基于桥式柔性铰链多误差源的数学建模

利用快刀伺服系统加工可获得纳米级的微结构,桥式柔性铰链是最关键的零件之一,其柔性铰链的误差度直接影响零件的加工精度。通过对多误差源的分析,探索每个误差源对精度的影响程度。包括过对桥式柔性铰链关键尺寸的加工误差,特别是对敏感度较高的长度、宽度、厚度加工误差的分析,建立起关键尺寸与加工精度的数学模型;分析温度变化,建立基于神经网络的加工误差数学模型,并提出温度补偿的策略;分析重力等原因引起的误差变形,建立由于重力引起变形量与加工精度的数学模型。将上述的多误差源的数学建模运用到设计和制造中,能从源头上减少误差对加工精度的影响程度,提高快刀伺服系统加工微结构零件的尺寸精度和表面粗糙度。     

复合型柔性铰链机构特性及其应用研究

复合型柔性铰链是目前在精密机械中广泛应用的一种新型铰链形式,可作为全柔性和部分柔性机构,应用于存储释放能量以及高频振动等场合.本文概括了复合型柔性铰链的特点,对直梁型、圆弧型和复合型柔性铰链作了分析比较,并采用自由度计算公式,对刚性机构、基于复合型柔性铰链的部分柔性机构和全柔性机构进行了自由度分析,以探讨它们的机构能力和可控性.最后介绍了复合型柔性铰链在微机器人的应用,包括仿生扑翼机构的研制和实验.     

微机器人中用细钢丝替代球铰链的定位误差

设计的双指微动操作手的本体是基于并联机构的微机器人，其工作盘上装有针状手指。微机器人的传动支接采用柔性铰链微位移放大机构，并用细钢丝代替球铰链。讨论了柔性铰链的定位误差，建立了用细钢丝代替球铰链的设差模型，借助于柔性铰链相对于理想运动轨迹的偏离曲线，对由此引起的定位误差进行了分析计算。     

基于柔性铰链的微操作执行器的设计和分析

为了满足微型机电系统研究和测试的要求，设计了一种压电驱动的基于柔性铰链的微操作执行器。该微操作执行器采用组合杠杆原理将压电驱动器的微小位移放大。用简化方法和有限元方法分别对该柔性铰链微操作执行器进行了分析，发现简化方法可以用在初步设计中，而最终需要用有限元方法进行校验。在柔性铰链微操作执行器的设计中，加强杠杆的支点和杠杆臂的刚度，能有效地提高系统的运动放大倍数，并且使简化分析的结果和有限元分析结果更接近。     

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。     

基于交叉簧片柔性铰链的空间微位移机构

基于交叉簧片柔性铰链(简称‘交叉铰链’)设计了一种用于光束跟踪、精密指向和瞄准的同轴八铰微位移放大机构。该机构使用菱形构型,用交叉铰链作集中柔性元件,节点处交叉铰链两两同轴配合使用,以便保证运动的平稳输出。研究了机构的运动学以及力学性能,计算了微位移机构的行程放大比和灵敏度;根据交叉铰链的刚度模型,推导出微位移机构的理论刚度;最后,应用有限元软件对机构进行建模并对运动学、静力学以及动力学性能进行仿真。完成了样机的加工和测试,测试结果显示,机构放大比为1.905,理论与测试误差低于2.2%,结构刚度为18.21N/mm,误差低于0.32%,一阶频率为8.8Hz,误差低于5%。分析结果验证了本设计的可行性和有效性。该机构适用于空间高精度微位移领域。     

直梁型柔性铰链制造误差对刚度性能影响的建模与分析

柔性铰链制造误差会影响铰链性能,为了减小柔性铰链性能对制造误差的敏感性,应用多变量函数Taylor级数展开的方法,建立了直梁型柔性铰链制造误差与其性能的对应关系.通过建立的直梁型柔性铰链参数与其性能关系图,分析了直梁型柔性铰链各参数变化对其性能的影响,并给出了对柔性铰链影响最大的关键加工参数和设计准则.     

基于有限元的柔性铰链微位移机构研究

针对传统压电陶瓷器件应用于微位移技术中难以实现高精度的问题,提出了一种柔性铰链微位移机构,对该机构的运动特性进行了理论分析,并利用有限元方法进行了仿真验证。研究了铰链间距及其关键几何参数对微位移机构性能的影响。结果表明:有限元仿真结果和理论分析结果相一致,利用ANSYS仿真可以确定几何参数对微位移机构性能的影响,结合理论分析可以提高微位移机构的设计效率和准确性,避免纯粹理论计算在结构设计上缺少仿真分析支撑的问题。实验结果验证了本文设计的微位移机构应用于超精密加工中具有很高的精度。     

微动工作台的误差源分析

并联微动工作台广泛用于高精度场合,制造误差、装配误差、以及工作过程中温度与重力的作用都会影响到终端定位精度,因此有必要对误差源进行研究.以一种3-PPTTRS微动工作台为例,利用矢量闭环,在微动工作台单支链标准模型的基础上建立基于杆长的误差模型和基于柔性铰链的误差模型.考虑到杆的制造误差、柔性铰链的制造误差、装配误差、驱动部件的运动误差和温度变化引起的杆长不准确,建立相应的矢量闭环方程.分别分析柔性转动副、柔性球副和柔性胡克铰的制造误差和装配误差对微动工作台终端定位精度的影响,详细分析切入半径的误差、切入圆圆心沿x方向的位移偏差、切入圆圆心沿y方向的位移偏差、沿z方向的偏转等柔性铰链制造误差以及垂直度、同轴度等柔性铰链装配误差对微动工作台终端位姿的影响.分析温度和重力对精度的影响.有限元仿真结果表明,温度对微动工作台的影响很大,而重力的影响基本上可以忽略不计.该方法对复杂并联微动机器人的精度设计提供了有效的途径.     

基于伪刚体模型的柔性铰链机构自由度分析

柔性机构经过20多年的发展,已成为现代机构学中的重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用.柔性机构是一种利用材料的弹性变形来传递运动、力或能量的新型机构.由于柔性元素的引入,柔性机构中构件和运动副数目往往无法严格区分,导致其自由度和刚体机构的自由度不同,甚至带有一定的模糊性.基于伪刚体模型,给出了柔性机构的两...     

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。     

基于椭圆形柔性铰链的串联柔性机构设计与应用

为提高精密定位系统的行程,以椭圆形柔性铰链为基本变形单元提出一种大行程串联柔性机构。使用伪刚体模型法对串联柔性机构的运动过程进行了分析,进而建立了串联柔性机构的刚度和最大应力理论模型。采用超声波直线电机作为驱动元件,以单向2.5 mm行程作为设计目标,确定了串联柔性机构的结构参数,有限元分析结果与理论计算结果误差小于5%,证明设计的正确性。在此基础之上,构建了具有毫米行程的定位系统,进行了连续步进实验,实验结果证明使用串联柔性机构可以实现大行程精密定位。     

直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵分析

对直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵进行了研究。首先,基于悬臂梁理论推导了直梁圆角形柔性铰链平面内变形的解析计算方法,建立了柔性铰链平面内柔度矩阵的闭环解析模型,并给出了rt(r为铰链圆角半径,t为铰链厚度)时柔度矩阵的简化计算公式。然后,建立了直梁圆角形柔性铰链的有限元模型,得到了柔性铰链结构参数r/t和l/t(l为铰链长度）变化时柔度矩阵解析值和有限元仿真值的相对误差,以及r/t变化时柔度矩阵简化解析值和仿真值的相对误差。结果表明:采用悬臂梁理论建立的柔性铰链柔度矩阵模型,当l/t≥4时,柔度矩阵各项参数的理论解析值与有限元仿真值相对误差在5.5%以内,当0.1≤r/t≤0.5时,两者的相对误差能够控制在9%以内,当0.2≤r/t≤0.3时,两者的相对误差能够控制在6.5%以内;当r/t≤0.3时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在9%以内, 当r/t≤0.2时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在7%以内,从而验证了柔度矩阵闭环解析模型的正确性。建立的直梁圆角形柔性铰链柔度矩阵闭环解析模型可为柔性铰链以及柔性体机构的设计和优化提供理论依据。     

直梁圆角型柔性铰链的回转精度分析

首先,基于悬臂梁理论推导了直梁圆角型柔性铰链回转精度的解析计算方法,建立了柔性铰链回转精度的闭环解析模型,并给出了rt时的回转精度简化计算公式。然后,采用与有限元分析结果相比较的方式对解析模型进行了验证,结果表明两者的相对误差小于5%,从而验证了回转精度矩阵闭环解析模型的正确性。最后,分析了柔性铰链的材料参数和几何参数对其回转精度的影响,结果表明:直梁圆角型柔性铰链材料的弹性模量E越大、泊松比ν越小,其回转精度越高;直梁圆角型柔性铰链的高度h越大,其回转精度越高;当量纲一参数0≤s≤1,3≤q≤10时,随着s的增大、q的减小,回转精度越来越高;柔性铰链的厚度t一定时,圆角半径r越大,铰链长度l越小,其回转精度就越高;当0.5mm≤t≤4mm,几何参数h、r、l一定时,随着t的增大,其回转精度越高,且其变化速率越来越小。建立的直梁圆角型柔性铰链回转精度矩阵闭环解析模型,可为柔性铰链以及柔性机构的设计优化提供理论依据。     

多环柔性铰链平行机构的综合分析及解耦

当微定位台的结构是多环、多自由度时,由于空间的限制,通常其运动方程是耦合的,需对它进行综合分析和解耦。本文用螺旋理论对多自由度柔性铰链的运动和动力学解耦问题进行研究和探讨,并以一实例说明了其解耦设计方法。这对准确实现指定动作、正确设定驱动点的位置、合理确定机构的结构形式,最大限度地减小各自由度间的动态干涉有很重要的意义。     

零件加工误差原因诊断专家系统

将专家系统应用于零件加工误差原因的分析与诊断,基于加工过程中产生的某些误差,提出可能的误差原因,然后进行逼近和排除,最后诊断出产生加工误差的原因。     

柔性铰链的应用

柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用。通过对柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的应用，以及柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位的典型例子，对柔性铰链的应用作了较全面的介绍。     

基于叠片式柔性铰链和压电陶瓷电动机的大行程直线驱动导轨设计

提出了一种叠片式柔性铰链导轨工作台,可以在保持柔性铰链微位移工作台高直线度的前提下,大幅度提高行程,同时还保持了柔性铰链微位移工作台无机械爬行现象的优点。采用压电陶瓷电动机作为叠片式柔性铰链工作台的驱动器,压电陶瓷电动机应用超声波驻波或行波驱动,具有定位精度高、行程大、频响高等优点,驱动分辨率可达20nm以下。