柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。     

考虑不确定性的柔性机构拓扑优化设计

柔性机构在制造和运行过程中会存在各种不确定因素。基于多椭球凸模型描述,考虑荷载及材料属性的不确定性,采用人工弹簧方法和几何非线性有限元分析手段,提出以输出端位移最大化为目标、具有最小输入端性能约束的柔性机构拓扑优化数学模型。采用伴随法给出设计变量灵敏度计算公式,提出数值计算不稳定性的简易处理方法,利用数学规划法实现优化问题的求解。反向器机构和微夹钳机构的设计算例验证了所提出优化模型的正确性及算法的有效性,并通过与确定性设计结果的比较,说明了在柔性机构拓扑设计阶段考虑不确定性的重要意义。     

柔顺机构几何非线性多目标拓扑优化设计

给出一种柔顺机构几何非线性多目标拓扑优化设计的新方法.首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-La-grange描述方法和Newton- Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应.其次,建立适合求解几何非线性的多目标拓扑优化数学模型,目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求,提出用标准化方法建立多目标函数,利用决定函数得到最优妥协解.目标函数敏度分析采用伴随求解技术,拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,并用移动近似算法进行迭代求解.最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性.研究结果表明,运用该柔顺机构几何非线性多目标拓扑优化方法能够在刚度和柔度之间找到最优妥协解,不但提高机构柔度,而且提高机构刚度,同时也说明对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性.     

基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计

为了提高计算效率,提出一种基于等几何分析(Isogeometricanalysis, IGA)的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用NURBS曲线表达几何模型和分析模型,利用改进的固体各向同性材料惩罚法和密度分布函数描述材料分布,采用顺序耦合方法进行电-热-结构多物理场耦合有限元分析,以电热驱动柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,以机构的体积为约束,建立基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化数学模型,利用移动渐近线算法求解拓扑优化问题。数值算例验证了提出的设计方法的有效性。与基于有限元分析的优化结果相比,基于等几何分析获得的电热驱动柔顺机构拓扑构型有所不同,边界更加光滑,机构的输出位移更大;并且等几何分析能够有效地减少迭代步数,显著地提高了计算效率。分析不同的输出刚度对电热驱动柔顺机构拓扑构型和机构性能的影响规律。     

柔顺机构几何非线性拓扑优化设计

对柔顺机构几何非线性拓扑优化设计理论进行了深入研究。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应。其次,基于固体各向同性材料插值方法,建立体积约束下,输出位移最大为目标函数的柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型,目标函数敏度分析采用伴随求解技术,并用移动近似算法进行迭代求解。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。研究结果表明,应用上述方法对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化设计能够得到合理拓扑图,并比线性分析所得机构的稳定性更高,同时也说明了对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性。     

内循环滚珠丝杠副反向器优化设计与仿真

针对内循环滚珠丝杠副中滚珠与反向器之间碰撞和摩擦易导致反向器失效的问题,以减小滚珠与反向器之间接触碰撞力和摩擦力矩为目标,正弦曲线和五次抛物曲线叠加权重比系数为设计变量,对现有反向器回珠曲线进行优化计算。在获得最优回珠曲线后,建立三维模型并进行多体动力学仿真分析。仿真结果表明:优化后的反向器回珠曲线有效的降低了滚珠与反向器之间的碰撞力和摩擦力矩,滚珠运行更加流畅,滚珠丝杠副的动态性能得到明显改善。     

基于等几何拓扑优化的柔性机构设计

等几何分析能够将几何建模的基函数与结构数值分析的形函数统一,从而得到高精度的结构数值分析结果。面向柔性机构,提出了一种基于等几何拓扑优化的柔性机构设计方法：通过NURBS基函数和Shepard函数构造增强密度分布函数,该函数的高阶连续性可确保优化结构边界的光滑清晰;然后根据密度分布函数建立柔性机构的等几何拓扑优化模型;最后,将该方法应用于柔性机构设计。通过算例结果可知,等几何拓扑优化方法特有的计算原理可提高数值计算的精度和效率,能有效避免由网格依赖、棋盘格现象等产生的边界问题,确保了优化结构均具有较好的光滑性和连续性,验证了提出的方法能有效避免柔性机构的铰链现象。     

多相材料机翼前缘柔性机构拓扑优化设计

为了实现机翼前缘连续变形及结构轻量化,利用多相材料进行了柔性机翼前缘结构的设计。在轮换主动相变量算法的基础上,以选定前缘初始曲线上9个坐标点的实际位移和目标位移的偏差为目标函数,各相材料的体积分数作为约束,建立多相材料柔性机构拓扑优化模型,采用OC优化准则法进行求解。编写MATLAB程序,计算得到了清晰的两相实体材料前缘结构优化结果。利用CATIA软件对优化结果进行几何模型重构,并将重构后的模型导入HyperWorks软件进行仿真分析,结果表明多相材料机翼前缘柔性机构能够实现最大9.1°的连续偏转。     

并联机构敏感性分析和多目标优化设计方法

为了解决并联机构全局性能指标高计算成本引起的敏感性分析和多目标优化设计困难,提出了一种结合多项式响应面模型、基于方差的敏感性分析方法和智能优化算法的高效计算方法。首先,确定并联机构的目标函数和设计参数,增加节点密度以提高目标函数的计算精度,基于拉丁超立方体抽样方法和最小二乘多项式拟合技术建立全局目标函数与设计参数之间的响应面解析映射模型,并结合基于方差的Sobol’敏感性分析方法得到对目标函数有重要影响的设计参数。然后,结合敏感性分析结果简化设计参数并建立并联机构的多目标优化设计模型,包括目标函数、约束函数和设计参数,结合响应面模型与智能优化算法开展并联机构多目标优化设计。最后,考虑规则工作空间体积、运动学性能和动力学性能指标为目标函数,以DELTA并联机构为例实现了本文提出的方法。优化前后的结果对比证明了算法的有效性。     

面向柔顺机构输出微位移的田口方法优化设计

针对微位移放大特性难以实现的工程问题,将田口方法融合到柔顺机构微位移结构优化过程中,使微位移实现最大化的目标。筛选出柔顺机构输出位移的相关参数,对各参数进行分析得到输出微位移函数表达式,设计正交试验表,利用函数关系将各组合参数对应的输出微位移列于表中,通过信噪比分析和容差设计确定最优参数组合。结果表明,柔性铰链的宽度、柔性梁的长度、刚性梁的长度和机构的厚度对输出位移影响程度逐渐减小。优化结果表明输出微位移提高了390.56μm。     

Analysis of parasitic motion in parallelogram compliant mechanism

In this paper, an analytical method for parasitic rotation and displacement calculations of parallelogram compliant mechanisms is formulated. Mathematical model is proposed for the geometrical parametric study of parasitic motion, through which the approach to reduce parasitic motion is obtained. The formulations for calculating the locations of the points on end-effectors with no theoretical parasitic displacement are presented. The analytical model predictions are confirmed by the finite element analysis. Theoretical basis is built for improving the output precision of parallelogram compliant mechanisms.     

机构位移分析方法的比较研究

以六杆机构为研究对象，推导了机构多位移矩阵迭代求解和单一位移迭代求解的理论方程，并用上述两种方法对六杆机构进行了位移比较分析，证实单一位移迭代求解方法的迭代初值选取比较简便，求解过程不用求导，一旦确定单一位移值后，可对其他位移进行精确求解，累积误差小。     

一种新型柔性直线导向机构及其运动精度分析

Roberts机构是一种近似直线机构,由于机构中不存在交叉的杆件,使得它适合应用在一体化加工的柔性机构中,从而设计出大行程高精度的柔性直线导向机构。单个Roberts机构可由四个参数完全决定几何特征,其中轨迹点P的位置参数对机构运动直线度的影响最大。文中通过对Roberts柔性机构的伪刚体模型进行分析,说明了对应某一行程,轨迹点P的位置存在最优解使其运动直线度最高,并给出一种直线度等值线图方法确定最优解的大概位置,最后借助有限元方法进行进一步的优化。单个Roberts机构只能提供点的直线运动,可将两个Roberts机构进行并联得到一个柔性导向机构。本文对这种柔性导向机构进行了设计加工、仿真以及试验,结果表明这类柔性导向机构可以在毫米级行程时,垂直运动方向上的偏移小于1um。     

下肢康复助行机构本体设计及运动学分析

康复机器人是目前研究的热点方向之一,这里针对人体下肢关节的五自由度模型,设计了下肢康复助行机构,并应用ADAMS对其进行了位移、速度、加速度特性仿真分析,为实际的医疗康复及机构的智能控制提供了重要数据。     

摆动导杆机构的Matlab运动学仿真

根据摆动导杆机构的闭环矢量方程推导出各构件的位移、速度、加速度的表达式,并将其转化为适用于Matlab仿真的矩阵数学模型,以该矩阵的数学模型编制相应的M函数仿真模块,最后建立仿真模型,并对仿真结果的正确性加以分析。借助于Matlab软件可以方便地实现机构性能分析和动态仿真,从而有效提高设计及分析效率。     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.     

混合驱动拉深压力机运动学优化综合与仿真

提出了用于拉深工艺的混合驱动压力机的机构构型,并对其进行了正运动学分析;建立了混合驱动拉深压 力机优化设计的数学模型和方法。首先优化综合机构的几何参数,再用10次Bezier曲线优化伺服电机的运动规 律,从而可使滑块的输出运动能实现一组较理想的轨迹,通过仿真结果分析了混合驱动拉深压力机的优点。     

并联机构机电耦合动力学计算

并联机构动力学模型是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂机电系统,目前还没有一个成熟的并联机构动力学建模和仿真计算方法.针对三自由度并联机构,建立了包括机械机构、伺服电机一体化的动力学模型.最后在设计好的运动平台轨迹下,计算了移动腿的位移、驱动电机的负载转距;分析了移动腿的误差.计算机仿真结果展示了控制器对机构位移和伺服电机转距良好的控制.     

应用于压电叠堆泵的微位移放大机构

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移。同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验。实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点。由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz。