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。     

基于闭环柔度解析式的双曲线形柔性铰链研究

提出了一种新型的单轴柔性铰链结构型式一单边双曲线形柔性铰链。以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础，推导了单边双曲线形柔性铰链柔度的闭环解析公式，在此基础上，推导出单边双曲线形柔性铰链的转动精度公式，对单边双曲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。并通过对双边双曲线形柔性铰链比较，分析了单边双曲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，利用有限元和实验的方法对单边柔性铰链的柔度公式进行校验，结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于8％，实验结果和解析式的偏差在7％以内，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。     

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.     

单边椭圆柔性铰链的计算与性能分析

单边柔性铰链在要求结构尽可能紧凑的柔性机构中被采用.以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边椭圆柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,得出结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过与双边椭圆柔性铰链比较,分析了单边椭圆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,利用有限元方法对柔性铰链的柔度公式进行校验,结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于8%,为单边柔性铰链的工程设计提供了理论依据.     

四种不同柔性铰链的三自由度微定位平台性能比较

为了研究柔性铰链形式对微定位平台性能的影响,对正圆、椭圆、直角和三角柔性铰链的三自由度平台的静态和动态特性进行比较分析。采用有限元软件ANSYS对其特性进行比较分析,分析结果可得如下结论:不同平台的柔度有较大的差别,直角铰链平台柔度最大,三角铰链平台最小,正圆和椭圆柔性铰链柔度相近;铰链形式对平台运动性能有较大的影响,直角柔性铰链平台相对于其他平台具有更小的转角;不同铰链平台在各个方向的位移灵敏度存在差异,圆形铰链平台在各个方向具有更高的灵敏度;柔性铰链形式对平台的固有频率影响较大,直角铰链平台固有频率最小,三角铰链平台最大,正圆柔性铰链和椭圆柔性铰链柔度相近。综合不同柔性铰链平台的性能发现圆形铰链平台具有较好的综合性能。     

另一类椭圆柔性铰链

本文提出了一类椭圆柔性铰链——深切口椭圆柔性铰链,其切口的宽度为椭圆的短轴,而切口的深度为椭圆的长半轴。基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入离心角作为积分变量,推导了计算这类柔性铰链柔度、转动精度和最大应力的计算公式,这些公式具有简洁、规范等特点,非常有利于工程设计中的计算和分析。最后,用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链。有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果与吻合得很好,说明了这些解析计算公式的正确性。研究表明,这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合。     

摆线柔性铰链的设计计算与性能分析

提出了一类基于摆线方程切口的新型柔性铰链。利用变截面梁弯曲理论推导其转动刚度数学模型,根据微元法下的胡克定律叠加原理推导其拉伸刚度的数学模型,通过有限元验证了计算公式的正确性,讨论了结构参数对转动刚度的影响关系和显著程度,比较了新型柔性铰链与传统柔性铰链的性能。分析表明转动刚度与弹性模量、宽度和最小厚度成正比,而与拱高参数成反比,且对最小厚度的变化最敏感,新型柔性铰链的柔度仅次于椭圆型,相较于圆弧型和抛物线型柔铰对载荷的敏感程度平均提高了10%和30%以上,新型摆线柔铰为柔性铰链的设计选型提供了新思路。     

椭圆柔性铰链的柔度计算

基于材料力学中的变断面梁的弯曲理论,通过引入椭圆离心角作为积分变量,直观地得到椭圆柔性铰链的系列柔度计算公式。通过定义中间参数,推导出较为简洁的解析计算公式,从而避免费时的数值积分,便于柔性铰链柔度的计算和分析。当椭圆切口的长轴和短轴长度相等时,椭圆柔性铰链变成直圆柔性铰链,这些计算公式即退化为直圆柔性铰链的柔度计算公式。运用有限元软件ANSYS分析多个不同形状的椭圆柔性铰链,有限元法分析结果与这些柔度计算公式的计算结果吻合得很好,证明了公式的正确性。     

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。     

异形非对称柔性铰链力学特性的研究

基于大柔度混合柔性铰链设计理念,提出了一种非对称式直圆摆线混合柔性铰链,并对其力学特性进行了研究。基于悬臂梁弯曲理论和微元法下的胡克定律,通过选取合适的积分变量与中间变量,得到较为简洁的转动柔度和拉伸柔度的计算公式,并给出了最大应力的计算公式;讨论了转动柔度和最大应力随参数的变化趋势,比较了结构参数对转动柔度和最大应力影响的显著程度。结果表明,转动柔度、拉伸柔度和最大应力解析式的最大误差分别在7%、5%和5%以内;转动柔度与弹性模量、宽度和最小厚度成反比,与直圆半径和拱高参数成正比,且对最小厚度的变化最为敏感,宽度次之,拱高参数和直圆半径最弱;最大应力与宽度、最小厚度和直圆半径成反比,且对最小厚度的变化最为敏感,宽度次之,直圆半径最弱。     

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。     

深切口椭圆柔性铰链

提出了一类椭圆柔性铰链--深切口椭圆柔性铰链,其切口的宽度为椭圆的短半轴,而切口的深度为椭圆的长半轴.基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入离心角作为积分变量,推导出了这类柔性铰链的转角、转动精度和最大应力的解析计算公式.这些公式简洁、规范,可用于工程设计中的计算和分析.用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链,分析结果与解析计算公式的计算结果吻合得很好.其中转角的最大误差不超过4%,最大应力的最大误差不超过5%,转动精度的最大误差不超过7%,说明了这些解析计算公式的正确性.分析结果也表明,这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合.     

含孔隙结构的新型直梁型柔性铰链研究

针对直梁型柔性铰链转动存在寄生位移难以实现微机电系统机构高精度运动应用,基于直梁圆角型柔性铰链,提出含平面对称孔隙或偏置孔隙结构、具有局部泊松比特征的新型柔性铰链。结合柔性铰链闭环柔度方程构造对标柔性铰链有限元计算模型;对具有相同孔隙率但不同组合形式孔隙的柔性铰链进行旋转柔度、回转精度及模态分析。结果表明,相同孔隙率下,对称布置孔隙铰链的柔度、中心回转精度均高于偏置孔隙铰链,其中3×3对称布置孔隙结构可将铰链自由端挠度提升20%,中心回转精度提高11.97%;孔隙结构柔性铰链自由端载荷与该端位移呈近似线性关系。本研究为多孔异构形式新型柔性铰链在特定精度与受多向力场合应用提供新思路。     

单边导角形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边导角形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边导角形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元和实验的方法对柔性铰链的柔度公式进行校验。结果表明:有限元和实验方法与闭环解析式的结果基本一致。对单边导角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,并通过与双边导角形柔性铰链比较,分析了单边导角形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响,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。     

光器件封装运动平台的柔性铰链设计与分析

在应用于光器件封装中的六自由度柔性并联运动平台中,柔性铰链的性能是制约运动平台大行程和高精度的重要因素。根据卡氏定理和Lobatto求积公式,建立圆角直梁型柔性铰链力学模型,推导出铰链的柔度矩阵。同时提出了评价柔性铰链性能的参数,即转动能力θ和转动精度σ。在此基础上,计算并分析了圆角直梁型柔性铰链的结构参数L、d、r对其转动能力θ和转动精度σ的影响,并通过有限元分析法进行验证。结果表明,提升L和r、降低d可以提升柔性铰链的性能,为运用于光器件封装的柔性并联运动平台设计提供了有力依据。     

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。     

椭圆弧柔性铰链刚度简化计算及优化设计

本文主要研究了椭圆弧柔性铰链刚度的优化设计方法。首无,针对椭圆弧柔性铰链刚度计算公式过于复杂的问题,采用幂函数非线性曲线拟合的方法,推导了椭圆弧柔性铰链刚度的近似理论计算公式。然后,基于近似理论计算公式,分析了柔性铰链的精度特性及工作时的最大应力;采用GlobalSearch全域优化指令和Fmincon局域优化指令对椭圆弧柔性铰链工作方向的最大刚度进行了优化设计。最后,采用有限元仿真和实验验证的方法证实近似理论计算公式的适用性和优化结果的可靠性。验证显示:实验结果与近似理论计算结果的相对误差小于5%,表明提出的方法不仅省去了繁杂的有限元模型建立以及计算和修改的过程,大大提高了设计效率;而且通过优化计算可以得到椭圆弧柔性铰链的最大刚度。     

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。     

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。     

椭圆弧型柔性球铰的柔度矩阵计算与分析

椭圆弧型柔性球铰作为直圆型、圆弧型、椭圆型柔性球铰的推广可替代传统双轴柔性铰链参与空间多自由度柔顺机构的设计。基于线弹性及小变形假设理论,以椭圆弧形柔性球铰为研究对象,通过引入更为直观的中间参数,建立了该铰链的空间力学模型,简化了推导过程,推导了其柔度矩阵的数学表达式,并使用有限元分析法对所推导的公式进行验证。ANSYS软件分析的结果与Simulink模型计算结果对照表明大部分数据误差不超过10%,最大误差为28%,证明了所推导公式的正确性。最后对椭圆弧型柔性球铰的柔度公式进行了进一步分析。得到:最小直径d对柔度影响最大,其次是椭圆长轴a,短轴b对柔度的影响最小。为双轴柔性铰链的设计提供了理论依据。