椭圆导角混合柔性铰链的设计计算与性能分析

为满足柔顺机构的大柔度要求,设计了一类新型椭圆导角混合柔性铰链。首先,以卡氏第二定理为基础推导了柔度和回转精度的计算公式,在参数的极限条件下,椭圆导角结构演化出其他三种铰链形式：直圆导角、椭圆直圆和直圆柔性铰链,使得多种柔性铰链的柔度和回转精度的计算公式合并在一组方程中,通过有限元分析验证了计算公式的正确性。其次,讨论了结构参数对柔度、回转精度和柔度精度比的影响趋势,分析结果表明,柔度与回转精度随参数的变化趋势具有相反性,且减小最小厚度是提高柔度的最佳方式。再次,比较了所提四种柔性铰链的性能,椭圆导角混合柔性铰链具有最大的柔度但回转精度较低,而直圆柔性铰链具有较高的回转精度且综合性能也较优越,但柔度最小。最后,对椭圆导角和直圆柔性铰链进行了应用研究,研究结果表明,椭圆导角混合柔性铰链在回转能力和应力水平方面具有显著优势。     

混合型柔性铰链研究

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式--混合柔性铰链,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.提出了柔度应力比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链提供了依据.通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的混合铰链设计实例,并得到其柔度应力比值.结果表明该混合柔性铰链的性能远高于直圆柔性铰链.设计的混合柔性铰链为面向高精度、大位移的工程应用提供了有价值的参考.     

变截面柔性铰链组合柔度计算法及其验证

柔性铰链是一种最基本的柔性结构,柔度是柔性铰链最重要的性能参数。充分利用柔性铰链的结构特征,提出组合柔度计算法。针对直圆型、导角型、椭圆型3种基本类型柔性铰链的结构特征进行分析,选择半个柔性铰链为研究对象,合理设置积分变量,得到半个柔性铰链的柔度计算式。利用半个不同类型柔性铰链进行组合,可得到单边、双边、单一型、复合型12种柔性铰链的组合柔度计算式。选择双边直圆柔性铰链、双边直圆椭圆复合型柔性铰链、单边直圆导角复合型柔性铰链,分别采用文中给出的组合柔度计算方法、其他文献中的柔度计算式以及有限元法对其柔度进行分析计算,并对结果进行对比分析,验证文中给出的组合柔度计算方法的正确性与有效性。     

新型直圆导角复合型多轴柔性铰链的柔度计算及其性能分析

设计出一种新型多轴柔性铰链--直圆导角复合型多轴柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了柔度计算式。利用所得结果进行实例计算,并进行有限元分析,通过结果对比验证了计算式的正确性。定义了铰链的厚长比λ,分析了柔度相对误差与λ之间的关系。利用所得柔度计算式,分析了铰链结构参数对其柔度的影响。通过与直圆型多轴柔性铰链的对比,得出直圆导角复合型多轴柔性铰链的转动能力与对载荷的敏感性均优于前者的结论。     

直圆椭圆复合型柔性铰链研究

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式——直圆椭圆复合柔性铰链,它由半个直圆柔性铰链和半个椭圆柔性铰链构成。给出了直圆椭圆复合柔性铰链的柔度设计计算公式,并通过有限元方法验证了此公式的正确性。分析计算了一组不同椭圆短半轴的复合铰链实例,结果表明直圆椭圆复合柔性铰链的性能高于直圆柔性铰链。设计的直圆椭圆复合柔性铰链非常适合于需要大位移、高精度传动的应用场合。     

柔性铰链精度特性研究

推导出了单轴柔性铰链的精度计算公式,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.提出了柔度精度比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链的特性提供了依据.用解析表达式计算了一组椭圆柔性铰链实例的精度和柔度,得到它们的柔度精度比,并比较了它们的性能优劣.结果表明直圆柔性铰链具有最佳的性能,可为柔性铰链的工程优化设计提供参考.     

新型直圆柔性铰链的设计与分析

为了得到柔度更大以及回转精度更高的柔性铰链,设计了一种新型直圆柔性铰链。对两种铰链的柔度、精度以及疲劳寿命进行了比较分析。结果表明,新型直圆柔性铰链较传统直圆柔性铰链的柔度更大,回转精度更高。传统直圆柔性铰链的寿命可以认为是无限寿命,新型柔性铰链的寿命也接近无限寿命。因此,相对于传统直圆柔性铰链,新型柔性铰链具有更优的性能,符合铰链的设计要求。     

基于有限元法的单边混合柔性铰链的性能分析

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式-单边混合柔陛铰链,由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的单边混合铰链设计实例,结果表明单边该混合柔性铰链相对于一般混和柔性铰链与单边柔性铰链具有更高的柔度.并得到其柔度应力比,可用于定量地比较各种柔性铰链的性能差异.提出的单边混合柔性铰链为面向结构紧凑、大位移、高精度的工程应用提供了有价值的参考.     

4种柔性铰链的温度效应比较分析

为了减小温度效应对柔顺机构的影响,比较分析直梁、直圆、椭圆和抛物线型4种典型柔性铰链的温度效应,以便合理选取柔性铰链设计柔顺机构。将柔性铰链划分为2个变截面梁单元,计入温度变化产生的初应变,采用最小势能原理推导出4种柔性铰链的热载荷向量和刚度矩阵,采用拉格郎日方程得出其质量矩阵,得出铰链的力学模型。基于柔性铰链的有限元模型,并以柔顺四杆机构为算例,分别对基于4种柔性铰链的柔顺机构的精度、热应力和热振动进行比较分析,分析结果表明:直圆型铰链的热误差最大,抛物线型次之,椭圆型和直梁型最小;所受热应力由大到小的顺序为直圆、椭圆、抛物线和直梁型铰链;直梁型柔性铰链的热振动谐振频率最小,直圆型和椭圆型次之,抛物线型最大,说明直梁型柔性铰链更容易受动态温度变化影响,但抛物线型在谐振频率处的幅值最大,抛物线型铰链热振动更大。     

基于挠曲线方程的柔性铰链转动柔度公式推导

利用材料力学和微积分的理论推导出了常用直圆柔性铰链转动柔度的计算公式,与至今一直沿用由J.M.PAROS给出的精确柔度计算公式相比,更简洁准确,更有利于直圆柔性铰链的设计和分析。并分析了直圆柔性铰链的结构参数对其柔度的影响,为直圆柔性铰链在压电微位移放大中的应用提供了一定的理论基础。     

柔性铰链转动刚度计算公式的推导

柔性铰链作为无摩擦的支点有着成千上万的应用，以力学的基本公式和微积分为基础，给出了一般柔性铰链转动刚度计算公式的推导过程。在此基础上，得出了常用的直圆柔性铰链的设计计算公式，计算公式是精确的推导结果，且在表达上较迄今沿用的Paros给出的柔性铰链精确设计计算公式来得简洁，有利于柔性铰链及其机构的计算和分析。当直圆柔性铰链的切割半径与最小厚度相当时，Paros给出的简化公式存在一定的误差，这里的计算公式尤其适用于该类直圆柔性铰链。     

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。     

A generalized analytical compliance model for transversely symmetric three-segment flexure hinges

This paper presents a generalized compliance model for a three-segment notch flexure hinge with transverse symmetry. This flexure hinge configuration is most frequently employed in planar-motion, small-displacement compliant mechanisms. The axial and bending compliances are derived for this flexure hinge based on the compliances of two flexure components. The derivation is generalized such that it can be applied to various segment geometries. Using this open-ended model, a three-segment right elliptical corner-filleted flexure hinge design was analyzed. This geometric configuration introduces additional geometric parameters, which can be used to optimize the compliance of the flexure hinge without modifying its gross dimensions. The results of the analysis were validated in part by modifying the geometric parameters of the center segment and elliptical corner fillets to form limiting cases corresponding to several previously investigated configurations, namely right elliptical, three-segment right circular corner-filleted, and right circular geometries. Finite element analysis simulation and experimental testing were used to further validate the three-segment right elliptical corner-filleted analytical model. Additional simulations based on the analytical model were performed to highlight the influence of geometric parameters on compliances and to investigate shear effects for short flexure hinges.     

柔性铰链的计算和分析

针对常用的直圆柔性铰链进行力学分析,与迄令一直沿用由J.M.PAROS给出的柔性铰链绕z轴的转动刚度(柔度)计算公式相比,提出了更为简洁、精确的转动刚度计算公式,使其有利于柔性铰链的设计和分析。对直圆柔性铰链所能承受的最大力矩和最大角位移进行了分析,给出了它们在不考虑应力集中影响下的计算公式。讨论了直圆柔性铰链各个参数对其性能的影响。为柔性铰链在精密定位系统中的应用提供了一定的理论基础。     

Design and analysis of a multi-notched flexure hinge for compliant mechanisms

This article presents a new multi-notched flexure hinge, which consists of two right circular and two parabolic notches, for positioning stages based on compliant mechanisms. First, the configuration of the presented multi-notched hinge is obtained using topology optimization, and the final shape is proposed based on post-processing. Second, the dimensionless empirical equations for the stiffness, rotational precision and stress levels of the flexure hinges are developed using finite element analysis (FEA). Third, based on the established equations, the influences of the geometric parameters on the performance of the flexure hinge are investigated. Finally, to further understand the characteristics of this type of flexure hinge, comparisons with flexure hinges of various shapes are performed in terms of stiffness, rotational precision and stress levels.     

圆弧柔性铰链的优化设计

柔性铰链是高精度柔性机构的关键部件,其运动精度与运动范围影响着柔性机构的性能,本文对圆弧柔性铰链进行了柔度矩阵推导,并依据柔度方程进行优化设计。采用结构矩阵法建立了圆弧柔性铰链的柔度方程,对矩形截面的翘曲抗扭刚度进行推导,得到了约束扭转状态下的扭转柔度近似方程。为相对长度较小铰链的扭转刚度精确求解提供了依据。对比理论计算结果与有限元分析结果,结果显示扭转柔度的最大相对误差在10%左右,其余方向柔度相对误差低于6%,验证了柔度方程的准确性。采用正交试验直观分析法得到柔性铰链各设计参数对转动刚度的灵敏度,并利用多目标遗传算法对柔性铰链的转动柔度以及轴向刚度两个目标进行了参数优化。通过优化结果与设计经验选取参数的对比,发现优化后圆弧柔性铰链的弯曲柔度提升了5.12%,同时铰链的轴向刚度提升了4.72%,证明针对圆弧柔性铰链的优化设计具有明显效果。