弹性支承设计

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1、弹性支承设计弹性支承设计张辉 冯松 袁伟目录目录原理简介原理简介1驱动部分结构设计及建模驱动部分结构设计及建模2支撑部分结构设计及建模支撑部分结构设计及建模3设计总结设计总结3一、原理简介一、原理简介一、压电效应与逆压电效应一、压电效应与逆压电效应 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态

2、，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。电致伸缩现象。 而本设计正是利用逆压电效应而本设计正是利用逆压电效应的电致伸缩效应，来驱动机构运动。的电致伸缩效应，来驱动机构运动。 下面有下面有3种压电效应驱动形式。种压电效应驱动形式。 （a）是）是stick sl

3、ip形式形式 基本原理是压电晶体先以比较基本原理是压电晶体先以比较慢的速度向一个方向变形，把慢的速度向一个方向变形，把slider移动一个位移，这时移动一个位移，这时slider是是stick的状态。的状态。 然后压电晶体很快的速度恢复然后压电晶体很快的速度恢复原来状态，这是原来状态，这是slider不随着压电不随着压电晶体运动，这时是晶体运动，这时是slip的状态。所的状态。所以顾名思义叫做以顾名思义叫做stick slip。一、逆压电效应驱动原理一、逆压电效应驱动原理（b）是）是worm-like形式，原理很简形式，原理很简单和蠕虫的行走方式有些类似。单和蠕虫的行走方式有些类似。（c）这种

4、形式是应用最为广泛的）这种形式是应用最为广泛的一种形式。原理简单的讲就是用一种形式。原理简单的讲就是用电来控制压电晶体的变形，先六电来控制压电晶体的变形，先六个压电晶体其逐个变形，由于其个压电晶体其逐个变形，由于其他晶体的摩擦力作用，滑块并不他晶体的摩擦力作用，滑块并不移动，而恢复变形时使六个滑块移动，而恢复变形时使六个滑块同时恢复变形，这样滑块就会随同时恢复变形，这样滑块就会随着压电晶体变形而移动，本设计着压电晶体变形而移动，本设计就是运用了这一原理。就是运用了这一原理。能够进行纳米级小位移控制是其优点。能够进行纳米级小位移控制是其优点。 弹性支承原理：是一弹性支承原理：是一种适应于小位移的

5、支承形种适应于小位移的支承形式，由于当运动部件位移式，由于当运动部件位移非常小时，移动速度会很非常小时，移动速度会很慢，如果采用摩擦副则黏慢，如果采用摩擦副则黏滑现象、磨损较都严重，滑现象、磨损较都严重，而弹性支承这很好的解决而弹性支承这很好的解决了上述问题，弹性支承没了上述问题，弹性支承没有摩擦、没有磨损，是小有摩擦、没有磨损，是小位移很好的支承形式。位移很好的支承形式。滑块弹性片二、驱动部分结构设计二、驱动部分结构设计二、驱动部分结构设计二、驱动部分结构设计 Coupling Bar之所以设计之所以设计成桥形，就是要有一个柔性的使成桥形，就是要有一个柔性的使其能够受力比较均匀。其能够受力比

6、较均匀。 之所以用螺钉、金属球、片之所以用螺钉、金属球、片簧来固定，就是要使压电晶体与簧来固定，就是要使压电晶体与滑块之间的力比较均匀，也便于滑块之间的力比较均匀，也便于调节滑块与压电晶体之间的力，调节滑块与压电晶体之间的力，使这个力控制在合理的范围内，使这个力控制在合理的范围内，既是滑块能运动，又要尽量使压既是滑块能运动，又要尽量使压力小一些，以减小磨损。力小一些，以减小磨损。 此外由于滑块与压电晶体之此外由于滑块与压电晶体之间的磨损，预应力会变化，通过间的磨损，预应力会变化，通过螺钉可以方便地调节。螺钉可以方便地调节。 这里对其预应力，这里对其预应力，预应变建立如下简单模预应变建立如下简单

7、模型。型。 由此可见，由此可见，b=3s设螺钉导程为设螺钉导程为L，设将，设将螺钉拧了螺钉拧了n圈。圈。 则则s=nL，b=3nL Fh=kbb=3nLkb驱动部分结构建模驱动部分结构建模二、支承部分结构设计二、支承部分结构设计 在本设计中我们用三个弹性金属片来做弹性支承，这在本设计中我们用三个弹性金属片来做弹性支承，这三个金属片相隔三个金属片相隔120，这样保证了滑块的位移不会偏。，这样保证了滑块的位移不会偏。 支承部分结构设计支承部分结构设计 弹性支承的固定端弹性支承的固定端的结构如右图所示，这的结构如右图所示，这样的结构保证了弹性片样的结构保证了弹性片的良好固定，也保证了的良好固定，也保

8、证了支承合适的刚度。支承合适的刚度。 弹性片的固定方式，弹性片的固定方式，暂定为焊接，因为这样暂定为焊接，因为这样可以使其固定更牢固。可以使其固定更牢固。 我们知道弹性金属片各个方向的刚度是不同的，金我们知道弹性金属片各个方向的刚度是不同的，金属片宽度方向和长度方向的刚度几乎可以看成无穷大，属片宽度方向和长度方向的刚度几乎可以看成无穷大，而厚度方向的刚度却较小，可以记为而厚度方向的刚度却较小，可以记为k。 支承部分建模支承部分建模k滑块压电晶体弹簧弹力合力F1压电晶体合力F2F1=F2 这里需要的关系是这里需要的关系是F1F2m；F2m是压电晶体的最大是压电晶体的最大静摩擦力这里用其动摩擦力表

9、示。设预压力位静摩擦力这里用其动摩擦力表示。设预压力位Fh。 所以所以F1=3kx；F2m=6Fh F1=3kx F2m=6Fh x 2Fh/k 即弹性支承的最大即弹性支承的最大Xmax是是 2Fh/k 即即6nLkb/k。 四、设计总结四、设计总结 这次设计我们冯松、袁伟、张辉三人分工合作，协调这次设计我们冯松、袁伟、张辉三人分工合作，协调一致，阅读了一定量的文献，既参考了一些别人成功的一致，阅读了一定量的文献，既参考了一些别人成功的设计，也有一些自己的创意。设计，也有一些自己的创意。 本次设计中由于我们对本次设计中由于我们对Catia三维造型的不熟悉，我三维造型的不熟悉，我们设计中遇到了很大的困难，但我们经过相互探讨共同们设计中遇到了很大的困难，但我们经过相互探讨共同努力还是解决了不少问题。努力还是解决了不少问题。 本此设计当然还面临着很多问题，目前的设计也只是本此设计当然还面临着很多问题，目前的设计也只是初步的，我们还会继续完善设计，善始善终。初步的，我们还会继续完善设计，善始善终。 四、设计总结四、设计总结