ABC與杠桿DEG為2級(jí)杠桿，通過過渡桿CD連接，裝置的支撐和連接部位B、C、D和E均采用柔性鉸鏈，點(diǎn)A為力的輸入端，施加向下的力F，一級(jí)杠桿ABC將力F縮小后經(jīng)過過渡桿CD傳遞到二級(jí)杠桿上，二級(jí)杠桿將力再次縮小并通過輸出端G輸出力Ft，方向向下。裝置參數(shù)見表1所列。

表1 裝置的尺寸參數(shù) mm

裝置的力縮小比為：

1.2 單側(cè)微力發(fā)生裝置有限元分析

通過三維建模軟件Pro／E和有限元分析軟件ANSYS分別建立裝置的三維模型和有限元模型，如圖2所示。

圖2 微力發(fā)生裝置三維模型

單元類型選用20solid186，材料選用Ti合金，泊松比為0.288，彈性模量為107GPa，密度為4.5g／cm3，模型邊界約束條件為柔性鉸鏈B、E上表面全約束，在一級(jí)杠桿的左輸入端加載不同質(zhì)量的砝碼，即加載垂直向下的力，在輸出端得到不同的微力，見表2所列。

表2 單側(cè)裝置不同輸入載荷分析結(jié)果

結(jié)果表明：此裝置在輸入端加載不同質(zhì)量的砝碼，輸出端可以產(chǎn)生穩(wěn)定的不同微力，力縮小比達(dá)到143。

1.3 單側(cè)微力發(fā)生裝置在重力場(chǎng)下的分析

單側(cè)裝置Z方向在重力場(chǎng)下的變形云圖如圖3所示：

圖3 重力場(chǎng)下單側(cè)裝置Z方向位移云圖

分析可知，在重力場(chǎng)下，單側(cè)裝置輸出端位移達(dá)到391μm，輸出端支反力達(dá)到0.470 7N，位移偏移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出不考慮重力時(shí)的輸出位移，產(chǎn)生的垂直方向力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于μN(yùn)級(jí)別，因此必須改進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)來消除重力影響。

2 微力發(fā)生裝置的改進(jìn)

2.1 二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式裝置

改進(jìn)后的二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式微力發(fā)生裝置模型圖如圖4所示，二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式微力發(fā)生裝置在重力場(chǎng)下的變形云圖如圖5所示。

圖4 二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式微力發(fā)生裝置模型圖

圖5 重力場(chǎng)下二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式微力發(fā)生裝置變形云圖

分析可知：二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式發(fā)生裝置輸出端最大輸出位移為9.4μm，與單側(cè)裝置相比，下降了97.6%，輸出端支反力為0.125 18N，與單側(cè)裝置相比，下降了73.4%，有效減小了重力影響。

2.2 配重塊式裝置

二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式裝置有效地減小了自身重力對(duì)裝置的影響，但是二級(jí)杠桿對(duì)稱布置時(shí)尺寸太大，需要進(jìn)一步改進(jìn)。根據(jù)力矩平衡和對(duì)稱結(jié)構(gòu)的原理，采用配重塊代替裝置的對(duì)稱布置，經(jīng)計(jì)算確定了二級(jí)杠桿所需配重塊質(zhì)量，配重后的模型如圖6所示。

圖6 配重塊式模型

經(jīng)有限元分析，此配重塊式裝置在重力場(chǎng)下的變形云圖如圖7所示。

圖7 配重塊式裝置在重力場(chǎng)下的變形云圖

分析可知，二級(jí)對(duì)稱差動(dòng)式配重設(shè)計(jì)的微力縮小裝置在重力場(chǎng)下輸出端位移為7.469μm，與二級(jí)杠桿對(duì)稱式布置裝置相比，最大位移偏移下降了20.5%，與單側(cè)裝置相比下降了98.09%，基本消除了裝置的自身重力影響；輸出端在約束情況下輸出的支反力為0.121 8N，與單側(cè)裝置相比，輸出支反力下降了74.1%，有效減小了重力對(duì)微力縮小比的影響；整個(gè)機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為0.685 734MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。

3 垂直微力發(fā)生裝置的分析

對(duì)稱配重差動(dòng)式垂直微力發(fā)生裝置的示意圖如圖8所示。

圖8 對(duì)稱配重差動(dòng)式裝置示意圖

裝置參數(shù)見表3所列。

表3 改進(jìn)后裝置的尺寸參數(shù) mm

通過三維建模軟件Pro／E和有限元分析軟件ANSYS分別建立裝置的三維模型和有限元模型，經(jīng)過約束和加載不同載荷后，得到輸出端不同的微力，結(jié)果見表4所列。對(duì)比表2和表4可見，改進(jìn)后裝置不僅基本消除了自身重力的影響，裝置的力縮小倍數(shù)也增大了，所以，裝置的改進(jìn)是成功的。

表4 改進(jìn)后裝置不同輸入載荷分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種垂直微力發(fā)生裝置，此裝置采用二級(jí)杠桿力縮小原理，通過在輸出端約束不同大小的位移就可以將現(xiàn)有的砝碼力進(jìn)行縮小，得到不同的穩(wěn)定的μN(yùn)級(jí)力；并且此裝置利用對(duì)稱配重的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)消除了重力場(chǎng)的影響。此設(shè)計(jì)為微力的產(chǎn)生提供了一種新方法，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉、量程大，可廣泛應(yīng)用于各種需要微力的場(chǎng)合，有良好的發(fā)展前景。

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