基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计

设计了一种以柔性铰链为转动副的微夹持器。微夹持器采用压电陶瓷驱动，具有结构简单、加工方便、夹持范围大等优点。在设计过程中，采用有限元方法，推导了柔性铰链的刚度矩阵与一致质量矩阵，优化了微夹持器的结构尺寸。为了验证算法的正确性，根据优化后的尺寸建立了几何模型，并利用ANSYS有限元分析软件对夹持器进行了静力学和动力学分析，分析结果与计算结果吻合较好，说明了算法的正确性。     

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。     

用于微装配的二级放大微夹持器的设计与实验

微装配系统中的重要工具之一就是微夹持器,因此设计了利用压电陶瓷驱动的二级放大的微夹持器并利用Pro/E对其建模,计算了其放大倍数和节点应力,同时采用有限元方法对所设计的微夹持器进行张合量、放大倍数、应力、刚度及夹持力的分析计算,最后对微夹持器进行试制,实验测试,测试结果表明该微夹持器设计合理,基本符合要求。     

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。     

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.     

基于微制造的多晶硅薄膜型柔性铰链

将宏机械柔性铰链设计思想应用到硅微机械机构设计中,采用表面硅牺牲层工艺制作了结构层厚度为2 μm 的多晶硅薄膜型微机械柔性铰链及在线测试机构,对微米尺度柔性铰链的微机械性能进行了理论和试验研究。以直圆型多晶硅薄膜柔性铰链为例,对其转动刚度采用现有宏机械柔性铰链理论的计算值为8 N·μm／rad,试验测试结果为120N·μm／rad。宏理论计算和微机械测试结果之间的偏差较大,这表明在微尺度效应的影响下,宏机械柔性铰链理论模型不能直接用于薄膜型硅微机械柔性铰链的计算。根据试验数据对宏机械柔性铰链计算公式进行了修正,得到了描述薄膜型硅微机械柔性铰链静态特性的近似经验公式,可满足薄膜型硅微机械柔性铰链的设计与计算。     

基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

针对三级电反馈射流管电液伺服阀第三级滑阀阀芯行程较小,位移传感器较难检测的问题,提出了应用于三级电反馈射流管电液伺服阀的柔性铰链微位移放大器,利用解析法和有限元法对柔性铰链微位移放大机构进行了静力学和动力学分析,计算出了放大机构的放大倍数和输入刚度;输出位移和负载成线性关系,负载越大位移损失越大;应力分析表明此放大机构的最大应力远小于材料的最大许用应力;并通过有限元对固有频率和振型的计算,得出系统动力学参数。     

柔性铰链微位移放大机构工作性能仿真

为了获得足够的机器人工作空间 ,微动并联机器人平台之间的支链均采用了基于柔性铰链的微位移放大机构。本文对微位移放大机构设计方案进行仿真分析。确保压电执行器既不会被弹性力封锁 ,柔性铰链处的应力也不超过许用应力。根据仿真结果设计的微位移放大机构保证了微动并联机器人的工作性能。     

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。     

柔性铰链位移放大机构放大能力和负载能力分析

柔性铰链具有无间隙、无摩擦和运动灵敏度高的特点,在微型机械中常用来作为位移放大器使用.在对柔性铰链进行应力分析和位移损失分析的基础上,研究位移放大机构所允许的最大输入位移,以及负载对柔性铰链放大能力的影响,分析负载与放大倍数间的关系,建立了位移放大的数学模型.     

单轴对称柔性铰链计算机辅助设计系统

柔性铰链性能的好坏直接影响到微位移机构的精度、稳定性和耐久性.目前微位移机构正在向着高精度、微型化的方向发展,对柔性铰链的性能也提出了越来越高的要求.针对柔性铰链传统手工设计方法费时、费力、且精度不高的缺点,基于Visual Basic(VB)语言开发了一套单轴对称柔性铰链计算机辅助设计系统,圆形铰链实例计算表明:该系统实现了单轴对称柔性铰链设计与校验自动化,大大提高了设计效率和设计质量.计算得到的铰链柔度/旋转精度曲线组,不仅可用于考察符合设计要求的数据组,而且清晰地反映了铰链几何参数与其柔度、旋转精度间的关系,为下一步进行柔性铰链理论分析提供了有力的工具,为可靠、高效微位移系统的建立提供了良好的基础.     

压电精密驱动柔性微夹钳设计

为了实现对微纳尺度下物件的精密夹持,建立了柔性微夹钳系统。并对该系统柔性夹钳设计、运动学、动力学和控制方法等进行研究。首先,利用柔性铰链设计方法设计了柔性微夹钳,利用伪刚体法建立了机械的伪刚体模型。接着,以伪刚体模型法建立了系统的运动学模型,即机械放大比和输入刚度等数学模型。然后,利用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程,得出系统的自然振动频率。最后,通过ANSYS有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析和验证,此外,利用PID控制算法对微夹钳系统进行实验控制。实验结果表明:跟踪控制结果误差为2.4%;放大比为9.12倍。基本满足微纳尺度下的微夹持工作,其工作精度可达微米级别甚至纳米级别,符合设计要求。     

面向某微小型平板类零件的微装配系统研究

针对平板类微小型零件装配中出现的自动化程度低、可靠性差的问题,提出基于主机+从控制器+多种传感器的微装配控制系统;设计了吸附式微夹持器代替卡爪式微夹持器,解决了平板类微小型零件难以夹持的问题;同时设计了基于单摄像机的光学自动对位系统,以完成装配件与装配基体之间的精确对位检测.实验中所搭建的微装配系统可较好地完成平板类微小型结构件的装配.     

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

单轴柔性铰链转角刚度的计算机辅助计算

柔性铰链可以实现微小线位移和角位移,用途十分广泛.但是其转角刚度计算比较复杂.本文通过柔性铰链的受力简图推导出了单轴柔性铰链的转角刚度计算公式,并将之编制成BASIC语言程序,利用计算机就可以很轻松地计算出柔性铰链的转角刚度.     

一种高轴向刚度三轴转动柔性铰的有限元分析与模拟

文中研究了一种高轴向刚度三轴转动柔性铰.提出了采用有限元技术对该柔性铰进行弯曲刚度、扭转刚度和轴向刚度分析的原理及方法.在此基础上,对高轴向刚度三轴转动柔性铰的各向刚度进行了有限元分析计算,建立了高轴向刚度三轴转动柔性铰的各向刚度随柔性铰关键结构参数变化的二次拟合方程.研究结果表明,高轴向刚度三轴转动柔性铰不仅各向弯曲刚度相等,而且具有较高的轴向刚度,能实现三轴转动.另外,各向刚度值随关键结构参数变化的二次拟合曲线和实验曲线的最大拟合误差不超过3.50%,各向刚度随柔性铰关键结构参数变化的二次拟合方程能准确预测柔性铰的各向刚度.该研究工作为高轴向刚度三轴转动柔性铰的开发与设计提供了一种有效的方法.