外置-串联复合型LET铰链的设计与性能分析

针对LET铰链存在拉压刚度低、工作精度差的问题,基于外置LET铰链,设计了外置-串联复合型抗拉压LET铰链,推导了铰链弯曲等效刚度与拉压等效刚度的理论计算式。实例计算与有限元分析误差在5%以内,验证了理论分析与等效刚度计算式的正确性。将外置-串联复合型LET铰链与相同尺寸的外置LET铰链、Nested-LET铰链进行性能对比,在保持弯曲变形能力的前提下,外置-串联复合型LET铰链拉压刚度是外置LET铰链的43.3倍,是Nested-LET铰链的1.43倍,充分表明该铰链结构设计的合理性与有效性。     

平面折展机构平面弹簧的设计与分析

针对常规平面弹簧变形过程中运动端容易产生周向旋转从而造成振动和磨损的问题,设计了一种基于LEMs的平面弹簧,该弹簧由平面薄板加工成形且能实现平面外运动,具有体积小、易加工,结构简单及变形过程中运动端不发生周向旋转等优点。首先,基于悬臂梁模型和伪刚体模型分别推导了LEMs平面弹簧的刚度计算公式。其次,为验证所推导公式的正确性,建立了LEMs平面弹簧的ANSYS仿真模型,并将有限元分析结果与上述两种理论模型的计算结果进行了对比。结果表明,在变形较小的情况下由悬臂梁模型所推导的公式计算精度更高,在变形较大的情况下使用由伪刚体模型所推导的公式更为合适。最后,通过大量实例分析推导了两个公式的适用范围,并用一组数值算例证明了其正确性。     

基于椭圆形柔性铰链的串联柔性机构设计与应用

为提高精密定位系统的行程,以椭圆形柔性铰链为基本变形单元提出一种大行程串联柔性机构。使用伪刚体模型法对串联柔性机构的运动过程进行了分析,进而建立了串联柔性机构的刚度和最大应力理论模型。采用超声波直线电机作为驱动元件,以单向2.5 mm行程作为设计目标,确定了串联柔性机构的结构参数,有限元分析结果与理论计算结果误差小于5%,证明设计的正确性。在此基础之上,构建了具有毫米行程的定位系统,进行了连续步进实验,实验结果证明使用串联柔性机构可以实现大行程精密定位。     

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。     

四种复合型柔性铰链刚度分析与应用

以材料力学和微积分的相关知识为基础,推导了四种复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式。以倒圆角直梁型柔性铰链为例,基于有限单元法验证所推导刚度计算公式的正确性。采用解析法对四种复合型柔性铰链的刚度性能进行对比分析。结果表明,椭圆直梁复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸刚度最小;分别将其应用于柔性T型联结节结构中,采用有限单元法对各柔性T型联结节的刚度性能进行对比分析,结果表明,由椭圆直梁复合型柔性铰链构成的柔性T型联结节的变形补偿能力最强。     

椭圆直梁复合型柔性铰链的刚度分析

提出了一种新型椭圆直梁复合型柔性铰链,以小变形悬臂梁和微积分的相关知识为基础,推导了其弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。分析椭圆直梁复合型柔性铰链的结构参数对其刚度性能的影响,并与倒圆角直梁型柔性铰链进行比较,结果表明椭圆直梁复合型柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于倒圆角直梁型柔性铰链。     

直角切口柔性铰链串联支链的屈曲分析

利用材料力学弯曲变形理论的挠曲线近似微分方程,建立计算直角切口柔性铰链串联支链屈曲临界力的数学模型,在建模过程中定义平均屈曲临界挠度系数并给出其确定方法.采用商用有限元软件ANSYS8.0对大量不同参数的串联支链模型进行有限元屈曲分析,分析结果与根据数学模型计算得到的屈曲临界力十分接近,说明了所建数学模型的正确性.研制测试柔性铰链串联支链屈曲临界力的专用试验装置,针对加载载荷尺寸对柔性支链屈曲的影响,提出载荷等效长度的概念.试验结果表明:屈曲临界力的试验值与理论计算值相吻合,从而验证所建数学模型具有较高的参考价值,可以作为柔性铰链串联支链屈曲优化设计的指导理论.     

幂函数正弦柔性铰链设计与分析

提出了一种新型幂函数正弦柔性铰链,利用卡氏第二定理推导了柔性铰链的柔度与转动精度计算公式,并取不同参数值对柔度和转动精度进行了有限元仿真分析和理论值计算,相对误差在10%以内,验证了计算公式的正确性;分析了柔性铰链的曲线方程参数对铰链性能的影响。结果表明,最小厚度对柔性铰链的性能影响最大。此外,将椭圆、双曲线与新型铰链进行了对比。结果表明,椭圆柔性铰链的柔度最大,但是转动精度最小;双曲线柔性铰链的转动精度最大,但是柔度最小。通过引入柔度精度比β,分析对比得知,在相同L的情况下,改变d,幂函数正弦柔性铰链的β值分别比椭圆和双曲线柔性铰链平均提高了2.68倍和1.237倍;在相同d的情况下,改变L,幂函数正弦柔性铰链的β值分别比椭圆和双曲线柔性铰链平均提高了2.60倍和1.18倍。表明幂函数正弦柔性铰链的综合性能更有优势。     

曲梁柔性铰链性能分析及应用机构设计

基于线弹性和小变形以及欧拉伯努利梁理论,对圆弧曲梁柔性铰链的柔度以及精度进行了分析,得到了柔度与精度公式。使用ANSYS对柔度公式进行了验证。该公式在细长曲梁的情况之下有足够的精确性。设计了一种基于圆弧曲梁柔性铰链的多环平行导向机构,并对此机构分别在水平作用和竖直作用下的平行导向性能进行了有限元分析,有限元结果表明:此机构能够满足对水平方向和竖直方向上的导向功能。为柔性铰链的研究以及柔顺机构的设计均提供了一定的参考和借鉴。     

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...     

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.     

复合型柔性铰链的折叠成型技术研究

分析比较了基于复合材料的新型柔性铰链先微装配或先MEMS加工后折叠成型的两种加工工艺的优缺点;然后重点探讨了柔性铰链的折叠成型技术,给出薄片折叠成型柔性铰链的数学模型;在此基础上探讨了各参数对最大弯曲力矩和回弹角的影响。研究结果表明,复合材料的屈服极限和铰链厚度是影响折叠力矩和回弹角的主要因素。     

内置式平面抗拉柔性铰链的建模及分析

针对内置式LET(Lamina Emergent Torsion)柔性铰链轴向抗拉刚度低的问题,提出了一种内置式平面抗拉柔性铰链。首先全面考虑铰链各部分的变形特点,设计了内置式平面抗拉柔性铰链的结构形式;其次利用弹簧刚度模型推导了该柔性铰链弯曲等效刚度与抗拉等效刚度的理论计算模型,并通过设计实例的有限元仿真分析结果和理论计算值的对比,验证了上述理论模型的正确性;最后,将内置式LET柔性铰链和内置式平面抗拉柔性铰链的弯曲刚度及抗拉刚度进行比较。结果表明,在结构参数相近的前提下内置式平面抗拉柔性铰链的弯曲刚度仅是内置式LET柔性铰链的1.179倍,但抗拉刚度在其57.821~89.496倍之间。这意味着,内置式平面抗拉柔性铰链的抗拉刚度在弯曲刚度没有明显变化的情况下有显著提高。该铰链的性能完全与预期相符。     

新型直圆柔性铰链的设计与分析

为了得到柔度更大以及回转精度更高的柔性铰链,设计了一种新型直圆柔性铰链。对两种铰链的柔度、精度以及疲劳寿命进行了比较分析。结果表明,新型直圆柔性铰链较传统直圆柔性铰链的柔度更大,回转精度更高。传统直圆柔性铰链的寿命可以认为是无限寿命,新型柔性铰链的寿命也接近无限寿命。因此,相对于传统直圆柔性铰链,新型柔性铰链具有更优的性能,符合铰链的设计要求。     

柔性铰链精密定位机构的设计与分析

研究一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩放机构。该机构采用桥式柔性铰链位移缩放机构,这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级。建立桥式柔性位移缩放机构的位移缩放比的理论模型,对机构进行了应力分析,运用ANSYS有限元软件分析了弹性微位移缩小机构的特性,并与理论建模的的结论相一致,且机构的输入输出具有良好的线性关系。结果表明:该机构的行程可达40微米,分辨率达20纳米。     

双正弦波纹柔性铰链的设计与分析

针对传统矩形截面铰链和圆形截面铰链在用于多自由度精密定位平台时行程不足的问题,设计了一种双正弦波纹柔性铰链.该研究通过建立有限元模型,使用ANSYS进行静力学和模态分析,与传统铰链的最大位移及固有频率进行比对.结果表明,相比于传统铰链,该铰链柔度更佳,且利用双正弦曲线特性有效改善波峰波谷薄弱处的应力集中问题,对于多自由...     

单边导角形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边导角形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边导角形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元和实验的方法对柔性铰链的柔度公式进行校验。结果表明:有限元和实验方法与闭环解析式的结果基本一致。对单边导角形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过与双边导角形柔性铰链比较,分析了单边导角形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考。     

电动推杆驱动串联双铰链柔性机械手的状态分析

提出一种欠驱动柔性关节机械手,采用一个电动推杆驱动带有2个扭弹簧的串联双铰链机械手手指结构。介绍了该机械手结构和驱动原理,建立静态力学方程和几何平衡方程,通过Matlab软件的fsolve函数得出无刷直流电机输入电流与两个扭弹簧扭转角关系、输入电流与机械手手指张开大小的关系等,为串联双铰链柔性机械手抓取形状和尺寸变化、材质不同的特殊物体提供了理论依据。     

柔性铰链的微动平台设计

根据高性能直线电机直接驱动宏动平台和宏/微双重驱动精密定位机构的要求,基于柔性铰链设计微动平台,实现大行程纳米级别的分辨率和定位精度;微动平台采用压电陶瓷驱动,安装于宏动平台上;整个宏/微系统采用精密绝对光栅和精密增量光栅二级位置检测以解决大行程和高分辨在检测上的矛盾问题,以此为位置反馈实现闭环控制。在平台结构设计的基础上建立系统质量刚度动力学模型,分析平台在阻尼垫块不同的情况的稳定性能。