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．     

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能,在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上,对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析．建立了直角柔性铰链空间力学模型,推导了空间刚度矩阵表达式．在此基础上。从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素,研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关．研究表明,当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时,其各方面的刚度系数均有不同程度的降低．研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构,提高其综合性能具有一定的意义．     

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.     

典型柔性铰链柔度性能的计算与分析

以结构力学中卡氏第二定理为理论基础,通过引入恰当的积分变量,建立了计算一般单边柔性铰链柔度性能的统一数学模型,并用推导的解析式计算了单边直圆、单边抛物线和单边正割曲线形柔性铰链的柔度性能,利用有限元方法对柔性铰链的柔度解析式进行校验,结果表明有限元与封闭形式近似解的相对误差小于9%,通过定义柔度比函数,分析了柔性铰链结构参数对其柔度性能的影响关系,并比较了这几种柔性铰链的柔度性能,为柔性铰链的工程设计提供了理论依据。     

Failure analysis and performance comparison of Triple-LET and LET flexure hinges

A new type of flexure hinge named the Triple Lamina Emergent Torsional (Triple-LET) was proposed in this paper. Its 3D structure was designed, and its equivalent bending stiffness was also derived. Based on the equivalent formula and the finite element simulation analysis, the equivalent bending stiffness of the Triple-LET and the LET flexure hinge with the same overall dimensions were analyzed and compared. It was concluded that under the same torque, the Triple-LET flexure hinge can realize larger deformation than the LET flexure hinge. Thus, the proposed new flexure hinge is presented as a compliant joint suitable for applications where large angular rotation is desired. Failure analyses of the Triple-LET and the LET flexure hinges were also carried out, respectively. The analysis results show that the Triple-LET flexure hinge made of polypropylene can reach 180° with no plastic deformation, while the LET flexure hinge with the same overall dimensions will plastically deform once the bending angle is greater than 161.4°. The results also indicate that the range of bending angles of the Triple-LET flexure hinge made of beryllium bronze is from 0° to 128.2°, which is two times larger than that of the LET flexure hinge.     

椭圆柔性铰链的计算与分析

基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入椭圆离心角作为积分变量,直观地得到了椭圆型柔性铰链的柔度计算的积分公式。通过定义中间参数,推导出了较为简洁的解析计算公式,从而避免了费时的数值积分。分别分析了切口几何形状、尺寸以及最小厚度与铰链的柔度之间的关系。用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链。有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果吻合得很好,说明了此解析计算公式的正确性。     

正割曲线形柔性铰链的计算与分析

提出了一种新型的单轴柔性较链结构型式——正割曲线形柔性铰链。以力学卡氏第二定理为理论基础,通过引入中间参数,推导出正割曲线形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,在此基础上,分析了正割曲线形柔性铰链的应力状态。利用有限元方法对柔性铰链的柔度和转动精度公式进行校验,结果表明:有限元分析结果与闭环解析公式结果基本一致。并分析了正割曲线形柔性铰链结构参数对其柔度的影响关系,为柔性铰链的工程设计提供了重要的理论依据。     

两种典型柔性铰链导向机构的稳定性分析

为了分析两种柔性铰链导向机构的稳定性以及柔性铰链参数对导向机构稳定性的影响,本文结合卡氏位移定理和能量法,分别推导了柔性铰链导向机构在运动方向、垂直于运动方向和绕z轴转动方向的刚度计算公式,并应用推导公式对两种导向机构3个方向上刚度进行实例对比,分别计算其3个方向上的谐振频率,并根据谐振频率分析稳定性.最后改变柔性铰链的参数,用MATLAB分析其对导向机构稳定性的影响.结果表明,刚度推导公式的有限元验证和理论计算结果误差在1.10%~13.79%,证明了推导公式的正确性;同时,谐振频率的理论计算数据对比表明双平行四杆导向机构具有更好的稳定性,MATLAB分析得出铰链的切口半径r对微动平台的稳定性和承载能力影响程度最大.谐振频率的对比分析和柔性铰链参数对稳定性的影响分析为微动平台设计时导向机构的选取提供了参考.     

车削用微进给刀架设计

介绍了一种以PZT作动器为动力源,双平行弹性铰链为弹性变形元件的新型微进给刀架的设计理论及设计计算方法。以已知微进给刀架的输出位移作为前提条件,提出PZT作动器选型的理论依据和弹性铰链的有效刚度计算方法,进而进行了弹性铰链结构设计、微进给刀架系统刚度计算及刀架模态分析。利用有限元软件及实验对设计理论及设计计算方法进行了必要的验证;并作为刀架设计方法的一部分,通过实验对微进给刀架的实际性能参数进行了测量,同时测量数据验证了方法的可靠性。     

抗压内LET柔性铰链的建模及分析

针对内LET(Lamina emergent torsion)柔性铰链存在轴向刚度低这一问题,基于倒置原则提出了一种抗压内LET柔性铰链.首先,综合考虑各柔顺片段的变形特点,设计了抗压内LET柔性铰链的结构;其次,利用等效弹簧刚度模型推导了该铰链的弯曲等效刚度及抗压等效刚度,并用有限元分析实例验证了2种理论计算模型的正确性;最后,将内LET柔性铰链和抗压内LET柔性铰链弯曲变形及压缩变形的有限元仿真结果进行比较.结果表明,在外形尺寸一致的情况下抗压内LET柔性铰链的弯曲刚度是内LET柔性铰链的1.195倍,而抗压刚度却是其24.532~28.141倍.在弯曲刚度无明显变化的前提下,抗压内LET柔性铰链的抗压刚度大幅提升,该铰链的结构设计完全符合预期要求.     

柔性铰链的设计计算

推导出了一般柔性铰链的系列设计计算公式和直圆柔性铰链的系列设计计算公式。计算公式是精确的推导结果,且在表达上较为简洁,有利于柔性铰链刚度(柔度)的计算和分析。与迄今沿用的J. M. Paros的柔性铰链设计计算公式进行了计算比较,说明了设计计算公式的简洁性、准确性和全面性。尤其是对常用的直圆柔性铰链的系列设计计算公式,更突出其既精确又简单的特点。同时指出了柔性铰链设计计算中应当注意的问题。     

一种并联微动工作台柔性机构的理论设计方法

文章分析一种平面3RRR并联微动台的理论设计方法,利用微动台的运动范围、分辨力,柔性铰链的转动刚度、许用应力等设计指标,讨论了柔性机构各尺寸与这些设计指标之间的关系,在充分发挥压电陶瓷和并联机器人原理的优势上,初步完成了整个柔性机构的构建,为之后的进一步优化创造了条件.     

LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化

分析了表示LET柔性铰链转动能力的扭转等效刚度,为确保铰链的转动精度提出了拉压等效刚度的概念并推导出其计算公式。以LET柔性铰链的结构参数为设计变量,提高转动能力和转动精度为目标,建立了铰链的优化模型;采用模拟退火法实现了LET柔性铰链的参数优化,并对优化前后铰链的转动性能进行了分析比较。结果表明,优化后铰链的转动能力和转动精度比优化前都有了明显提高。     

双轴椭圆柔性铰链的设计计算

利用矩阵论、能量法、卡氏第二定理和微积分的知识推导出了双轴椭圆柔性铰链设计计算公式,并用有限元分析方法对所推导的公式进行了验证。实际应用和ANSYS软件分析的结果表明了所推导的双轴椭圆柔性铰链的柔度计算公式是正确的,是可以用于实际双轴椭圆柔性铰链的设计计算的。     

同步辐射光束线中柔性铰链的设计

为同步辐射光束线设计了一种新型的柔性铰链——直圆倒角复合柔性铰链。分析计算并通过实验验证了直圆倒角复合柔性铰链性能。与直圆柔性铰链相比,直圆倒角复合柔性铰链具有柔度大、转动精度高等优点,可在不损失精度的情况下大大提高微调机构的柔性;在要求最大转角一定的情况下,可大大降低对作动器驱动能力的需求,也使得机构内的应力大为减小。     

新型柔性铰链的柔度计算

在力或力矩作用下,柔性铰链将会产生相应的微弹性变形,其柔度性能是表征载荷与形变关系的量度,直接影响着柔性铰链的运动精度和综合性能.目前柔性铰链的设计一般基于繁琐的数值积分方法和有限元技术来计算柔性铰链的性能指标.在提出一种新型柔性铰链的基础上,基于弹性静力学基本公式和微积分理论,推导出一种新型柔性铰链的柔度计算公式,为新型柔性铰链的设计提供了理论依据;严格推导出柔性铰链中心轴线上任意位置的变形公式,实现了柔性铰链的精确设计计算.采用ANSYS软件对理论公式的准确性进行验证,两种结果十分吻合.     

新型单边复和型柔性铰链的柔度计算及其性能分析

 提出了一种新型柔性铰链——单边直圆导角复合柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了单边直圆导角复合型柔性铰链的柔度计算式．利用所得结果对实例进行柔度的理论计算,同时对其作限元分析,通过结果对比,验证了柔度计算式的正确性．同时对单边直圆导角复合柔性铰链的性能进行分析,分析了结构参数对其柔度性能的影响,通过与双边直圆导角复合柔性铰链比较,得出了单边直圆导角复合柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于双边直圆导角复合柔性铰链,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了新的思路．     

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。     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

一类桥式直接耦合柔性机构的刚度与应力分析

分析了一类桥式直接耦合柔性机构的精确的刚度和应力模型.分别采用伪刚体模型和卡氏第二定理推导了该柔性机构理论刚度模型,利用两个理论模型与有限元模型的结果进行对比,并采用正交实验法全面分析了柔性铰链的寄生刚度和旋转刚度的精度对其刚度性能的影响.研究结果表明：该柔性机构的寄生刚度影响较小,误差贡献率小于3%;旋转刚度的精度影响较大,通过选择精确的旋转刚度公式可以得到精确的理论刚度模型,同有限元结果相比其误差在t/r〈0.65范围内小于8%;与设计实验及其对应的有限元结果的误差分别为4%和3.96%,验证了刚度模型的正确性.基于刚度模型推导了该柔性机构的应力模型,运用正交实验法与有限元结果进行对比,误差小于4%,验证了应力模型的正确性.