直圆抛物线复合铰链柔度研究

提出了一种新型柔性铰链:双边直圆抛物线复合铰链,建立了其理论结构模型,利用卡氏第二定理及微积分理论对铰链的主要性能指标柔度和转动精度进行计算,并取实际参数对柔度及转动精度进行了理论计算及有限元分析,同时对影响铰链性能的结构参数进行研究,结果表明:铰链柔度及转动精度的理论值与有限元分析值相比较,一致性大于92%,且铰链柔度随最小切割厚度t的变化最大。作为一种新型铰链与其他柔性铰链进行了对比,直圆抛物线铰链融合了直圆铰链与抛物线铰链的优点,当cL/2时,铰链具有较强的转动性能及较弱的载荷敏感性,且热适应能力更强。所设计的直圆抛物线铰链为包括空间环境使用的支撑结构柔节的设计提供了指导。     

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。     

切向双脚架-运动学支撑结构的柔度研究

为了实现高精度的运动学支撑结构的设计,研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式,推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法,对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明:解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致,且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响,得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比,与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。     

单边抛物线形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边抛物线形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边抛物线形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元的方法对柔性铰链的解析公式进行校验,结果表明:有限元方法与闭环解析式的结果基本一致.并对单边抛物线形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过对双边抛物线形柔性铰链比较,分析了单边抛物线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考.     

快速反射镜椭圆弧柔性铰链多目标优化设计

在快速反射镜柔性铰链优化设计中,为保障反射镜精度和稳定性,应尽量提高柔性铰链工作轴转动柔度和非工作轴转动刚度。以某快速反射镜的椭圆弧柔性铰链为研究对象,首先利用最小二乘法和积分思想推导了三个转动轴的转动柔度公式,与有限元法对比,二者最大相对误差小于6.8%,解决了矩形截面扭转柔度积分过于复杂的问题;其次基于改进的非支配排序遗传算法（NSGA-II）对三个转动轴进行了多目标优化设计,达到设计指标,所得最优解和求解效率较传统算法有了明显提高,其中Pareto解求解效率较多岛遗传算法(MIGA)提高了14.3%,较粒子群算法(PSO)提高了25%;最后对NSGA-II算法所得最优解进行了有限元验证,结果表明二者最大相对误差小于6.5%,吻合较好。     

大口径透镜混合柔性支撑结构优化设计

针对大口径透镜,提出了一种新型混合柔性支撑结构,能够使透镜同时满足面形精度及位置精度要求。首先利用卡氏第二定理对各柔性铰链进行分析,建立支撑组件整体柔度模型。然后以柔性支撑组件的总变形能为目标函数,以位置精度及实际使用空间要求为约束,建立结构优化设计模型。之后确定径向柔性支撑结构对组件整体柔度的敏感度最大并对其刚度进行验证。最后对优化后的透镜组件整体结构进行有限元分析,同时利用曲面拟合方法计算镜面面形精度。仿真结果表明,在该新型混合柔性支撑结构的作用下,透镜在各要求工况下的面形精度均优于λ/20 (λ=632.8 nm)。所设计的新型混合柔性支撑结构及其理论分析过程可为高精度大口径透镜的支撑技术提供参考。     

大功率圆波导旋转铰链的设计与仿真研究

着重对圆波导旋转铰链的主要尺寸(圆波导半径R、圆波导腔体长度L、模式变换块厚度和高度以及圆波导铰链输入口径)进行了理论设计和分析,给出了工程经验设计公式,并借助于微波电磁场仿真软件HFSS,对Ku、X波段两种圆波导旋转铰链进行了仿真设计,理论上拓宽了圆波导旋转铰链的工作带宽。结果和目前该两种圆波导旋转铰链产品实测性能比较吻合。     

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

柔性轴在卫星光通信中的使用与优化设计

针对卫星光通信粗跟踪系统中机械轴存在空回、轴系摩擦、轴间隙的不足的问题,提出采用柔性轴支撑光端机的方案。首先介绍了采用柔性轴卫星光通信的原理;然后分析了柔铰工作方向的柔度、最小切割处应力特性;从关键点挠度出发推导了回转误差角表达式,并分析了回转误差角对捕获性能的影响;在柔性轴特性研究的基础上,采用遗传算法对柔性铰链进行了优化设计。设计结果为:柔性铰链工作方向柔度0.768 rad/Nm,最小切割处应力1.768e+8 Pa,回转误差角343 rad;最后采用有限元法对设计结果进行了验证,三项指标的相对误差均小于3.5%,证明设计是可靠的。研究内容可为采用柔性轴的卫星光通信系统设计提供一定参考。     

微柔性铰链转动能力和精度特性研究

对柔性铰链的转动能力和精度特性等方面进行了理论分析和研究,给出了柔性铰链的柔度矩阵和精度特性矩阵的计算公式,得到表示柔性铰链转动能力的变形量方程和表示精度特性的位移方程。用VC++实现了相应的参数化程序。提出了铰链内各柔度间的比值概念,为定量地比较柔性铰链的性能提供了依据。并给出了两种MEMS柔性铰链的分析实例。     

蜂巢柔性导向结构设计及分析

柔性铰链导向机构作为压电驱动器基本导向及保护单元,被广泛应用于各类复杂柔性机构中,然而现行导向机构仍存在许多不足。该文设计了一种基于蜂巢柔性铰链的对称结构用于压电驱动器运动导向,采用有限元法详细分析了其动静态运动特性。着重研究了机构性能对关键结构参数的依赖规律,给出了相应经验设计公式以用于指导其参数最优设计。所设计的蜂巢柔性导向机构具有机构紧凑,易于实现大行程导向,反应速率快等优点,具有重要的工程实用价值。     

高精度反射镜组件面形检测结构设计方法

在反射镜组件进行检测装配时,各零件加工过程中形成尺寸公差、形状位置公差会产生装配应力。装配应力通过反射镜体传到反射镜镜面使反射镜面形变差。针对该问题文中提出将柔性铰链应用于反射镜组件检测工装设计的方法。为验证该方法的可行性,针对某反射镜组件的特征参数和检测方法,应用柔性铰链设计理论及仿真分析软件设计了反射镜组件检测柔性工装。完成对反射镜组件重复性试验、拧紧力矩敏感性试验,试验结果表明柔性工装具有较好的稳定性。反射镜组件面形与反射镜单镜面形相比变化0.006 rms,满足工装设计要求。与刚性工装比,柔性铰链应用反射镜检测工装显著降低了装配应力对反射镜面形的影响。     

杠杆放大式双足压电直线电机的建模及优化设计

杠杆放大机构设计对于杠杆放大式双足压电直线电机的性能起决定性作用。该文分析了杠杆放大式双足压电电机的作动机理,建立了基于柔性铰链的杠杆放大机构的动力学模型,对机构放大率进行了理论计算,纵向、横向理论放大率分别为3.12和1.98。利用有限元软件进行仿真分析,理论计算与有限元仿真误差分别为3.1%、14.6%。在此基础上,利用遗传算法对杠杆放大机构柔性铰链结构参数进行优化设计,优化后驱动足纵向、横向位移分别提高了17.6%、8.1%。     

空间反射镜背部双脚架柔性支撑结构设计

为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求,采用有限元分析方法,以超低膨胀系数玻璃空间反射镜（?355mm）为支撑对象,设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。首先研究了双脚架支撑的基本设计原则,从自由度角度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计,提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量,与粘接位置分别设计。结果表明,优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好,能够有效卸载温度变化引入的附加载荷,同时具有较好的支撑效果和动态刚度;反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68nm,组件的1阶频率达到123.41Hz,满足设计要求。该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。     

压电驱动三支链六自由度微动机器人机构设计

为简化6支链并联微动机器人结构、减小其装配误差,提出了压电陶瓷驱动的3支链6自由度并联微动机器人结构。采用整体式下平台和3条两端带有柔性球铰链和单轴直圆柔性铰链的支杆,使结构紧凑并有利于提高精度。在分析逆解的基础上,根据工作空间要求设计了整体尺寸。根据柔性铰链选取原则,对直角平板和支杆处柔性铰链进行尺寸选择,采用有限元分析对整体刚度进行分析和安全校验。样机测试结果表明了设计的可行性。     

二自由度快速控制反射镜系统固有频率优化设计

在二自由度快速控制反射镜系统设计中,为提高系统的控制带宽,应尽量降低工作方向上的低阶固有频率,提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象,首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析,并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题,重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式;其次,利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导,并进行了非线性拟合化简,得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%,证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性;然后,将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式,并进行有限元验证,结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%,证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法,对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计,到达设计要求,所求出的优化结构较初始结构有明显优化,工作方向刚度减小19.04%,非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证,结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%,三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高,能有效提高系统控制带宽。