Diseño y Análisis de un Mecanismo de Amplificación Cumplidor de Dos Etapas Basado en Estructuras Tipo Puente y Scott-Russell para Actuación Compacta Fuera del Plano
Autores: Shi, Xianfeng; Lu, Shuaishuai; Wang, Fei; Liu, Pengbo; Xiao, Guangchun; Yan, Peng
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Licencia
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Citaciones: Sin citaciones
Se requieren urgentemente actuadores piezoeléctricos flexibles capaces de desplazamiento fuera del plano desde el sustrato en los campos de manipulaciones micro/nano y óptica activa, donde el tamaño compacto y las configuraciones de bajo perfil son a menudo críticas. En este artículo, se desarrolla un mecanismo de amplificación de dos etapas mediante la conexión en serie ortogonal de un mecanismo tipo puente y un mecanismo Scott-Russell, con el fin de lograr una gran relación de amplificación y alta rigidez. La configuración de bajo perfil se realiza montando horizontalmente el actuador piezoeléctrico dentro del mecanismo de amplificación tipo puente plano. El mecanismo tipo puente amplifica inicialmente el desplazamiento de salida del actuador piezoeléctrico. Un mecanismo de guiado compuesto en el extremo de salida mejora significativamente la rigidez equivalente y restringe los desplazamientos parásitos del mecanismo tipo puente. El mecanismo Scott-Russell de segunda etapa amplifica aún más y convierte el desplazamiento en el plano en movimiento fuera del plano. El modelo cinemático y estático del mecanismo desarrollado se establece utilizando el método de matriz de cumplimiento, lo que permite una predicción precisa de la relación de amplificación y la rigidez de entrada/equivalente. Las simulaciones de elementos finitos y las pruebas experimentales en el prototipo validan la precisión del modelado y el rendimiento mecánico del mecanismo de amplificación de bajo perfil propuesto, demostrando una gran relación de amplificación de 15.70, una alta frecuencia resonante de 312.50 Hz y una capacidad de carga de hasta 20 N.
Descripción
Se requieren urgentemente actuadores piezoeléctricos flexibles capaces de desplazamiento fuera del plano desde el sustrato en los campos de manipulaciones micro/nano y óptica activa, donde el tamaño compacto y las configuraciones de bajo perfil son a menudo críticas. En este artículo, se desarrolla un mecanismo de amplificación de dos etapas mediante la conexión en serie ortogonal de un mecanismo tipo puente y un mecanismo Scott-Russell, con el fin de lograr una gran relación de amplificación y alta rigidez. La configuración de bajo perfil se realiza montando horizontalmente el actuador piezoeléctrico dentro del mecanismo de amplificación tipo puente plano. El mecanismo tipo puente amplifica inicialmente el desplazamiento de salida del actuador piezoeléctrico. Un mecanismo de guiado compuesto en el extremo de salida mejora significativamente la rigidez equivalente y restringe los desplazamientos parásitos del mecanismo tipo puente. El mecanismo Scott-Russell de segunda etapa amplifica aún más y convierte el desplazamiento en el plano en movimiento fuera del plano. El modelo cinemático y estático del mecanismo desarrollado se establece utilizando el método de matriz de cumplimiento, lo que permite una predicción precisa de la relación de amplificación y la rigidez de entrada/equivalente. Las simulaciones de elementos finitos y las pruebas experimentales en el prototipo validan la precisión del modelado y el rendimiento mecánico del mecanismo de amplificación de bajo perfil propuesto, demostrando una gran relación de amplificación de 15.70, una alta frecuencia resonante de 312.50 Hz y una capacidad de carga de hasta 20 N.