平面双稳态柔性机构的设计

讨论了平面双稳态的物理含义以及平面双稳态柔性机构的主要分析理论;在实例模型分析的基础上提出了允许设计者调整稳定平衡位置的强迫式双稳态柔性机构设计思想,并结合实例对这一设计思想进行了理论分析。结果表明,这可极大地提高机构工作时的精确性、稳定性、可靠性。     

基于动力学的双稳态机构驱动特性分析

柔性双稳态机构是一种在无外部输入的情况下,可以保持两个稳定平衡位置的机构,在MEMS和机械传动领域中有广泛的应用。对柔性机构稳态的判别一般使用能量法,但能量法无法对柔性机构的驱动特性进行分析。为此提出一种基于动力学的柔性四杆机构稳态分析方法,对只含一个柔性关节的四杆机构的驱动特性进行分析,并根据驱动特性曲线对柔性机构的稳态特性进行判断。首先,建立柔性四杆机构的伪刚体模型,利用拉格朗日方程建立动力学模型,解算出主动杆件旋转360°时驱动力的变化曲线;然后,在ADAMS中建立对应的柔性四杆机构模型,将仿真结果与动力学解算结果进行对比,验证动力学模型的准确性;最后,通过一个算例将提出的动力学分析方法与传统能量法的分析结果进行对比,证明动力学分析方法的有效性,同时还可以得到机构在稳态位置与非稳态位置转换过程中驱动力的临界值,为柔性稳态机构的设计提供一种新的方法。提出的基于动力学的双稳态驱动特性,在双稳态开关、双稳态传感器中都可以被设计和应用。     

一种新型柔性直线导向机构及其运动精度分析

Roberts机构是一种近似直线机构,由于机构中不存在交叉的杆件,使得它适合应用在一体化加工的柔性机构中,从而设计出大行程高精度的柔性直线导向机构。单个Roberts机构可由四个参数完全决定几何特征,其中轨迹点P的位置参数对机构运动直线度的影响最大。文中通过对Roberts柔性机构的伪刚体模型进行分析,说明了对应某一行程,轨迹点P的位置存在最优解使其运动直线度最高,并给出一种直线度等值线图方法确定最优解的大概位置,最后借助有限元方法进行进一步的优化。单个Roberts机构只能提供点的直线运动,可将两个Roberts机构进行并联得到一个柔性导向机构。本文对这种柔性导向机构进行了设计加工、仿真以及试验,结果表明这类柔性导向机构可以在毫米级行程时,垂直运动方向上的偏移小于1um。     

基于遗传算法的2-DOF平面五杆机构的优化设计

对一种平面两自由度五杆机构进行精度分析,给出了其运动学正解的简化模型及机构参数的误差影响因子矩阵.以执行端位置误差最小为目标建立了的优化目标函数,采用遗传算法求得全局最优解.     

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。     

一般平面并联柔性机构的力逆解

一般平面并联柔性机构由三根弹簧并行地将活动平台与固定平台相联而成，其力逆解即对于给定的活动平台所作用外力外力矩，求解机构处于静力平衡时的所有构形，文中建立了该机构的力逆解方程组，并用连续法对其进行了求解，算例一般平面并随意柔性机构的力逆解最多具有７０组解。     

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。     

基于伪刚体模型法的全柔性机构位置分析

柔性机构是一种依靠构件元素的弹性变形传输所希望运动的机构。具有集中柔度的全柔性机构是其中的一种类型，其特征是机构中传统形式的铰链全部被柔性铰链所代替。对它的研究，近年来也已成为一个热点。为探索这类全柔性机构的运动学问题，首先建立起柔性铰链变形刚度模型。在此基础上，提出了一种扩展的伪刚体模型法，很好地解决了机构的位置正、反解问题。     

用冗余驱动方法进行柔性机构动力平衡的理论与试验研究

采用冗余驱动方法对柔性机构的动力平衡进行了研究。建立了具有冗余驱动的柔性连杆机构动力学模型,从理论上阐述了冗余驱动的平衡原理;给出了柔性机构最优平衡方法及其数值仿真结果;用附加冗余驱动电机的方法对一平面4R柔性连杆机构的动力平衡进行了试验研究,试验结果与理论分析吻合,充分表明了该方法的有效性和优越性。     

单曲柄双摇杆机构同步性能优化

针对在扑翼机构与可变后掠翼机构中广泛应用的单曲柄双摇杆机构两侧摇杆存在转角偏差的问题,提出利用解析法与仿真试验相结合的优化设计研究思路。将单曲柄双摇杆机构从两种特例拓展为一般性的统一模型,基于平面连杆机构基本方程建立摇杆同步性能的优化设计数学模型。通过引入摇杆转角偏差小量假设和极限位置对称性假设,利用泰勒展开公式,求解出最优设计变量的理论关系式。但该理论最优解要求摇杆长度不固定,须随时变化,工程中难以实现。在理论最优解的基础上,结合大量系统地机构仿真试验研究,进一步给出获得单曲柄双摇杆机构同步性能优化解的近似经验公式与设计曲线图,从而得到单曲柄双摇杆机构同步性能优化问题的完整解法,并通过设计实例验证了该方法的工程实用性。     

全适应性双稳态微机构及其假刚体模型

概述了双稳态微机构的定义、优点及分类。介绍了全适应性双稳态微机构的特征及其建模技术，重点分析了假刚体模型的思想及其在适应性机构设计中的应用，并对全适应性双稳态微机构假刚体模型的优化方法进行了一定的研究。     

A new type of compliant spatial four-bar (RSSR) mechanism

This paper presents a novel study on the analysis and design of a new type compliant spatial four-bar (RSSR) mechanism. To the best of our knowledge, any research on compliant spatial mechanisms which possesses out of plane motions is not available in the literature. This study introduces enumeration and novel approach for the analysis and design of such mechanisms. The analysis and design are performed with the pseudo-rigid-body model (PRBM). Since there are numerous applications of rigid spatial four bar mechanisms, it is strongly believed that a compliant version of such mechanisms may find many applications.     

具有零刚度特性的微动平台优化设计

针对传统常力机构存在的运动副间隙、装配误差和摩擦磨损等问题,设计了一种基于柔顺机构的常力微动平台。平台利用直梁正刚度和双稳态梁屈曲行为产生负刚度来实现其零刚度特性。平台由对称的直梁、双稳态梁和刚性连接块组成,直梁和双稳态梁通过连接块并联连接。采用伪刚体法和椭圆积分法相结合的建模方法,建立反映常力平台力学性能的理论模型。通过与有限元分析结果进行比较,分析结果显示所建立的模型能准确反映常力平台的力学性能。基于所建立的力学模型,提出一种提高平台常力运动范围和承载能力的优化设计方法。制作样机对该平台力学性能进行实验测试,实验结果表明,平台能在输出位移范围为[0.6~1.7]mm内能够保持约48N常力,证明了常力平台设计思路的可行性、所建模型的准确性和优化方法的有效性。     

A 3-DOF Pseudo-Rigid-Body Model for Tension-Based Compliant Bistable Mechanisms

Compliant bistable mechanisms, devices with two distinct stable equilibrium positions, are used in a variety of applications, such as switches, clasps, and valves. Many kinds of compliant bistable mechanisms were proposed and studied during the past decade. Among them, tension-based compliant bistable mechanisms, that incorporate tension pivots as their flexible members, feature in short travel distance and low power consuming. So far, the design of this kind of bistable mechanisms is done using finite element method through trial and error, thus is time-consuming. By treating the tension pivots as fixed-guided segments and their elongation as a spring, we developed a novel three degree-of-freedom (3-DOF) pseudo-rigid-body model (PRBM) for this kind of bistable mechanisms. The principle of virtual work is used to derive the force-deflection relationship of the PRBM model. The comparison between the PRBM results and the experimental results of the force-deflection characteristics shows that the PRBM can predict not only the bistable behavior of the tension-based bistable mechanisms, but also their soft spring-like post-bistable behavior and the spring-like force-deflection characteristics when pulling in the reverse direction from the as-fabricated position, which is called reverse behavior. The 3-DOF PRBM can be used to design and identify tension-based bistable mechanisms. Using the PRBM instead of the trial-and-error method can greatly reduce the development time of this kind of bistable mechanisms.     

Partially compliant spatial slider-crank (RSSP) mechanism

In this study, a novel compliant mechanism, “partially compliant spatial slider-crank (RSSP)” is proposed. All possible configurations of compliant RSSP mechanisms are classified and discussed. A method is derived to determine deflection of the multiple-axis flexural hinge for all positions of the crank. A design procedure for partially compliant RSSP mechanisms is introduced. In order to prove the feasibility of the proposed mathematical model, a real model is built and it is shown that results are consistent.     

柔顺机构几何非线性拓扑优化设计

对柔顺机构几何非线性拓扑优化设计理论进行了深入研究。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应。其次,基于固体各向同性材料插值方法,建立体积约束下,输出位移最大为目标函数的柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型,目标函数敏度分析采用伴随求解技术,并用移动近似算法进行迭代求解。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。研究结果表明,应用上述方法对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化设计能够得到合理拓扑图,并比线性分析所得机构的稳定性更高,同时也说明了对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性。     

柔顺机构的频率特性分析

以伪刚体模型为基础对平面柔顺机构的频率特性进行了详细的分析,并分别就机构截面参数、结构尺寸、材料参数对频率的影响进行了讨论;针对柔顺机构材料特点提出了新的频率特性比较指标,给出了数值算例,验证了评价指标的可靠性。     

平面七杆机构惯性力平衡分析的复矢量法

运用复矢量法[1]对平面七杆机构的惯性力平衡问题进行了分析，给出了机构实现惯性力完全平衡的条件。为减小惯性力的不良影响，合理设计机构提供了理论依据。     

基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计

采用拓扑优化方法获得柔顺机构构型容易出现类铰链结构,导致应力集中、疲劳可靠性差。为了抑制类铰链结构,提出了一种基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型（Solid isotropic material with penalization,SIMP）,以柔顺机构的互应变能最大化作为目标函数,采用P范数方法对所有单元的局部应力凝聚化成一个全局化应力约束,利用自适应约束缩放法使得P范数应力更加接近最大应力,以机构的最大应力和体积作为约束,建立柔顺机构最大应力约束拓扑优化模型,采用全局收敛移动渐近线算法求解柔顺机构最大应力约束拓扑优化问题。结果表明,采用P范数方法进行柔顺机构最大应力约束拓扑优化设计,能够有效抑制类铰链结构。随着应力约束极限值减少,获得机构构型由集中式柔顺机构逐渐转变为分布式柔顺机构,应力分布更加均匀,但机构的互应变能逐渐减小。     

整体式空间3自由度精密定位平台的优化设计与试验

根据柔顺薄板的弹性变形原理,设计一种整体式空间三自由度柔顺并联微动平台.分析该平台的输入耦合特性,对三种输入耦合形式对定位精度的影响进行讨论.基于有限元法,给出平台的刚度模型,对平台的结构尺寸进行优化设计,并通过ANSYS仿真分析验证优化结果的正确性.在此基础上进一步建立平台的位置正解和位置逆解方程,对平台的定位精度进行试验研究,提出一种基于理论分析模型的试验修正方法,该方法能有效提高平台的定位精度,研究表明该平台具有亚微米级的定位精度.