直角切口柔性平行四杆机构的输出位移分析

柔性铰链是目前被广泛用于微动机器人的主要部件之一.为了深入分析精密传动用柔性平行四杆机构的位移性能,利用材料力学弯曲变形理论的挠曲线近似微分方程,建立了计算直角切口柔性平行四杆机构输出位移的数学模型.设计了一个简单的柔性平行四杆机构模型,采用MATLAB 7.0软件对其进行理论计算,并利用商用软件ANSYS 10.0进行有限元分析.采用线切割的方法加工了一个样件,并进行了相关实验.最终结果表明：数学模型的理论值与有限元仿真值很接近,但与实际样件的实验值有一定的误差.通过误差分析,证实了存在这种误差的合理性,从而验证了所建数学模型具有较高的参考价值,可以作为柔性铰链平行四杆机构行程优化设计的指导理论.     

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.     

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．     

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.     

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.     

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。     

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.     

直角柔性铰链单平行四杆机构输出位移分析

为了分析直角柔性铰链单平行四杆机构在导向过程中的导向位移及耦合位移,根据其结构的对称性,在对支撑结构进行受力分析和变形分析的基础上建立了单个支撑的半段梁模型,采用椭圆积分法推导了导向梁在大载荷下导向位移及耦合位移计算公式,最后采用有限元方法和实验对理论模型进行验证,并分析了造成理论值、仿真值和实验值之间出现误差的原因.研究结果表明,在柔性梁的弹性范围内,力与导向位移近似成线性关系,与耦合位移成类指数关系,理论值和实验值之间的最大误差分别为5.1%和8.5%;理论、仿真和实验所得的导向位移-耦合位移曲线基本重合.     

单边直圆柔性铰链转动刚度的精确计算公式

柔性铰链无摩擦、无回退空程,在众多领域得到应用.单边直圆柔性铰链在要求结构尽可能紧凑的柔性铰链机构中被采纳.通过力学的分析和微积分的推导,得到了单边直圆柔性铰链转动柔度(刚度)的解析计算公式.验证了解析计算公式的准确性,并分析了现有公式的不足.给出的解析计算公式既简洁又精确,有利于单边直圆柔性铰链及其机构的计算、分析和优化.     

新型微纳测头刚度模型及变刚度特性分析

微纳测头是精密测量机的关键部件,其刚度特性直接影响坐标测量机的整体性能。基于压杆失稳原理,构造一种具有变刚度特性的新型微纳测头。利用压电装置驱动柔性机构变形以改变柔性支撑梁的轴向受力和横向刚度,从而改变约束支撑机构的整体刚度。综合考虑测头的刚度特性、结构稳定性和解耦性等因素,构造出基于十字交叉型悬臂梁支撑的变刚度微纳测头。利用最小势能原理构建微纳测头约束支撑机构的刚度模型,基于模型获得所需压电驱动力大小。通过有限元仿真得到测头刚度随压电驱动力变化的曲线。对比刚度理论计算值与仿真值,分别得到微纳测头约束支撑机构的轴向刚度及横向刚度的平均相对误差。仿真结果表明,建立的刚度理论模型具有较高的准确性。研究结果为该新型微纳测头的变刚度控制奠定了理论基础。     

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。     

基于刚架结构局部失稳原理的爆高计算

通过对拆除爆破中钢筋混凝土框架失稳过程的探讨,在分析立柱爆破后框架结构的内力特点后,提出了刚架局部失稳几个基本假定。采用极限载荷的分析方法,推导出结构适筋梁和少筋梁的极限弯矩计算公式。最后应用刚体系统虚位移原理推导出了刚架极限平衡状态下的临界压力,然后将该临界压力代入欧拉杆模型或阶梯压杆模型得到刚架局部失稳的最小爆高。该方法是基于几个基本假定和近似计算的一种工程实用方法,计算实例表明其具有较好的计算精度,可为工程爆破拆除设计和框架结构局部失稳现象的研究提供参考。     

窗下墙对自保温暗骨架承重墙抗震性能的影响研究

采用低周往复荷载试验研究窗下墙对自保温暗骨架承重墙抗震性能的影响,结果表明:窗下墙对自保温暗骨架承重墙的滞回曲线、骨架曲线、刚度及其退化、耗能能力等均存在显著影响;试验墙体失效破坏全过程均呈“共同工作、转化过渡和弱框架工作”三阶段特征,恰与我国抗震设防目标相对应;均系延性破坏,对应延性系数分别为3.034、3.545。理论方面:基于等效弹性板模型,分别根据最大拉应力理论和双剪统一强度理论建立了墙体开裂荷载的计算方法;基于抗剪抵抗机构思想提出刚架斜压杆模型,并利用等效刚度法明晰了斜压杆宽度的确定方法,建立了墙体极限荷载计算方法;与实测值的对比表明,所建立的计算方法精度较高。最后,以建立的理论方法为基础,定量评价了窗下墙对墙体抗震承载力的直接和间接作用。研究结果可为带门窗洞口的自保温暗骨架承重墙抗震承载力计算提供方法。     

多约束条件下采煤机摇臂横向振动分析及试验验证

摇臂是采煤机的关键执行部件,起调节滚筒截割煤岩高度的作用,其在复杂工况环境下会产生强烈的振动。为了研究采煤机摇臂的横向振动特性,首先,对采煤机摇臂及其连接件进行理论建模,建模时将摇臂简化成梁模型、滚筒简化成集中质量块、小摇臂简化成刚性杆以及调高油缸简化成弹簧阻尼系统;然后,根据欧拉-伯努利梁理论构建采煤机摇臂横向振动微分方程,并基于等效替换原则构建其约束方程;接着,利用谐波函数法对采煤机摇臂的横向振动微分方程进行求解,得到其各阶模态的固有频率解析式;最后,利用采煤机模型进行摇臂模态试验,并与理论计算结果进行对比验证。结果表明：基于理论模型计算得到的摇臂前6阶模态的固有频率为1 129,7 036,7 118,17 756,19 800和30 100 Hz,通过试验测得的摇臂前6阶模态的固有频率为1 078,6 268,6 310,15 886,18 938和27 714 Hz;计算值相对于试验值的误差分别为4.73%,12.25%,12.81%,11.77%,4.55%和8.61%,均小于15%,在合理误差范围内。研究结果表明,所建立的采煤机摇臂横向振动模型具有一定准确性和实用性,可为采煤机摇臂的结构优化提供理论支撑。     

大型空间柔性桁架结构等效建模与动力学分析

大型空间柔性桁架结构具有周期性、大柔度、构型复杂等特点,其等效建模是进行振动控制器设计的关键性技术之一。基于能量等效原理和经典Timoshenko梁理论,对刚性连接的大型空间柔性正三棱柱桁架结构进行了等效建模与动力学分析,采用Taylor展开方法推导了等效梁模型的刚度和质量表达式,对比分析桁架结构与等效梁模型的固有振动特性,二者吻合较好。数值结果表明了等效方法的有效性且等效梁模型具有较高的精度。     

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.     

多臂机提综臂辅助旋铆并联机器人优化设计

提综臂是多臂机上实现凸轮开口运动的关键核心部件.为满足多臂机提综臂的自动化加工需求,设计了一种新型辅助旋铆并联机器人,以实现在提综臂旋铆加工过程中对零部件的高速、高精度抓取和摆放,显著提升生产效率和保证加工质量.首先,介绍了新型辅助旋铆并联机器人机构的拓扑结构特征,并结合旋量理论及修正的G-K(Grübler-Kutz...     

攀达穹顶体系的运动过程分析

可变体系的展开过程既包含了机构运动又包含了弹性变形。该文采用了以自然坐标描述的多体系统动力学的有限元方法,根据最小应变能原理与拉格朗日乘子法给出了多体系统运动学基本方程的建立方法,并基于Hamilton原理给出了考虑机构运动与弹性变形的动力学方程。通过对简化的攀达穹顶模型展开过程的数值模拟,验证了理论方法的可行性,表明了结构构形与受力状况在体系展开过程中产生较大的变化。算例结果表明:攀达穹顶体系的展开程度与体系设计相关,“过度”的展开会使结构处于不利的受力状态。