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。     

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。     

考虑复杂多响应问题的柔顺机构稳健优化设计

以细胞注射3-RRR柔顺并联微动平台为研究对象,针对柔顺并联机构多响应设计存在不稳定的难题,根据3-RRR柔顺并联微动平台沿X向、Y向平动和绕Z轴转动时的柔度关系,采用田口设计及蒙特卡洛仿真方法,在满足X向柔度具备较强稳健性的情况下,对微动平台Y向平动和绕Z轴转动时转动中心的柔度分别进行了迭代寻优,揭示了柔性铰链各种设计因子对微动定位平台多响应柔度的影响规律,找出了柔性铰链最佳的几何尺寸,为考虑不确定性扰动情形下柔顺机构复杂多响应问题的稳健优化设计提供了一种新的解决途径。最后通过实例验证了该方法的有效性。     

大行程柔性铰链Hexapod机构参数优化设计

大行程柔性铰链Hexapod机构的性能很大程度上取决于柔性铰链的性能。同样构型的柔性铰链,行程越大其离轴刚度越低,从而导致大行程全柔性铰链Hexapod机构整体的静刚度和精度下降。讨论了Hexapod机构运动学逆解的求解,包括每个支链的伸缩的长度以及每个铰链的转动角度的求解。在此基础上讨论了大行程全柔性铰链Hexapod机构参数优化设计,使得满足动平台运动空间要求的前提下各个铰链的行程要求最小,并针对设计中的大行程柔性铰链Hexapod机构进行了参数优化设计。     

六自由度柔性精密传动与定位平台的静态特性分析

基于柔顺机构学、机械原理和空间机构学,设计了由压电陶瓷驱动器驱动的六自由度柔性精密定位平台。利用伪刚体法和虚功原理对平台进行静力学分析,得到了沿X、Y、Z轴移动,绕X、Y轴摆动和绕Z轴转动6个自由度的静态刚度及运动特性,利用APDL对定位平台的结构进行优化,得到了平台6个方向运动的最大行程。对定位平台进行有限元仿真,并通过搭建的实验平台进行测试,将实验结果与理论结果和仿真结果进行对比分析,验证了理论模型的正确性及平台结构的合理性。     

椭圆形多轴柔性铰链的柔度计算及性能分析

多轴柔性铰链具有多个自由度,适用于三维空间运动。文中基于线弹性小变形假设,以卡氏第二定理为理论基础,得出椭圆形多轴柔性铰链的柔度计算式。选择一组椭圆形多轴柔性铰链进行柔度实例计算,同时对其进行有限元分析,验证椭圆形多轴柔性铰链柔度计算式的正确性,同时进行误差分析。引入比例系数ζ,当ζ0.5时,所有柔度项的误差基本在11%以内,当ζ≥0.5时,除C1,x-Fx之外的各柔度项误差明显增大,最大误差达到28%。利用所得的柔度计算式分析了铰链半短轴n、最小截面直径t对柔度的影响,同时对比分析了柱形、椭圆形、直圆形多轴柔性铰链柔度的差异。综上所述,为椭圆形多轴柔性铰链在空间柔性机构应用中的性能分析与选型设计提供了理论基础与思路。     

Y型柔性铰链的设计与实验

为设计一种高精度、结构简单的大变形柔性铰链,提高并联平台的运动精度和零件使用寿命,本文提出了一种Y型柔性铰链。首先,借助ANSYS和ADAMS进行柔性铰链的回转中心、安装方式和行程要求的分析研究。接着,利用数控机床进行柔性铰链的加工制作。然后,利用光学坐标测量仪OPTOTRAK进行柔性铰链的轴漂测量实验。最后,进行了转动副并联平台、单片簧柔性铰链并联平台和Y型柔性铰链并联平台的圆轨迹实验。实验结果表明:Y型柔性铰链回转误差最大值为0.5962mm,Y型柔性铰链并联平台圆轨迹的误差最大值比转动副并联平台减小了42.7%。Y型柔性铰链可以很好地替换并联平台中的转动副,提高并联平台运动精度。     

快速反射镜两轴柔性支承设计

提出了基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承结构,研究了这种柔性支承静动态特性的设计过程和设计方法。首先,从快速反射镜的工作机理出发,分析了系统对柔性支承的特性要求;然后,结合现有两种柔性支承结构的特点,提出基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承设计;在分析单个柔性铰链刚度特性的基础上,研究了两轴柔性支承的设计方法;最后,以通光口径为Φ90 mm、行程为±2 mrad、工作带宽为300 Hz的两轴快速反射镜为例,进行了两轴柔性支承的设计和特性计算。基于dSPACE半实物仿真系统建立了两轴柔性支承特性实验,对柔性支承的转动刚度进行测试,并对由设计的柔性支承组成的快速反射镜系统的控制性能进行分析。实验结果显示:设计的快速反射镜系统的一阶机械响应频率为78 Hz,闭环控制带宽为340 Hz,满足设计要求,表明基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承可以满足行程若干mrad,工作带宽数百Hz的两轴快速反射镜的应用需求,且具有加工工艺性好,转动中心稳定等优点。     

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。     

一种新型空间微操作平台的设计和性能

设计一种新型的6自由度精密微动平台,并对其静态和动态性能进行分析。利用3对不同方位的柔性铰链设计一种能实现6自由度运动的柔性运动支链,且支链结构设计在同一平面,将2对支链对称放置形成结构紧凑和高强度的微动平台。采用有限元软件ANSYS对平台进行柔度和运动学分析,分析结果表明对称支链1和3能产生Z和Y方向平动和绕X和Y的转动,而对称支链2和4能产生X和Y方向平动和绕Z和Y的转动,所以平台能实现6自由度运动,2对对称支链可以实现运动互补且具有部分运动解耦性。对平台进行灵敏度分析表明输出位移与输入位移为线性关系,平台沿X和Z方向的位移灵敏度相同,绕X和Z方向转角灵敏度相近,但Y方向灵敏度较小,说明平台在Y方向上运动性能不如其他方向的。对平台进行模态分析,从振型可看出其可实现6自由度方向的运动,并分析了在有和无预应力两种情况下的固有频率,两者差值范围为16.8%~33.9%,说明预应力对平台的固有频率有较大影响。     

椭圆弧柔性铰链刚度简化计算及优化设计

本文主要研究了椭圆弧柔性铰链刚度的优化设计方法。首无,针对椭圆弧柔性铰链刚度计算公式过于复杂的问题,采用幂函数非线性曲线拟合的方法,推导了椭圆弧柔性铰链刚度的近似理论计算公式。然后,基于近似理论计算公式,分析了柔性铰链的精度特性及工作时的最大应力;采用GlobalSearch全域优化指令和Fmincon局域优化指令对椭圆弧柔性铰链工作方向的最大刚度进行了优化设计。最后,采用有限元仿真和实验验证的方法证实近似理论计算公式的适用性和优化结果的可靠性。验证显示:实验结果与近似理论计算结果的相对误差小于5%,表明提出的方法不仅省去了繁杂的有限元模型建立以及计算和修改的过程,大大提高了设计效率;而且通过优化计算可以得到椭圆弧柔性铰链的最大刚度。     

另一类椭圆柔性铰链

本文提出了一类椭圆柔性铰链——深切口椭圆柔性铰链，其切口的宽度为椭圆的短轴，而切口的深度为椭圆的长半轴。基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论，通过引入离心角作为积分变量，推导了计算这类柔性铰链柔度、转动精度和最大应力的计算公式，这些公式具有简洁、规范等特点，非常有利于工程设计中的计算和分析。最后，用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链。有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果与吻合得很好，说明了这些解析计算公式的正确性。研究表明，这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合。     

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。     

深切口椭圆柔性铰链

提出了一类椭圆柔性铰链--深切口椭圆柔性铰链,其切口的宽度为椭圆的短半轴,而切口的深度为椭圆的长半轴.基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入离心角作为积分变量,推导出了这类柔性铰链的转角、转动精度和最大应力的解析计算公式.这些公式简洁、规范,可用于工程设计中的计算和分析.用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链,分析结果与解析计算公式的计算结果吻合得很好.其中转角的最大误差不超过4%,最大应力的最大误差不超过5%,转动精度的最大误差不超过7%,说明了这些解析计算公式的正确性.分析结果也表明,这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合.     

单边椭圆柔性铰链的计算与性能分析

单边柔性铰链在要求结构尽可能紧凑的柔性机构中被采用.以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边椭圆柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,得出结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过与双边椭圆柔性铰链比较,分析了单边椭圆柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,利用有限元方法对柔性铰链的柔度公式进行校验,结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于8%,为单边柔性铰链的工程设计提供了理论依据.     

大型光学载荷次镜调整机构优化设计及误差分配

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构,并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型,分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求,提出了定位精度指标和抗变形指标,建立了以构型参数为变量的优化目标函数,并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数,利用遗传算法对其进行多目标优化。然后,建立非线性最优误差分配模型,对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后,通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明:优化前后动平台定位精度提高了8.3%,抗变形能力提高了62.5%,铰点误差限由2.7μm提高到6.3μm,支撑杆误差限由1.3μm提高到3.2μm。另外,实验测得Z轴相对定位精度为0.6%,静刚度达到41.14N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力,有助于缩短设计、加工周期,节约设计、加工成本。     

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。     

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.     

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.