基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计

为了对柔性微位移放大机构进行优化设计,有必要对柔性铰链及柔性放大机构进行参数化分析与研究。提出了一个通用的结构参数ε,探讨了ε对不同柔性铰链柔度系数的影响规律,并横向比较了常用柔性铰链的柔度特性。另一方面,基于柔度特性的影响分析,提出了新的参数柔度比λ,重点分析了不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度。以实际的桥式柔性微位移放大机构为例,利用参数ε和λ实现了该柔性放大机构的参数化设计,并用有限元软件进行了仿真计算。实验测量结果表明,对基于柔性铰链的柔性微位移放大机构进行参数化设计,最终输出位移行程与有限元仿真设计的结果误差率为3.80%。基于柔性铰链的结构参数ε和柔度比λ对柔性放大机构进行参数化设计是可行且正确的,有利于这一类柔性放大机构的优化设计。     

微位移放大机构的分析与计算

基于力学理论提出一种通用的柔性铰链柔度的计算方法,适用于各种切口形状的单轴和多轴柔性铰链的设计计算。推导出直圆柔性铰链在平面受力状态下的柔度计算公式,并分析了直圆柔性铰链结构参数与性能的关系。分析一种微位移放大机构的结构与工作原理,推导出微位移放大机构获得较大输出位移时,机构中两直圆柔性铰链结构参数应满足的关系,计算结果表明本文方法正确有效。     

基于柔性铰链的微位移放大机构设计

为了对柔性铰链进行优化设计,定义了一个新的参数并用它来讨论5种常见的柔性铰链一直梁型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链.首先建立了一个柔性铰链的有限元模型并用理论分析验证它的正确性.由于刚度是影响柔性铰链性能的最重要的参数,定义了一个参数λ--柔性铰链凹口处长与宽的比值.然后通过有限元分析得出5种柔性铰链刚度比值ε的曲线,并且基于此比值设计了一个压电致动器的微位移放大机构.本文的设计方法以及刚度比ε有助于我们设计这一类型的微位移放大机构.     

柔性铰链精度特性研究

推导出了单轴柔性铰链的精度计算公式,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.提出了柔度精度比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链的特性提供了依据.用解析表达式计算了一组椭圆柔性铰链实例的精度和柔度,得到它们的柔度精度比,并比较了它们的性能优劣.结果表明直圆柔性铰链具有最佳的性能,可为柔性铰链的工程优化设计提供参考.     

圆弧柔性铰链的优化设计

柔性铰链是高精度柔性机构的关键部件,其运动精度与运动范围影响着柔性机构的性能,本文对圆弧柔性铰链进行了柔度矩阵推导,并依据柔度方程进行优化设计。采用结构矩阵法建立了圆弧柔性铰链的柔度方程,对矩形截面的翘曲抗扭刚度进行推导,得到了约束扭转状态下的扭转柔度近似方程。为相对长度较小铰链的扭转刚度精确求解提供了依据。对比理论计算结果与有限元分析结果,结果显示扭转柔度的最大相对误差在10%左右,其余方向柔度相对误差低于6%,验证了柔度方程的准确性。采用正交试验直观分析法得到柔性铰链各设计参数对转动刚度的灵敏度,并利用多目标遗传算法对柔性铰链的转动柔度以及轴向刚度两个目标进行了参数优化。通过优化结果与设计经验选取参数的对比,发现优化后圆弧柔性铰链的弯曲柔度提升了5.12%,同时铰链的轴向刚度提升了4.72%,证明针对圆弧柔性铰链的优化设计具有明显效果。     

基于APDL的柔性铰链位移放大机构

针对压电陶瓷微位移驱动器输出位移范围小的局限性,应用柔性铰链位移放大原理,设计了一种柔性铰链微位移放大机构,提出了柔性铰链杠杆放大机构的参数化数学建模方法,并采用ANSYS参数化程序设计语言（APDL）编写了柔性铰链杠杆放大机构的建模和仿真分析程序。仿真试验表明,所设计的柔性铰链杠杆放大机构的输入位移与输出位移线性度高,实际放大位移与理论值相差5％,完全可以满足机构的微位移放大要求。     

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示：基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明：基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。     

柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。     

基于GMA柔性换向放大机构的结构设计与优化

设计了一种以超磁致伸缩驱动器(GMA)为驱动单元,以杠杆式柔性铰链进行位移换向放大的微位移传递机构。根据弹性力学理论,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出柔性换向放大机构的放大比和固有频率表达式,运用Matlab软件优化分析柔性铰链的切割半径R和最小厚度t等几何参数,获得了柔性铰链几何参数的最优值,并对优化后的结果进行有限元分析,最后,将仿真结果与理论分析结果进行了对比。研究结果表明,理论分析与有限元分析验证了理论模型的正确性,实现了机构放大倍数高、位移换向呈直线输出的设计目标。     

基于挠曲线方程的柔性铰链转动柔度公式推导

利用材料力学和微积分的理论推导出了常用直圆柔性铰链转动柔度的计算公式,与至今一直沿用由J.M.PAROS给出的精确柔度计算公式相比,更简洁准确,更有利于直圆柔性铰链的设计和分析。并分析了直圆柔性铰链的结构参数对其柔度的影响,为直圆柔性铰链在压电微位移放大中的应用提供了一定的理论基础。     

新型直圆导角复合型多轴柔性铰链的柔度计算及其性能分析

设计出一种新型多轴柔性铰链--直圆导角复合型多轴柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了柔度计算式。利用所得结果进行实例计算,并进行有限元分析,通过结果对比验证了计算式的正确性。定义了铰链的厚长比λ,分析了柔度相对误差与λ之间的关系。利用所得柔度计算式,分析了铰链结构参数对其柔度的影响。通过与直圆型多轴柔性铰链的对比,得出直圆导角复合型多轴柔性铰链的转动能力与对载荷的敏感性均优于前者的结论。     

新型桥式机构放大率的计算、分析和实验验证

单边直圆形柔性铰链在结构上更紧凑、体积更小,本文提出了一种新型的基于单边直圆形柔性铰链的桥式机构,建立机构1/4结构的力学分析模型,并推导出该机构放大率的理论计算公式。为了验证公式,先采用有限元软件ANSYS仿真分析,再加工出实物进行测试。验证结果表明:理论计算值与有限元仿真值、实验测试值都非常吻合,误差分别为1.94%和4.84%,从而证明放大率理论计算公式的准确性。     

深切口椭圆柔性铰链优化设计

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构,本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型,探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵,利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算,在此基础上构建了多目标加权优化模型,利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明:绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示:经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高,同时抑制了其他方向上的运动能力,从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度,可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。     

Topology optimization of flexure hinges with a prescribed compliance matrix based on the adaptive spring model and stress constraint

This paper focuses on the configuration design of flexure hinges with a prescribed compliance matrix and preset rotational center position. A new method for the topology optimization of flexure hinges is proposed based on the adaptive spring model and stress constraint. The hinge optimization model is formulated by maximizing the bending displacement with a spring while optimizing the compliance matrix to a prescribed value. To avoid numerical instability, an artificial spring is used as an auxiliary calculation, and a new strategy is developed for adaptively adjusting the spring stiffness according to the prescribed compliance matrix. The maximum stress of flexure hinge is limited by using a normalized P-norm of the effective von Mises stress, and a position constraint of rotational center is proposed to predetermine the position of the rotational center. In addition, to reduce the error of the stress measurement, a simple but effective filtering method is presented to obtain a complete black-and-white design. Numerical examples are used to verify the proposed method. Topology results show that the obtained flexure hinges have the prescribed compliance matrix and preset rotational center position while also meeting the stress requirements.     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。     

混合型柔性铰链构型设计与柔度建模

通过将对称型柔性铰链进行分段和命名,提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理,将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段基段的柔度矩阵,进而构建出形式统一的两段混合型柔性铰链通用柔度和精度模型。选取圆锥曲线、矩形梁和棱台型基段类型,基于组合设计共获得96种新型混合型柔性铰链。结合具体算例和借助有限元验证理论模型的正确性,并对所设计和现有的柔性铰链构型性能统一进行评价分析。研究工作可为柔性铰链构型优选和特性评价提供理论指导。     

Two general solutions of torsional compliance for variable rectangular cross-section hinges in compliant mechanisms

Several approaches exist for calculating the torsional compliance of rectangular cross-section beams, but most depend on the relative magnitude of the cross-section thickness and width, which might be changing during the design phase (especially for design optimization) or is variant for variable cross-section beams such as circular flexure hinges and tapered bars. After summarizing current equations and analyzing their computational accuracy, two new equations are proposed, which are thickness-to-width ratio independent, and suitable for variable cross-section beams and optimization design of torsional elements in compliant mechanisms. The closed-form equations for the torsional compliance of elliptical and circular flexure hinges are derived by using the new equations.     

Design and analyze of flexure hinges based on triply periodic minimal surface lattice

The triply periodic minimal surface lattice structure is innovatively introduced into the design of flexure hinges in this paper. Four types of triply periodic minimal surface lattices are generated by approximate mathematical expressions. The compliance characteristics of these four lattices are simulated by finite element analysis (FEA), and it is found that the primitive lattice (P-lattice) is the most suitable lattice for flexure hinges. Simplified model of single P-lattice and one-dimensional parallel structure composed of several P-lattices are proposed. Finally, the P-lattice is integrated into the beam portion of flexure hinges by Boolean operation, and this new type of flexure hinge is additively manufactured. The FEA and experimental results show that the compliance and compliance ratio of this new type of leaf flexure hinges are greatly improved.     

Topological and Shape Optimization of Flexure Hinges for Designing Compliant Mechanisms Using the Level Set Method

A flexure hinge is a major component in designing compliant mechanisms that o ers unique possibilities in a wide range of application fields in which high positioning accuracy is required. Although various flexure hinges with di erent configurations have been successively proposed, they are often designed based on designers' experiences and inspirations. This study presents a systematic method for topological optimization of flexure hinges by using the level set method. Optimization formulations are developed by considering the functional requirements and geometrical constraints of flexure hinges. The functional requirements are first constructed by maximizing the compliance in the desired direction while minimizing the compliances in the other directions. The weighting sum method is used to construct an objective function in which a self-adjust method is used to set the weighting factors. A constraint on the symmetry of the obtained configuration is developed. Several numerical examples are presented to demonstrate the validity of the proposed method. The obtained results reveal that the design of a flexure hinge starting from the topology level can yield more choices for compliant mechanism design and obtain better designs that achieve higher performance.