三角形柔性铰链的建模与分析

作为一种旋转单元,三角形柔性铰链可以组合为性能更加优良的柔性模块或柔性机构,如车轮形铰链、蝶形铰链等。建立准确的受力模型,分析其载荷—位移特性成为设计复杂铰链或机构的关键所在。基于近似的悬臂梁模型,建立三角形柔性铰链在同时受到弯矩、切向力和轴向力作用下精确的转角模型。得到未被近似的轴漂计算公式,并根据公式推导实用的轴漂模型。转角和轴漂模型都简洁地表征了载荷—位移关系,最后,通过有限元分析验证了所建立的模型的准确性。     

含有柔性铰链并联机器人的刚度分析及刚度优化配置

以一类含有柔性铰链的并联机器人为研究对象，在位置分析的基础上，导出摄动位移间映射关系，为其建立了刚度分析模型。此外，还探讨了有关刚度性能指标的问题，最后以该性能指标为目标函数对其进行了刚度优化配置。     

剪切型阻尼U型柔性铰链设计与实验分析

根据柔性铰链的无阻尼结构特点,并利用黏弹性阻尼材料的剪切损耗特性,提出一种剪切型阻尼U型柔性铰链的结构模型,并结合GHM(Goulla-Hughes-MacTavish,简称GHM)黏弹性理论模型建立带阻尼铰链动力学方程。该铰链通过提高外加黏弹性阻尼层材料的剪切效应,达到增强结构阻尼目的。为了测试剪切型阻尼结构对该U型铰链的振动抑制效果,对其进行自由振动信号测试和动态力学分析(dynamic mechanical analysis,简称DMA)实验。结果显示,该阻尼结构能使铰链结构在120~150Hz的共振频段内因振幅增大,阻尼层剪切效应加剧,出现明显的阻尼损耗峰值,有效增强了铰链的结构阻尼。     

Cartwheel型双轴柔性铰链设计

针对精密光学仪器对光学元件柔性支撑的需求,提出了由带圆角的短直梁复合组成的Cartwheel型双轴柔性铰链,并利用无量纲设计图研究了设计方法.首先,基于对Cartwheel双轴柔性铰链的参数化有限元分析进行多项式拟合,建立了其刚度、应力等力学指标的无量纲设计图.针对光学仪器的工程需要,利用该无量纲设计图进行了实例设计,并利用有限元分析对其进行了实验验证.搭建了光学测试平台,对设计实例的转动刚度进行了测量.结果显示:有限元分析结果、实验测量数据与设计结果符合得较好,最大相对误差为10.1％.使用无量纲设计图方法作为设计工具,设计者可根据对带圆角短直梁复合组成的Cartwheel型双轴柔性铰链的刚度、转角行程、最大应力与结构重量等要求,确定其几何尺寸,从而方便、快速、准确地满足设计要求.     

平面3自由度柔性铰链并联机器人的平衡构形

研究一个平面3自由度柔性铰链并联机器人的平均构形问题。通过逆静力分析得出了一个4变量耦合的三角函数超越方程组,讨论了并联机器人的初始装配构形,基于牛顿迭代法提出了一个数值算法,无需选取初值可求出三角函数超越方程组在指定区间内的全部实数解,得到了柔性铰链并联机器人的所有初始装配构形和在外载荷作用下的平衡构形。最后给出了数值实例。     

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。     

圆弧型柔性铰链应力分析

针对柔性铰链在风洞应变天平校准设备中的应用,将圆弧型柔性铰链作为研究对象,计算其最大应力。通过分析典型柔性铰链的受力情况,提出了将圆弧型柔性铰链等效为直圆型柔性铰链的方法。基于应力集中理论,拟合出了铰链分别受轴向力和弯矩时的应力集中系数计算公式。建立不同参数铰链的三维模型,使用ANSYS Wrokbench软件进行有限元仿真分析,将仿真数据和理论计算数据进行对比,验证等效方法和拟合公式的可行性。     

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。     

双曲余弦柔性铰链的刚度推导

柔性铰链在科学技术领域有着广泛的应用,以力学基本公式和微积分为基础,推导出了双曲余弦柔性铰链的刚度计算公式.计算公式是精确的推导结果且表达较为简洁,有利于柔性铰链及其机构的计算和分析.     

一种新型5-R柔性并联指向机构的设计与分析

轴漂作为柔性铰链的固有属性对其转动精度有很大影响,基于对称设计思想设计出两种轴漂很小的高精度柔性转动副,并对其进行性能分析及应用研究。首先采用几何方法,从结构上证明了新提出的两种柔性转动副具有轴漂小的特点;然后,分别建立两种新型铰链的伪刚体模型,得到其输入输出数学表达式并进行仿真验证;最后,基于球面5-R并联机构,运用刚体替换法,将新提出的两种柔性铰链替代机构中刚性运动副,综合得到一种新型5-R柔性并联机构。通过有限元软件对其进行分析,证明机构具有较高的承载能力和指向精度,为后续空间柔性指向机构应用方面奠定了理论基础。     

柔性铰链微定位平台的设计

设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。     

On the modeling of flexure hinge mechanisms with finite beam elements of variable cross section

In this paper, a modeling technique for flexure hinge mechanisms is studied. Beam elements of variable cross sections are deployed within a finite element procedure to model a circular flexure hinge. The resulting finite element model has very few degrees of freedom and is accurate in both static and dynamic analysis. Furthermore the modeling approach is applied to an amplifier mechanism. Comparing the results of the proposed model with a 3D finite element reference model, high accuracy for a broad spectrum of hinge parameters is reported while reducing the number of degrees of freedom immensely.     

Dimensionless design graphs for flexure elements and a comparison between three flexure elements

This paper presents dimensionless design graphs for three types of flexure elements, based on finite element analysis. Using these graphs as a design tool, a designer can determine the optimal geometry, based on the stiffness and rotation demands of a flexure element. An example is given using the beam flexure hinge.Between the analyzed flexure hinges, a comparison is made on basis of equal hinge functionality: rotation. The result describes the maximum stiffness properties from different hinges in identical situations. A beam flexure element is preferred over a circular flexure hinge for stiffness demands in a single direction, while a cross flexure element enables medium stiffness in two perpendicular directions.     

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。     

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.     

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。     

采用柔性铰链实现微位移的方法研究

在微位移技术中,柔性铰链是实现微粒移和高分辨率的的理想机构。本介绍了柔性绞链的简化设计方法,并利用柔性绞链工作原理设计了柔性框架式爬行驱动器作为微动工作台的驱动装置,使微动工作台获得了稳定的工作精度和高分辨率。     

新型柔性铰链在微型机器人中的应用

柔性铰链以其特殊性能在微型机器人中得到广泛应用。本文介绍了新型柔性铰链在微型机器人中的应用,并在此基础上重点对新型柔性铰链的机械特性,以折叠技术为主的加工工艺,以及与压电技术相结合的驱动方法进行了探讨。     

Three axis rotational flexure joints of high axial stiffness

The mechanisms for mirror positioning in synchrotron radiation beamlines at BESSY have been shown to have unique stability, precision, and reproducibility. For these mechanisms play-free flexure joints are used exclusively. The elastic material for these joints needs to have a low stiffness against bending and torsion and a high stiffness in the axial direction. It should allow a large number of moving cycles and must not fracture spontaneously. Fiber materials and especially stainless steel rope segments of small length accomplish these requirements. The paper describes a patented (Patent DE10042801.0) arrangement and is intended to provide useful information as an aid in applying this design to other mechanisms.     

单轴柔性铰链柔度系数试验装置的设计

为了在空间光学遥感器大尺寸反射镜柔性支撑结构的试验研究过程中获得柔度特性试验数据,设计了一种结构紧蹙的单轴柔性铰链试验装置,采用该装置在材料拉伸试验机上同时实现了端部弯曲和纯弯曲试验功能.该装置利用杠杆原理实现纯弯曲加载,并采用由刚性辊子组成的约束通道对纯弯曲组件进行约束,从而降低了摩擦对载荷传递的影响.试验过程的模拟...