柔顺桥式位移放大机构的非线性建模与优化

柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点已成为精密工程领域的研究热点。针对以往研究仅在线性范围内讨论桥式位移放大机构的设计与分析的问题,本文对典型集中柔度桥式位移放大机构进行了非线性建模与优化。考虑剪切作用与几何非线性,通过能量法、有限单元法与数值拟合,对机构的输入输出关系进行半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。为实现输出位移最大化与抑制几何非线性作用,提出机构平面内尺寸与厚度的综合优化策略。ANSYS Workbench有限元仿真显示,机构非线性建模误差均在5%以内且优化结果具备有效性。本文提出的两步法半解析非线性建模方法以及平面内尺寸和厚度的综合非线性优化策略对其它复杂柔顺机构的非线性结果快速预测与优化设计具有参考意义。     

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。     

基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

针对三级电反馈射流管电液伺服阀第三级滑阀阀芯行程较小,位移传感器较难检测的问题,提出了应用于三级电反馈射流管电液伺服阀的柔性铰链微位移放大器,利用解析法和有限元法对柔性铰链微位移放大机构进行了静力学和动力学分析,计算出了放大机构的放大倍数和输入刚度;输出位移和负载成线性关系,负载越大位移损失越大;应力分析表明此放大机构的最大应力远小于材料的最大许用应力;并通过有限元对固有频率和振型的计算,得出系统动力学参数。     

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.     

基于三角形和杠杆原理的柔性铰链放大机构

为克服单一的杠杆铰链放大机构的弧形位移输出和三角形铰链放大机构放大倍数小等缺陷,设计了1种综合三角形铰链与杠杆铰链结构性能优点的放大机构,理论推导了放大机构的位移放大比公式,开展了有限元仿真和实验研究。实验测试表明:当所采用的压电叠堆驱动装置驱动电压为80 V时,所设计的新型柔性铰链放大机构最大输出位移达85.36μm,放大倍数为4.5与理论值为5.40的放大倍数和有限元仿真为4.774的放大倍数相近,较理论值和仿真值误差率分别为16.67%和5.74%。新型放大机构具有较大的放大倍数和位移呈直线输出等优点。     

基于桥式柔性铰链多误差源的数学建模

利用快刀伺服系统加工可获得纳米级的微结构,桥式柔性铰链是最关键的零件之一,其柔性铰链的误差度直接影响零件的加工精度。通过对多误差源的分析,探索每个误差源对精度的影响程度。包括过对桥式柔性铰链关键尺寸的加工误差,特别是对敏感度较高的长度、宽度、厚度加工误差的分析,建立起关键尺寸与加工精度的数学模型;分析温度变化,建立基于神经网络的加工误差数学模型,并提出温度补偿的策略;分析重力等原因引起的误差变形,建立由于重力引起变形量与加工精度的数学模型。将上述的多误差源的数学建模运用到设计和制造中,能从源头上减少误差对加工精度的影响程度,提高快刀伺服系统加工微结构零件的尺寸精度和表面粗糙度。     

柔性铰链位移放大机构放大能力和负载能力分析

柔性铰链具有无间隙、无摩擦和运动灵敏度高的特点,在微型机械中常用来作为位移放大器使用.在对柔性铰链进行应力分析和位移损失分析的基础上,研究位移放大机构所允许的最大输入位移,以及负载对柔性铰链放大能力的影响,分析负载与放大倍数间的关系,建立了位移放大的数学模型.     

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。     

椭圆柔性铰链柔顺机构的动力学建模与分析

以椭圆的离心角为积分变量,得到椭圆柔性铰链的转角计算的积分公式,推导出椭圆柔性铰链的刚度表达式.在此基础上针对一种应用广泛的含椭圆柔性铰链的柔顺机构,建立其动力学模型,得到该机构系统的固有频率计算公式.通过算例分析了该机构的各种参量对系统固有频率以及柔性铰链刚度的影响.     

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。     

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。     

一种基于柔性铰链技术的微型放大机构研究

基于柔性铰链的传动及导向原理,提出了一种可以精确的放大直线位移的微型机构,该机构具有对称性好、机构简单紧凑、无附加位移、位移放大精度高等优点;在建立该机构的运动学模型基础上,给出了其工作原理;根据机构学原理计算出该机构放大比例,采用有限元法对该机构进行静力学分析,二者误差为4.66%。     

基于柔度比优化设计杠杆式柔性铰链放大机构

分析与研究了柔性铰链的柔度特性,用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ,探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度,分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后,以柔性铰链的柔度比λ为基本参数,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法,并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示,优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明,依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程,进而提高放大机构的末端运动及定位精度。     

两级对称式柔性铰链位移放大机构的设计与分析

介绍一种新型柔性铰链位移放大机构;对该机构进行了应力分析和位移损失分析,建立了位移放大数学模型,并用有限元分析软件进行了试验验证;计算出位移放大机构所允许的最大输入位移,指出对称式位移放大机构存在着较大的内部约束反力,指出其位移损失与外部负载呈线性关系。     

考虑机构铰链非线性因素的混合键合图建模及其仿真

针对机构运动副中干摩擦和间隙同时存在,建模、计算比较复杂,利用开关键合图建立了铰链非线性模型,并将其以模块化的形式嵌入到机构矢量键合图建模当中,给出了考虑非线性因素的机构混合键合图模型;并以夹持机构为例进行分析,通过仿真得出非线性因素对夹持机构动力学性能的影响,结果表明此方法能准确、简洁地描述考虑铰链非线性因素的机构动力学特性。     

柔性铰链微位移放大机构工作性能仿真

为了获得足够的机器人工作空间 ,微动并联机器人平台之间的支链均采用了基于柔性铰链的微位移放大机构。本文对微位移放大机构设计方案进行仿真分析。确保压电执行器既不会被弹性力封锁 ,柔性铰链处的应力也不超过许用应力。根据仿真结果设计的微位移放大机构保证了微动并联机器人的工作性能。     

基于柔性铰链杠杆放大机构的二维微位移平台设计

针对传统机械式的微位移机构无法满足高精度的定位要求,而柔性铰链本身驱动又存在驱动位移小的问题,设计了基于柔性铰链的杠杆放大机构。利用有限元分析软件A N SY S W orkbench12对微位移机构进行静力学和动力学模态分析,通过理论计算和仿真结果对比,微位移机构的尺寸可以满足设计要求。     

三角形柔性铰链的建模与分析

作为一种旋转单元,三角形柔性铰链可以组合为性能更加优良的柔性模块或柔性机构,如车轮形铰链、蝶形铰链等。建立准确的受力模型,分析其载荷—位移特性成为设计复杂铰链或机构的关键所在。基于近似的悬臂梁模型,建立三角形柔性铰链在同时受到弯矩、切向力和轴向力作用下精确的转角模型。得到未被近似的轴漂计算公式,并根据公式推导实用的轴漂模型。转角和轴漂模型都简洁地表征了载荷—位移关系,最后,通过有限元分析验证了所建立的模型的准确性。     

基于遗传算法的混合驱动铰链五杆机构的优化综合

在对铰链五杆机构进行正运动学及动态静力分析的基础上,采用遗传算法,分两步完成了精确实现给定轨迹且具有较好动力性能的混合驱动铰链五杆机构的优化综合。第一步:在假定伺服电机与常规电机匀速转动的前提下,进行五杆机构的尺度综合;第二步:保证第一步所得机构尺度参数不变,兼顾伺服电机的功率最小,运用Bezier曲线拟合伺服电机的运动规律,进行伺服电机动力性能的优化综合。给出的优化综合实例表明了该方法的有效性。