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。     

含孔隙结构的新型直梁型柔性铰链研究

针对直梁型柔性铰链转动存在寄生位移难以实现微机电系统机构高精度运动应用,基于直梁圆角型柔性铰链,提出含平面对称孔隙或偏置孔隙结构、具有局部泊松比特征的新型柔性铰链。结合柔性铰链闭环柔度方程构造对标柔性铰链有限元计算模型;对具有相同孔隙率但不同组合形式孔隙的柔性铰链进行旋转柔度、回转精度及模态分析。结果表明,相同孔隙率下,对称布置孔隙铰链的柔度、中心回转精度均高于偏置孔隙铰链,其中3×3对称布置孔隙结构可将铰链自由端挠度提升20%,中心回转精度提高11.97%;孔隙结构柔性铰链自由端载荷与该端位移呈近似线性关系。本研究为多孔异构形式新型柔性铰链在特定精度与受多向力场合应用提供新思路。     

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。     

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.     

单自由度柔性微定位平台的设计与分析

针对微/纳精密操作定位精度要求,基于压电陶瓷驱动方法,设计了一类适用于面内精密定位工作的单自由度柔性微定位平台,采用单自由度柔性铰链实现机构的微/纳米级运动。通过构建柔性微定位平台的运动学模型得到了机构在铰链空间和笛卡尔空间中的位置映射关系,结合有限元仿真分析各位置柔性铰链的柔度特性对机构执行末端位移输出能力的影响,与位置理论计算结果比较说明其有效性。模态分析、驱动刚度分析为后续的动力学问题研究奠定了基础。     

混合型柔性铰链研究

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式--混合柔性铰链,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.提出了柔度应力比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链提供了依据.通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的混合铰链设计实例,并得到其柔度应力比值.结果表明该混合柔性铰链的性能远高于直圆柔性铰链.设计的混合柔性铰链为面向高精度、大位移的工程应用提供了有价值的参考.     

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。     

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。     

基于有限元法的单边混合柔性铰链的性能分析

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式-单边混合柔陛铰链,由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的单边混合铰链设计实例,结果表明单边该混合柔性铰链相对于一般混和柔性铰链与单边柔性铰链具有更高的柔度.并得到其柔度应力比,可用于定量地比较各种柔性铰链的性能差异.提出的单边混合柔性铰链为面向结构紧凑、大位移、高精度的工程应用提供了有价值的参考.     

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.     

一种低成本微定位平台的设计与仿真

针对半导体及微纳制造等领域对微定位系统低成本高精度的要求,根据以宏观的输入获得微观的输出、低精度驱动器输入获得高精度输出的设计思想,设计了一种基于柔性铰链差式杠杆机构的低成本微定位平台。在该平台中,通过设计位移缩放机构,将驱动器的宏观输入位移进行比例缩小,实现平台的微观输出,降低微定位平台的成本。分析了微定位平台的刚度,并根据该平台定位机构所受载荷的不同,设计了两种不同的柔性铰链。在此基础上,建立了该平台的有限元分析模型,采用ANSYS对该平台的应力进行了分析,并对该平台的输出位移进行了仿真。仿真结果证明了该微定位平台的可行性。     

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.     

S形折叠式柔性铰链结构设计

为了减小柔性铰链的转动刚度,依据串并联关系,设计了S形折叠式柔性铰链。使用伪刚体法和能量法,建立了S形柔性铰链的刚度模型。利用ANSYS建立了该柔性铰链的有限元模型,对铰链进行了刚度和应力分析,并将其与理论值进行了比较,得到刚度误差约为3%,验证了刚度模型的准确性。当转角达到最大值±35°时,安全系数为4,符合设计要求。     

隧道传感系统微位移机构的主从关联优化设计

隧道传感系统是基于量子隧道效应,用以测量纳米级微小测量量的传感装置。其中微位移机构的设计对传感器的整体尺寸、量程、精度等性能具有重要作用。以往关于位移机构优化设计的研究主要是针对单一优化目标或普通多目标优化问题,而实际上机构不仅有多个属性需要优化,而且这些属性还可能具有不同的变量和约束,普通单层数学规划难以准确描述和解决。基于此,对隧道传感系统微位移机构的主从关联优化进行研究。根据传感系统的性能要求,对由压电陶瓷和六连杆柔性铰链机构组成的纳米级微位移机构进行初步设计。在此基础上建立柔性铰链机构空间尺寸和静态性能两个关键属性的优化模型,并构建其公共变量的协调层,形成具有主从结构的双层规划模型。提出一种面向工程背景,基于移动区间响应曲面拟合下层最优值函数的双层规划数值方法。最后对计算结果进行分析。     

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。     

用于光纤对准的柔性铰链微位移机构

提出了一种新型的微位移机构。该机构用步进电机驱动 ,柔性铰链和弹性平板作为传动导向机构 ,可以实现纳米级的运动分辨率。该机构已经应用于光纤对准中的精密调整。     

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。     

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。