基于动态等效刚度的平面柔性铰链建模与分析

提出一种能够实现虎克铰功能的平面柔性铰链。在分析平面柔性铰链自由度的基础上扩展铰链的运动形式,对铰链的两种位姿建立一种动态等效刚度计算的理论模型,借助Gauss拟合探究大变形位姿下刚度的非线性变化规律,并在有限元平台上验证了模型的正确性。根据理论模型对铰链整体的刚度变化特点进行了分析,探讨了铰链的性能特性。最后将该平面柔性铰链引入6DOF并联隔振平台,采用ADAMS、ANSYS联合仿真对所建新平台进行刚柔耦合动力学分析。结果表明,该平面柔性铰链在满足虎克铰运动要求的同时还能够有效避免虎克铰间隙引起的振动传递率突变问题。     

一种新型球面变胞铰链的设计与实现

针对传统球铰链存在的"一个铰链只能同时连接两个杆件进行运动"的固有缺陷,提出了一种新型的球面变胞铰链(HSMM)的设计.该铰链是被动关节,其主要组成部分是一偏置平行四边形机构与一对组合门铰,它可以同时连接多个杆件,并使这些杆件作球面运动,从而能增大旋转中心附近的关节空间,有利于作业任务的完成.在这种铰链的结构设计基础上,对由该铰链组成的球面六杆变胞机构进行了自由度分析,并描述了此铰链在变几何桁架机器人中的应用前景.     

六自由度微动工作台柔性铰链设计

主要介绍了用于六自由度微动工作台的柔性铰链即双向柔性铰链和万向柔性铰链的设计过程，根据微动台中柔性铰链的设计要求，分析了微动台运动时驱动力与铰链变形的关系，确定了满足驱动力条件的柔性铰链刚度范围，并结合柔性铰链强度条件、工作台动态特性以及柔性铰链转角刚度与结构尺寸的关系，进一步确定柔性铰链的刚度和结构尺寸，合理设计柔性铰链．另外，通过有限元分析软件分析了柔性铰链最大受力时的应力分布情况．对柔性铰链的强度进行了校核，进一步保证了柔性铰链设计的正确性．     

基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台设计与分析

针对由压电陶瓷驱动的微定位平台工作行程不足的问题，设计了一种基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台。考虑到不同柔性铰链的物理特性，通过差异化的铰链组合方式来优化新型二自由度微定位平台的性能，使其具有较快响应速度和大范围输出位移。基于拉格朗日定理，构建了新型二自由度微定位平台的刚度模型，并推导了其固有频率的解析表达式。有限元仿真结果表明，该二自由度微定位平台刚度模型的误差较小，验证了刚度建模方法的准确性和可靠性。研究结果可为柔性精密微定位平台的构型设计和建模分析提供一定的理论指导。     

Stewart平台的运动学精度分析和误差补偿

介绍了一种提高Stewart平台精度的运动学标定方法。根据运动学反解建立了Stewart平台位置姿态和运动学参数之间的误差模型,表明平台的位置姿态误差主要来源于6个液压缸的长度误差和与平台连接的铰点位置误差。通过三坐标测量机和最小二乘法实现了运动学参数测量与辨识,并对建立在哈尔滨工业大学的Stewart平台进行了试验。试验结果表明这种方法能够提高Stewart平台精度。     

海洋工作平台波浪补偿控制模型的建立

传统的波浪补偿设备以补偿升沉方向的扰动为主,波浪补偿精度较低,为了更好地补偿海浪对船舶的非线性扰动,提高波浪补偿技术的精确度,本文使用SolidWorks建立了Stewart并联六自由度平台的三维模型,对波浪补偿控制系统的设计及仿真分析进行了研究。首先,本文介绍了双层并联六自由度运动平台结构设计,对海洋波浪补偿试验装置进行了分析,列出了上、下Stewart平台的运动参数。其次,建立了双层并联六自由度平台动力学模型,并建立了六自由度运动平台的坐标系,描述了各坐标系间的变换关系。最后,利用MATLAB进行动力学仿真,设置了双层六自由度并联运动平台的模型参数。     

五自由度次镜调整机构的研究

在同轴望远镜系统中,主镜和次镜的相对位置和姿态有非常严格的要求,需要将次镜设计成多自由度可以调整的机构.针对次镜调整机构的性能要求,提出一套由二维XY移动平台和三维Tip/Tilt/Focus平台组合成的五自由度次镜调整机构方案.其中三维Tip/Tilt/Focus平台由3个驱动器、定平台与动平台组成,驱动器与动平台之间由柔性铰链连接,通过3个驱动器的伸缩和柔性铰链的转动来实现动平台的三自由度运动.对三维Tip/Tilt/Focus平台的运动学原理作了详细介绍,深入地讨论柔性铰链弯曲刚度和轴向刚度与几何参数的关系.研究结果为五维调整机构及柔性铰链的设计提供客观依据,具有较大的实际意义.     

圆弧型柔性球铰柔度设计计算

 通过研究圆弧型柔性球铰的柔度性能,使该柔性球铰可代替传统的双轴柔性铰链应用于空间多自由度柔顺机构.根据《材料力学》中的卡氏第二定理,圆弧型柔性球铰柔度的解析公式被推导出,然后利用ANSYS12.0软件对其进行有限元分析, 结果表明有限元分析与解析式的计算结果基本一致.通过改变圆弧型柔性球铰的各结构参数来分析其性能,得出各结构参数对其柔度的影响大小依次为：最小截面直径 t、圆弧的圆心角θ^_m、圆弧半径R、杨氏模量E. 此设计计算和特性分析为柔性球铰在柔顺机构的应用提供了依据.     

多自由度系统振动控制仿真和实验

对于复杂的多自由度系统的振动控制，耦合问题是一个难点。分析分析了对多自由度系统采用多个单输入单输出的控制方法的条件，即控制线性系统的一组广义坐标来达到控制整个系统的目的。应用这种理论，对一个两自由度系统进行了实验研究，并采用六组独立的LMS自适应算法，对一种特殊的六自由度结构——立方Stewart平台——进行振动控制过程仿真，实验和仿真效果均把原振动减小了90％以上。     

4种形式的六自由度运动平台及其运动性能比较

通过讨论4种不同结构形式的六自由度运动平台，特别是比较其运动性能，证明：没有任何一种平台的性能在所有方面都优秀，某种平台只能在某些方面比较好。但Stewart平台的综合性能最好。     

含间隙铰的机械多体系统动力学模型

对四类间隙铰模型(连续接触模型、有限元模型、经典碰撞模型和接触变形模型)进行分析比较，给出了经典碰撞和接触变形模式的含间隙多体系统动力学模型。经典碰撞模式的动力学模型着重考察系统动力学的整体行为，不能预测碰撞过程中铰关节局部接触力的变化历程。接触变形模式的多体系统动力学模型考虑了碰撞体间的法向和切向接触力，以及阻力矩，能够求解系统运动过程中间隙铰轴销与孔体的碰撞力。采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型，研究了重力场及其方向性对空间可展机构动力学性能的影响。计算结果表明，无重力与有重力环境时含间隙可展机构动力学行为有较大地差别，重力作用使间隙铰内碰撞减弱。为了保证在地面试验中可靠地预测在太空展开性能，可展机构在地面试验时应采取重力补偿措施。     

基于Stewart平台微振动主动控制分析与实验

以压电棒为主动元件构建立方体Stewart隔振平台,采用基于DSP的数字控制系统和Fx-LMS自适应算法进行振动控制。对输入输出通道辨识方法和主动控制模块进行测试,并给出隔振平台隔振效果验证。实验结果表明,对于10 Hz~100 Hz范围内的单频干扰,可实现24 d B以上抑制效果,对于双频干扰,也具有良好的控制效果。     

基于Stewart并联调姿平台的六维力测量与不确定度分析

在分析六维力静态解耦算法的基础上,提出基于牛顿迭代法的动态六维力解耦算法,构建六维力测量模型,基于蒙特卡洛仿真法实现了六维力测量不确定度评定算法,并设计相关试验算例进行验证.结果显示,六维力在X轴与Y轴方向的力分量测量不确定度分别为0.011 3N和0.011 4N,绕Z轴的力矩分量测量不确定度为0.008 3N·m.研究结果可以为Stewart并联调姿平台六维力测量的应用提供一定借鉴.     

基于物理规划的 Stewart 平台多目标优化

应用物理规划方法对500米口径球面射电望远镜(FAST)精调 Stewart 平台进行了多目标优化设计.根据 Stewart 平台的设计准则,将 Stewart 平台的运动精度、重量和工作效率作为目标函数,构造了相应的以目标函数为变量的偏好函数,建立了基于物理规划的多目标优化模型,采用遗传算法对该优化问题进行求解.结果表明,物理规划避免了基于权重的多目标优化方法中权系数难以确定的问题,有效地给出了优化问题的 Pareto 解.     

含关节间隙的3-CPaRR解耦并联机构弹性动力学建模与分析

为研究关节间隙对柔性化条件下并联机构输出运动特性的影响,以3-CPaRR并联机构为研究对象。首先,根据该并联机构的空间位置关系,研究了该并联机构的运动学规律,表明该并联机构驱动圆柱副可等效分解为驱动移动副和被动转动副;其次,基于空间位置矢量模型,建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,从而进一步建立各支链转动关节处含间隙的运动学模型;然后,基于Lankarani-Nikravesh接触力模型和Coulomb摩擦力模型建立各支链转动副处存在关节间隙时的法向、切向力学模型,并将各被动关节处由于间隙的存在而产生的力向驱动关节处进行转化,从而建立了含关节间隙的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型,最后通过实例分析了不同的关节间隙对该并联机构运动特性的影响。结果表明:含有关节间隙的柔性支链对并联机构的输出运动特性产生了重要的影响,同时该研究也为其他的含关节间隙的多体系统弹性动力学建模提供了理论基础。     

焊前装配精度对 5083 铝合金 FSW 工艺的影响

搅拌摩擦焊属于精密的加工技术,对焊前装配精度要求比较高,装配精度的高低会直接影响焊缝性能的优劣。基于这一背景,研究了装配过程中对接间隙和板厚差对铝合金搅拌摩擦焊焊缝表面成形、内部成形以及力学性能的影响。研究表明:FSW工艺对对接间隙存在1.1 mm的容限,在0~1.1 mm的对接间隙内,焊接接头与无缺陷接头的力学性能比较接近,当对接间隙高于这个值时,接头性能就会由于缺陷的出现而显著降低;FSW工艺对板材板厚差也存在一定的容限,当板厚差低于容限,所得接头的力学性能差距不大,当板厚差高于容限,焊接质量就会显著下降。     

含间隙运动副机构的动力学特性研究

为了研究间隙运动副对机构动力学特性的影响,综合考虑转动副轴向尺寸、材料非线性系数以及碰撞过程能量损耗等因素,建立了一种改进的非线性接触碰撞力模型,同时提出了一种用于描述间隙处摩擦作用的修正的库伦摩擦模型。以曲柄滑块机构为研究对象,将上述接触碰撞力模型和摩擦力模型嵌入到系统动力学模型中,进行了动力学仿真分析,研究了不同间隙、驱动载荷及摩擦系数对机构动力学特性的影响,并将仿真结果与试验测试数据进行了对比分析。结果表明：基于文中改进的非线性接触碰撞力模型、修正的库伦摩擦力模型仿真计算结果,与实验结果吻合较好,能够准确、有效地描述含间隙运动副机构的动态特性。     

不同运动副材料对间隙机构动力学特性的影响

研究不同运动副材料对间隙机构动力学特性的影响。在考虑库仑摩擦的条件下,利用非线性等效弹簧阻尼的概念建立了含间隙运动副的接触动力学模型。在此基础上,利用动力学分析软件ADAMS考查了运动副材料不同时间隙机构动力学性能的变化。分析结果表明材料不同时运动副的摩擦、刚度和阻尼等因素均能影响机构的动力学性能,因此在设计时要加以考虑以提高机构性能并减少能量损失。     

基于有限质点法的含间隙铰平面机构动力分析

间隙的存在使得铰节点的轴承和轴颈易发生碰撞,从而使带间隙机构的动力响应与理想机构不同。基于有限质点法,对含间隙铰的平面机构开展动力分析。首先给出有限质点法的质点运动控制方程和平面梁单元的内力计算公式。然后引入Lankarani-Nikravesh模型和修正库仑摩擦模型,来计算间隙铰中轴承和轴颈碰撞过程中的接触力和摩擦力。对平面四杆机构和曲柄滑块机构开展了动力分析,验证了该文方法的正确性和有效性。分析结果表明:间隙铰对机构运动的位移和速度影响不大,但使加速度有较大振荡;相比于理想铰,间隙铰的接触力峰值也有较大的增加;相比于刚性机构,柔性机构中间隙铰导致的动力响应要小;而相比于单个间隙铰,多个间隙铰将增大机构的动力效应。