Analysis of the Rigidity of a Straight Beam Flexible Hinge with Different Geometrical Parameters

Flexible hinges are widely used in micro motion robotics. Its rigidity directly influences an organization＇s terminal localization. Its actual structure geometry size cannot satisfy the theoretical analysis completely in a theoretical supposition condition. In this paper, we analyzed the rotation rigidity of a corner-filleted straight beam flexible hinge in different parameters using finite element software ANSYS. The errors are discovered and compared with theoretical results. Through the graph of the flexible hinge parameters and its performance, an analysis of changes of parameters on the performance of a corner-filleted flexible hinge was carried out. The key manufacture parameters that affect the performance of a corner-filleted flexure hinge the most and rules of design are given, which can provide directions of design precision for the flexure hinge.

Kinematics modeling of a 6-PSS parallel mechanism with wide-range flexure hinges

A novel 6-PSS flexible parallel mechanism was presented,which employed wide-range flexure hinges as passive joints.The proposed mechanism features micron level positioning accuracy over cubic centimeter scale workspace.A three-layer back-propagation(BP) neural network was utilized to the kinematics analysis,in which learning samples containing 1 280 groups of data based on stiffness-matrix method were used to train the BP model.The kinematics performance was accurately calculated by using the constructed BP model with 19 hidden nodes.Compared with the stiffness model,the simulation and numerical results validate that BP model can achieve millisecond level computation time and micron level calculation accuracy.The concept and approach outlined can be extended to a variety of applications.

柔性铰接板振动视觉测量与小波神经网络控制

为了解决航天器上用于供能的太阳帆板类柔性薄板结构的振动问题,针对一种移动柔性铰接板系统构建了双目视觉系统的振动测控实验平台,采用双目立体视觉方法来检测振动,并设计了自回归小波神经网络控制器(Self-Recurrent Wavelet Neural Network Controller,SRWNNC)来抑制振动。对双目视觉系统进行了标定,基于视差原理和图像处理算法,通过解算标志点的三维坐标来获取振动信号。建立了系统的有限元模型,并通过辨识得到校正后的系统模型参数。基于辨识得到的模型在仿真环境中训练SRWNNC,用于实验系统的振动主动控制。分别针对移动柔性铰接板系统固定基座和平移轨迹运动两种情况,进行了双目视觉振动检测和振动控制仿真和实验研究。仿真和实验结果表明,双目视觉传感器对振动信号的检测精度小于0.1 mm,SRWNNC也展现出比大增益PD控制器更好的抑振效果,验证了双目视觉振动检测和SRWNNC抑制振动的准确性和有效性。

振动辅助抛光装置设计与性能研究

为了解决传统抛光技术及机床在过程中存在的加工效率低、表面质量差、周期性抛光纹理等问题,基于柔性机构理论,采用中心对称的方式,设计一个二维振动辅助装置;基于柔度矩阵法,建立二维振动辅助装置的理论模型。对二维振动辅助装置进行性能测试及有限元仿真。结果表明:此装置的最大行程约为46μm,放大比约为1.21,固有频率约为933 Hz,耦合误差率约为2.5%,最大应力不超过83 MPa,输入刚度为23.52 N/μm,输出刚度为12.29 N/μm。并通过振动辅助加工实验及有限元仿真,证明了振动辅助抛光装置具有改善实际抛光效果的能力。

含柔性连杆的曲柄滑块机构动力学分析与实验研究

为了研究柔性连杆、带有固体润滑涂层MoS_2的铰链接触副对含间隙铰链机构的动力学特性的影响规律,以曲柄滑块机构为研究对象,使用Adams软件进行数值仿真分析,研究了柔性连杆材料、铰链间隙、铰链接触副材料和铰链接触副表面固体润滑涂层对曲柄滑块机构动力学特性的影响。通过搭建与数值仿真参数一致的含间隙铰链的曲柄滑块试验台,试验验证了柔性大的连杆、较小的间隙值、接触刚度较小的接触副材料能够减小机构的振动,带有涂层的铰链能够有效减小接触面的磨损量。试验结果和数值仿真结果较为一致,能够有效的反应各种工况对含间隙机构的影响规律,为固体润滑涂层在航天领域中含间隙铰链接触副展开机构的减振抗冲击研究提供理论基础和试验依据。

可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计

针对可调谐半导体激光器中普遍存在的输出光频率无跳模调谐范围小、扫描频率低、结构复杂等亟待解决的问题,研究了可调谐半导体激光器内部压电驱动系统的动力学特性。基于提高回转精度、降低轴心偏移量的设计目标,提出了一种多叶片并联的星型柔性机构结构。基于Lagrange方程和Duhamel积分,分别建立了压电驱动系统的运动微分方程和振动方程,在此基础上建立了柔性机构的动力学模型并对其结构参数进行了优化。最后,搭建了压电驱动系统动态特性测试平台,测试了压电驱动系统的机械响应特性以及可调谐半导体激光器的输出光可调谐范围。实验结果表明,压电驱动系统一阶固有频率为2187 Hz,柔性机构最大轴心偏移量为0.947 mm。在可调谐半导体激光器无跳模调谐性能测试中,当调谐频率为20 Hz时,实现了103.5 GHz的无跳模调谐范围。

飞机货舱门锁闩机构运动可靠性分析

飞机货舱门锁闩机构在舱门打开阶段协助提升电机进行舱门预位,磨损产生的铰链间隙会引起输出角度误差,降低锁闩机构运动可靠度。为了分析铰链磨损对于锁闩机构运动可靠度的影响,根据锁闩机构工作原理建立可靠度计算模型;建立货舱门刚柔耦合动力学模型计算铰链接触力;采用Archard磨损模型计算铰链磨损量,基于等效杆长理论将铰链磨损量转换成杆长变化量,建立参数化模型进行可靠度分析;利用孔销接触模型进行可靠度结果验证。结果表明:该可靠度分析方法能够保证计算精度,提高分析效率。

空间四自由度柔顺并联机构设计与仿真

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式空间四自由度柔顺并联定位平台,使用柔性铰链代替传统的运动副,消除了传统机构铰链配合的摩擦与间隙。建立了空间四自由度定位平台的运动学模型,使用三维建模软件建立几何模型。通过计算得到解析结果,并对空间四自由度柔顺并联定位平台进行有限元分析,得到其位移特性。比较理论计算和有限元仿真结果,得出误差在允许范围内,验证了设计的定位平台的可行性。

小卫星太阳翼铰链对挠性动力学方程耦合系数的影响

针对小卫星太阳翼机械系统产品选型时,展开机构的铰链类型、铰链刚度对卫星挠性太阳翼系统动力学方程中耦合系数影响规律不明确的情况,文章首先建立带挠性太阳翼的振动方程,给出使用动力学方程中的参量计算附件平动、转动耦合系数的公式;然后,基于小卫星常用的两种铰链类型以及铰链不同刚度,采用有限元法,对比相同卫星构型下铰链对太阳翼展开模态的影响;并获取相应的太阳翼振型、质量与质量元位置参数;最后,以某小卫星太阳翼为例,基于动力学方程中的耦合系数计算方法,采用输出参量与数据处理软件相结合方式,开展了不同铰链对耦合系数和铰链选型的影响分析。结果表明:文章分析的不同铰链、刚度的太阳翼结构参数以及耦合系数变化规律,对于铰链的设计和选型具有理论参考价值。

大变形柔性铰链的静刚度分析及应用

大变形柔性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,而橡胶材料的应变-应力关系不符合胡克定律,其关系可由应变-能量函数关系式导出,为此,采用Mooney-Rivlin模型对形变能量函数进行简化,通过适当选取材料常数的比值,对其非线性的应力-应变关系进行分段线性化,导出圆角型柔性铰链在大变形时转角刚度的近似计算公式.通过有限元仿真对近似计算公式进行了验证.在此基础上,应用大变形柔性铰链构造扑翼式微型飞行器中的柔性胸腔,由转动电机作为驱动器,利用柔性铰链的变形实现翅膀的扇翅运动,实际应用效果表明可有效增大扇翅角并提高能量利用率.

弹性铰链研究

弹性铰链是一种在精密机械中广泛应用的新型铰链形式。本文概括了常用的弹性铰链类型 ,总结了各种切口形状弹性铰链的特点 ,对单轴双圆弧和单轴单圆弧的弹性铰链作了比较 ,最后介绍了弹性铰链的加工及应用情况。

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明:所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95″,满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。

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。

一种带力传感的微夹持器设计及试验

设计制作一种带力传感的微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作,由粘贴于悬臂应变梁的半导体应变片构成惠斯通电桥测量微夹持力.优化设计了柔性铰链的结构,对悬臂式应变梁进行了仿真分析.最后,制作并组装成微夹持器,进行了力传感标定试验和微夹持操作试验.制作和试验结果验证了这种带力传感的微夹持器的可行性和实用性.

压电驱动精密直线步进电机研究

提出一种新型的定子主动箝位方式压电精密直线步进电机,解决了压电驱动电机箝位不牢固、步进频率较低、行程小、速度低等问题。研制的精密电机能够实现高频率(100Hz),高速度(30mm/min),大行程(>20mm),高精度,大驱动力(100N)等特点,大幅度提高了压电型步进电机的驱动性能。研制的该步进电机在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中具有一定的应用价值。

典型柔性铰链的结构参数对其刚度性能影响的研究

柔性铰链是目前被广泛用于微动机器人的主要部件之一 ,其刚度性能直接影响到微动机器人的终端定位和操作精度 .由于实际需要的多样性和复杂性 ,使得其实际结构的几何尺寸不能完全满足传统理论分析的假设条件 ,因此影响到对其性能的准确分析 .本文采用有限元技术对三种典型柔性铰运动变形的力学机理进行了系统的研究 ,并与传统理论的分析结果进行了比较 ,分析了二者间产生误差的根本原因 。

3-PRR平面三自由度纳米定位平台的设计

本文设计了一种由压电陶瓷驱动的应变片进行检测的平面三自由度纳米定位平台,该平台采用的是平板铰链、直圆铰链及单边V型铰链导向的3-PRR结构。通过建立平台的伪刚体模型及对其进行位姿分析,获得了平台的正、逆解。同时,运用有限元分析方法对平台进行了仿真分析。搭建了3-PRR平面三自由度纳米定位平台测试实验系统对所设计平台进行试验。实验结果显示:3-PRR平台沿x轴、y轴的行程及最大转角分别为-11.32~11.41μm、-12.47~12.76μm、3.63′,对应的分辨率分别为71nm、83nm、1.35″。理论分析结果、有限元仿真结果与实验结果的最大误差分别为5.87%、6.19%,验证了理论分析和有限元仿真的正确性。x轴及y轴的位移输出与应变片的输出电压近似呈正比关系,证实了利用应变片来检测3-PRR平台运动的可行性。

压电型步进精密旋转驱动器

提出了一种将压电叠堆驱动元件应用到精密旋转驱动器上的研究方案。在对驱动器机械结构及旋转运动工作原理进行分析的基础上,建立了以压电叠堆为驱动元件的旋转驱动数学模型,采用有限元分析软件对机械结构进行了分析,并从旋转运动分辨率、运动稳定性等方面对所设计加工的样机进行了实验研究。实验结果表明设计的结构具有分辨率高、行程大和运行稳定等优点,克服了目前精密驱动机构存在的位移最小分辨率和大行程共存性不好的问题。

柔性铰链微位移放大机构工作性能仿真

为了获得足够的机器人工作空间 ,微动并联机器人平台之间的支链均采用了基于柔性铰链的微位移放大机构。本文对微位移放大机构设计方案进行仿真分析。确保压电执行器既不会被弹性力封锁 ,柔性铰链处的应力也不超过许用应力。根据仿真结果设计的微位移放大机构保证了微动并联机器人的工作性能。

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。