外凸圆弧柔性铰链的计算与分析

通过与有缺口的普通弓形柔性铰链进行对比,将外凸圆弧作为基本的柔性单元,引入柔性铰链,推导两种铰链的转动刚度公式,并计算了尺寸参数对转动刚度的影响,最后通过有限元计算了两种铰链对平行四边形机构的变形影响.结果表明,在外形尺寸与受力相同的情况下,外凸圆弧柔性铰链四边形机构的水平输出位移是弓形柔性铰链机构的3.9倍,在相同输出位移的情况下.外凸圆弧四边形机构受到的最大等效应力是弓形铰链的32%.     

摆线柔性铰链的设计计算与性能分析

提出了一类基于摆线方程切口的新型柔性铰链。利用变截面梁弯曲理论推导其转动刚度数学模型,根据微元法下的胡克定律叠加原理推导其拉伸刚度的数学模型,通过有限元验证了计算公式的正确性,讨论了结构参数对转动刚度的影响关系和显著程度,比较了新型柔性铰链与传统柔性铰链的性能。分析表明转动刚度与弹性模量、宽度和最小厚度成正比,而与拱高参数成反比,且对最小厚度的变化最敏感,新型柔性铰链的柔度仅次于椭圆型,相较于圆弧型和抛物线型柔铰对载荷的敏感程度平均提高了10%和30%以上,新型摆线柔铰为柔性铰链的设计选型提供了新思路。     

弹性铰链设计

根据高等材料力学的知识推导了弹性铰链的刚度公式，并利用有限元软件ANSYS进行了铰链刚度校核和应力校验。     

3-PPSR并联微动机器人静刚度分析

为简化6支链并联微动机器人的复杂结构,减小装配误差,提出压电陶瓷驱动的3-PPSR构型6自由度并联微动机器人结构.采用整体式下平台和三条两端带有柔性球铰链和直圆柔性铰链的支杆,使结构紧凑并有利于提高精度.为分析对并联微动机器人精度具有重要影响的静刚度指标,首先求出此类机器人的逆解矩阵及支杆柔性铰链处微小角位移和末端位姿的关系.在此基础上,考虑支杆两端柔性铰链和弹性平板的弹性变形,运用虚功原理推导并联微动机器人静刚度矩阵.进而仿真分析机构各几何参数对静刚度的影响,获得支杆两端铰接点半径及直角弹性平板和支杆两端柔性铰链尺寸对刚度的影响规律,为此类并联微动机器人刚度配置和机构优化设计提供理论依据.     

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

针对直梁型多交叉簧片柔性铰链难以兼顾大转角、低刚度的问题,设计了一种多交叉曲梁簧片柔性铰链。采用圆弧曲梁簧片减小变形应力和转动刚度,在纯转矩驱动条件下具有高转动精度和大转角行程。推导了圆弧曲梁簧片的变形应力计算方程,建立了柔性铰链的大变形力学分析模型,并通过转动刚度实验和变形应力仿真计算验证了理论模型的准确性。进一步分析了半径系数、簧片曲率和位形角等设计变量对柔性铰链驱动转矩和变形应力的影响关系,提出了同时减小转动刚度和变形应力的设计方案,确定了使柔性铰链获得零刚度特性和负刚度特性的设计变量组合。所设计的柔性铰链结构及其性能分析结果可为新型大行程柔性铰链的设计提供参考。     

基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。     

Stewart平台的综合谐振频率研究

载人的大惯量Stewart平台,多采用液压伺服系统驱动,其必然存在液压-机械综合谐振问题。这是由于油液的可压缩性、传动铰链的弹性及负载惯性等引起的。本文首先根据力-变形关系推导出Stewart平台的刚度矩阵,然后分别根据铰链和液压缸各自组成构件的串并联关系,推导出三维万向铰链和液压弹簧刚度的数学模型。进而建立了液压Stewart平台的无阻尼动力学方程,并据此研究了系统的综合谐振频率。理论计算与实验结果表明,平台的位姿、油液与铰链的刚度等因素决定了系统的综合谐振频率。     

双曲线弹性铰链的特性分析

为了得到一个结构紧凑、无摩擦、无磨损且高效率的微进给装置，分析了双曲线凹槽弹性铰链的特性，得到其在不同载荷作用下刚度的解析解，此外，还利用有限元的方法对弹性铰链的刚度和运动精度进行了校验。     

一种新型柔性铰链的转动刚度推导与验证

设计了一种基于圆弧型薄板结构的柔性铰链,以力学与微积分相关理论为基础,给出了该结构转动刚度近似计算公式的推导过程,并用Matlab绘制了曲板内径等3个关键参数对其转动刚度的影响程度曲线,然后依靠有限元软件Ansys给出了转动刚度的仿真计算公式.最后对实体样件进行了刚度测试,验证了其解析模型和仿真模型的准确性.     

基于大行程柔性铰链的并联机器人刚度分析

基于大行程柔性铰链的并联机器人系统可以在立方厘米级的工作空间内提供亚微米级的运动精度。所采用的大行程柔性铰链的几何参数及其在空间内的布置,将会直接决定并联机器人的系统刚度,从而间接的影响整体系统的工作空间、承载能力和驱动负荷等一系列系统性能。提出了大行程柔性铰链基于刚度方程的弹性模型,采用刚度组集的方法并通过建立协调方程,构建得到整体系统的刚度模型。进而进行了系统刚度性能分析,得到系统刚度影响图谱,为这类新型的柔性并联机器人的设计与开发提供了有力依据。     

柔性铰链转动刚度计算公式的推导

柔性铰链作为无摩擦的支点有着成千上万的应用，以力学的基本公式和微积分为基础，给出了一般柔性铰链转动刚度计算公式的推导过程。在此基础上，得出了常用的直圆柔性铰链的设计计算公式，计算公式是精确的推导结果，且在表达上较迄今沿用的Paros给出的柔性铰链精确设计计算公式来得简洁，有利于柔性铰链及其机构的计算和分析。当直圆柔性铰链的切割半径与最小厚度相当时，Paros给出的简化公式存在一定的误差，这里的计算公式尤其适用于该类直圆柔性铰链。     

直圆椭圆复合型柔性铰链研究

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式——直圆椭圆复合柔性铰链，它由半个直圆柔性铰链和半个椭圆柔性铰链构成。给出了直圆椭圆复合柔性铰链的柔度设计计算公式，并通过有限元方法验证了此公式的正确性。分析计算了一组不同椭圆短半轴的复合铰链实例，结果表明直圆椭圆复合柔性铰链的性能高于直圆柔性铰链。设计的直圆椭圆复合柔性铰链非常适合于需要大位移、高精度传动的应用场合。     

柔性铰链的计算和分析

针对常用的直圆柔性铰链进行力学分析,与迄令一直沿用由J.M.PAROS给出的柔性铰链绕z轴的转动刚度(柔度)计算公式相比,提出了更为简洁、精确的转动刚度计算公式,使其有利于柔性铰链的设计和分析。对直圆柔性铰链所能承受的最大力矩和最大角位移进行了分析,给出了它们在不考虑应力集中影响下的计算公式。讨论了直圆柔性铰链各个参数对其性能的影响。为柔性铰链在精密定位系统中的应用提供了一定的理论基础。     

椭圆导角混合柔性铰链的设计计算与性能分析

为满足柔顺机构的大柔度要求,设计了一类新型椭圆导角混合柔性铰链。首先,以卡氏第二定理为基础推导了柔度和回转精度的计算公式,在参数的极限条件下,椭圆导角结构演化出其他三种铰链形式：直圆导角、椭圆直圆和直圆柔性铰链,使得多种柔性铰链的柔度和回转精度的计算公式合并在一组方程中,通过有限元分析验证了计算公式的正确性。其次,讨论了结构参数对柔度、回转精度和柔度精度比的影响趋势,分析结果表明,柔度与回转精度随参数的变化趋势具有相反性,且减小最小厚度是提高柔度的最佳方式。再次,比较了所提四种柔性铰链的性能,椭圆导角混合柔性铰链具有最大的柔度但回转精度较低,而直圆柔性铰链具有较高的回转精度且综合性能也较优越,但柔度最小。最后,对椭圆导角和直圆柔性铰链进行了应用研究,研究结果表明,椭圆导角混合柔性铰链在回转能力和应力水平方面具有显著优势。     

Design and analysis of a multi-notched flexure hinge for compliant mechanisms

This article presents a new multi-notched flexure hinge, which consists of two right circular and two parabolic notches, for positioning stages based on compliant mechanisms. First, the configuration of the presented multi-notched hinge is obtained using topology optimization, and the final shape is proposed based on post-processing. Second, the dimensionless empirical equations for the stiffness, rotational precision and stress levels of the flexure hinges are developed using finite element analysis (FEA). Third, based on the established equations, the influences of the geometric parameters on the performance of the flexure hinge are investigated. Finally, to further understand the characteristics of this type of flexure hinge, comparisons with flexure hinges of various shapes are performed in terms of stiffness, rotational precision and stress levels.     

Dimensionless design graphs for flexure elements and a comparison between three flexure elements

This paper presents dimensionless design graphs for three types of flexure elements, based on finite element analysis. Using these graphs as a design tool, a designer can determine the optimal geometry, based on the stiffness and rotation demands of a flexure element. An example is given using the beam flexure hinge.Between the analyzed flexure hinges, a comparison is made on basis of equal hinge functionality: rotation. The result describes the maximum stiffness properties from different hinges in identical situations. A beam flexure element is preferred over a circular flexure hinge for stiffness demands in a single direction, while a cross flexure element enables medium stiffness in two perpendicular directions.     

单轴对称柔性铰链计算机辅助设计系统

柔性铰链性能的好坏直接影响到微位移机构的精度、稳定性和耐久性.目前微位移机构正在向着高精度、微型化的方向发展,对柔性铰链的性能也提出了越来越高的要求.针对柔性铰链传统手工设计方法费时、费力、且精度不高的缺点,基于Visual Basic(VB)语言开发了一套单轴对称柔性铰链计算机辅助设计系统,圆形铰链实例计算表明:该系统实现了单轴对称柔性铰链设计与校验自动化,大大提高了设计效率和设计质量.计算得到的铰链柔度/旋转精度曲线组,不仅可用于考察符合设计要求的数据组,而且清晰地反映了铰链几何参数与其柔度、旋转精度间的关系,为下一步进行柔性铰链理论分析提供了有力的工具,为可靠、高效微位移系统的建立提供了良好的基础.     

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。     

Spatial force-based non-prismatic beam element for static and dynamic analyses of circular flexure hinges in compliant mechanisms

This paper presents a spatial force-based non-prismatic beam element modeling approach for circular flexure hinges, which is capable of accurate and efficient modeling of both static and dynamic characteristics of flexure-based compliant mechanisms. The spatial force-based non-prismatic beam element is an improvement and extension of the existing beam elements by considering shear and torsional effects of circular flexure hinge. The new consistent mass matrix formulation was derived using the Unit Load method. A parallel-guided compliant mechanism was taken as an example to validate the efficiency and accuracy of the proposed approach through static and modal analyses with fewer non-prismatic beam elements, and the results are well agreed with ANSYS simulation results with massive 3D solid or 2D shell elements. The developed approach is also available to model arbitrarily shaped flexure hinges in compliant mechanisms.     

A generalized analytical compliance model for transversely symmetric three-segment flexure hinges

This paper presents a generalized compliance model for a three-segment notch flexure hinge with transverse symmetry. This flexure hinge configuration is most frequently employed in planar-motion, small-displacement compliant mechanisms. The axial and bending compliances are derived for this flexure hinge based on the compliances of two flexure components. The derivation is generalized such that it can be applied to various segment geometries. Using this open-ended model, a three-segment right elliptical corner-filleted flexure hinge design was analyzed. This geometric configuration introduces additional geometric parameters, which can be used to optimize the compliance of the flexure hinge without modifying its gross dimensions. The results of the analysis were validated in part by modifying the geometric parameters of the center segment and elliptical corner fillets to form limiting cases corresponding to several previously investigated configurations, namely right elliptical, three-segment right circular corner-filleted, and right circular geometries. Finite element analysis simulation and experimental testing were used to further validate the three-segment right elliptical corner-filleted analytical model. Additional simulations based on the analytical model were performed to highlight the influence of geometric parameters on compliances and to investigate shear effects for short flexure hinges.