3-RPC定位机构结构设计

集成式全柔性并联定位机构具有无摩擦和高稳定性的优点,但其结构设计相对复杂,定位精度低,在一些超精密定位领域无法达到定位要求。基于同构性的集成式全柔性并联定位机构,引入拓扑优化设计理论,设计出与同构性集成式全柔性并联定位机构运动特性一致的3-RPC型全柔顺并联定位机构。首先,以3-RPC并联定位机构为研究对象,通过微位移法求解出其输入输出间的映射关系。然后,建立3-RPC集成式全柔性并联定位机构和3-RPC全柔顺并联定位机构三维模型。最后,通过有限元软件对两种定位机构进行静、动力学分析。结果表明:3-RPC全柔顺并联定位机构在定位精度和抗振性均优于同构性的集成式全柔性并联定位机构。     

4-URU柔性并联机构构型设计及支链刚度分析

针对4-URU型柔性并联机构,提出了一种对支链刚度的新型求解方法,应用软件仿真结果验证该方法的有效性.首先,利用螺旋理论对4-URU刚性并联机构进行自由度分析,采用柔性铰链替换法设计相应的柔性并联机构.基于柔性铰链刚度矩阵,利用转换矩阵法求得支链的铰链刚度矩阵,利用有限元理论分别求得支链各柔性杆刚度,通过线性叠加求得支...     

基于柔性铰链的大口径望远镜并联调整机构

为减小地基大口径望远镜在光学追踪过程中重力变形对成像质量的影响,设计了一种基于柔性铰链的高侧向刚度、亚微米精度并联调整机构。首先,介绍了系统组成并针对技术指标的要求,开展了两自由度柔性铰链设计。建立了柔性铰链并联机构的等效运动学模型和刚度模型,搭建了并联机构刚柔耦合运动学仿真系统,分析了柔性铰链对机构精度的影响。最后,搭建实验测试系统,来验证柔性铰链的设计合理性和并联调整平台刚柔耦合运动学分析的准确性。仿真和测试结果表明,柔性铰链转动刚度误差控制在3.54%之内,小位移（微米/角秒量级）运动精度达亚微米量级,大位移（毫米/度）运动精度与仿真结果对比误差控制在微米量级,机构侧向刚度优于60 N/μm,能够满足地基望远镜光学成像的要求。     

基于拓扑优化的3-RPRR类平面全柔性并联机构构型优选

全柔性并联机构的构型参数是影响其刚度和定位精度的重要性能指数。基于同构型全柔性并联原型机构,以几何约束为条件,设计出了3-RPRR类平面全柔性支链。基于构型优选的思想进行拓扑优化,设计出另一结构形式的类平面全柔性支链,进而分别对两种不同支链组成形式的3-RPRR类平面全柔性并联机构进行静力学及模态分析。仿真结果表明:在实现相同运动特性的前提下,方案二全柔性支链构成的3-RPRR类平面全柔性并联机构不仅节省材料,且在刚度和抗振性上更优。     

基于拓扑优化的3-PRPR全柔性并联机构设计及分析

全柔性并联机构具有分辨率高、运动灵活、动态特性好等优点,但其构型设计往往不能满足微定位和精密加工制造领域的需求。基于并联机构原型,以几何约束为条件,设计出与并联机构原型空间运动特性一致的3-PRPR全柔性并联机构。利用Hyperworks软件行拓扑优化,设计出优化后的3-PRPR全柔性并联机构。分别对这两种3-PRPR全柔性并联机构进行有限元及模态分析,仿真结果表明:在实现相同运动特性的前提下,优化后的3-PRPR全柔性并联机构不仅节省材料,而且在刚度和抗振性方面更优于优化前的机构。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

3-RPRR类平面全柔性并联机构设计及分析

全柔性并联机构具有空间多自由度运动特性,但其结构尺寸往往不能满足微纳精密加工与制造领域的需求,具有明显的局限性。基于同构型全柔性并联机构,以几何约束为条件,设计出具有与同构型全柔性并联机构空间运动特性一致的3-RPRR类平面全柔性并联机构。建立3-RPRR全柔性并联机构和3-RPRR类平面全柔性机构三维模型。采用Hyperworks软件对两种机构整体进行有限元分析,并结合虚功原理推导出两种全柔性构型的静刚度模型。最后对两种机构进行模态分析。研究结果表明,3-RPRR类平面全柔性并联机构在刚度、抗干扰性以及抗振性方面均优于其同构型的全柔性并联机构。     

基于曲柄弹簧机构的零刚度柔性铰链研究

零刚度柔性铰链的转动刚度近似为零,克服了普通柔性铰链需要驱动力矩的缺陷,可应用于柔性夹持器等领域。以纯扭矩作用下的内外环柔性铰链为正刚度子系统,研究负刚度机构并匹配正负刚度,可构造零刚度柔性铰链。提出一种负刚度转动机构——曲柄弹簧机构,建模分析了其负刚度特性;通过匹配正负刚度,分析了曲柄弹簧机构的结构参数对零刚度品质的影响;提出一种可定制刚度和尺寸的线性弹簧——菱形片簧串,建立其刚度模型并进行了有限元仿真验证;最终,完成了一种结构紧凑的零刚度柔性铰链样件的设计、加工和测试。测试结果表明:纯扭矩作用下,±18°转角范围内,零刚度柔性铰链的转动刚度比内外环柔性铰链平均降低了93%。所构造的零刚度柔性铰链结构紧凑,零刚度品质高;所提出的负刚度转动机构和可定制刚度的线性弹簧对柔性机构的研究具有较大的参考价值。     

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.     

含有Heaviside密度映射的构型平稳变化的柔性机构拓扑优化设计

现有柔性机构拓扑优化方法在解决柔性机构拓扑优化的类铰链和灰度问题仍存在一些困难。为获得清晰和不含类铰链的优化拓扑,提出了一种构型平稳变化的结构拓扑优化求解方法。首先,构建了一种能综合表征柔性机构输入和输出端的局部刚度特性的加权组合柔顺度函数;而后,引入加权组合柔顺度的小量变化约束、Heaviside密度映射和变约束限方案,建立了柔性机构构型平稳变化的优化模型;最后结合MMA算法,形成了一种构型平稳变化的柔性机构拓扑优化方法。给出的算例结果表明,相比于现有方法,该方法计算公式简单,可获得清晰且无类铰链的拓扑构型。     

基于ANSYS的3种四杆柔性铰链机构刚度特性分析

单平行四杆柔性铰链机构作为移动副被广泛用于超精密工作台、精密传感器中。超精密工作台依靠其变形产生位移,故刚度特性对其定位精度影响较大。针对3种不同类型的四杆柔性铰链机构,对其刚度进行理论计算,同时,基于有限元软件ANSYS 12.0分析了3种不同类型的四杆柔性铰链机构。通过比较、分析得出了不同的外形尺寸对于四杆柔性铰链机构刚度的影响程度以及3种机构之间的刚度关系,为确定3种机构的适用场合和在MEMS设计过程中柔性铰链的选用提供了依据。     

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。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

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.     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

基于几何非线性方法的大行程柔性并联机器人位置解

提出了一种厘米级行程、微米级精度的柔性6-PSS并联机器人,该机器人的被动关节采用了大行程柔性铰链。首先,提出了大行程柔性铰链的概念并建立了其刚度矩阵;通过组集支链刚度矩阵以及建立适当的协调方程,得到基于刚度矩阵的柔性并联结构的位置解模型;由于模型中几何非线性问题的存在,在求解位置反解时,采用了修改的拉格朗日列式法;最后,给出了基于增量法解答的位置解算例。     

一种精密平台的柔性铰链设计和有限元验证

精密平台是一种能够提供微位移的高精度工作平台,柔性铰链作为传动机构,在精密平台设计中广泛应用。柔性铰链是决定平台性能的关键,柔性铰链的结构形式和尺寸参数影响着定位精度的高低。设计了一种叠加支链形式的柔性铰链结构,推导了基于该柔性铰链的二维精密平台的工作刚度、耦合刚度、耦合系数、铰链应力等性能指标的解析公式,并采用了有限元软件对性能指标进行了验证。仿真表明,两者具有良好的一致性,为应用于精密平台的柔性铰链设计提供参考。     

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。     

精密微位移工作合的设计与性能分析

在微位移技术中,柔性铰链是实现微位移和高分辨率的理想机构。结合精密磨床工作台高精度、高分辨率和大刚度的特点,以及满足工作台的工作行程和进给稳定性要求,设计了宏微两级精密进给机构;建立了柔性铰链导向机构的理论模型并进行刚度分析;详细给出了柔性铰链的参数设计、有限元分析和疲劳寿命分析。     

六自由度并联柔性铰链微动平台的研究

为获得具有运动解耦性的并联2-2-2结构的6自由度微动平台,首先以并联6-PUS 3维平台为原型,用柔性铰链替代球铰,用柔性框架替代直线移动副,设计了并联2-2-2结构的6自由度微操作平台。其次,建立了该微操作平台的位置正反解方程;然后,建立了柔性铰链的刚度模型,以各种强度条件为约束,并利用有限元分析校核了其中的柔性铰链。上述分析证明了该机构的可行性及运动解耦性。