柔性铰链的设计计算

推导出了一般柔性铰链的系列设计计算公式和直圆柔性铰链的系列设计计算公式。计算公式是精确的推导结果,且在表达上较为简洁,有利于柔性铰链刚度(柔度)的计算和分析。与迄今沿用的J. M. Paros的柔性铰链设计计算公式进行了计算比较,说明了设计计算公式的简洁性、准确性和全面性。尤其是对常用的直圆柔性铰链的系列设计计算公式,更突出其既精确又简单的特点。同时指出了柔性铰链设计计算中应当注意的问题。

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。

直圆柔性球铰柔度矩阵的解析计算

基于线弹性和小变形假设理论,通过引入比例系数(直圆柔性球铰槽口间距与切割半径倍数之比)并利用其结构对称的特点,推导得到了形式较为简洁的直圆柔性球铰柔度矩阵各子元素的解析柔度计算公式。利用有限元仿真软件验证了所推公式的正确性,并绘制了相应的误差曲线。结果表明:当比例系数小于0.2时,直圆柔性球铰各柔度计算公式的相对误差限均在11%以内;随着比例系数的增加,除沿x向的拉压柔度C11误差较小外,其他柔度计算公式的误差均呈增加的趋势,最大误差为30%。实验结果显示理论分析与仿真结果基本趋于一致,验证了直圆柔性球铰各柔度解析式的正确性。本文的研究内容为直圆柔性球铰在实际应用中的结构设计和参数优化奠定了理论基础。

双轴柔性铰链柔度的设计计算

文章利用能量法推导了双轴柔性铰链柔度的系列设计计算公式,在此基础上得到了常用的直圆双轴柔性铰链柔度的设计计算公式。针对多个不同尺寸的双轴柔性铰链,采用推出的计算公式、J.M.Paros公式进行计算,2种计算方法的结果吻合很好,由此说明了推出的计算公式的正确性和简洁性。

新型柔性铰链的柔度计算

在力或力矩作用下,柔性铰链将会产生相应的微弹性变形,其柔度性能是表征载荷与形变关系的量度,直接影响着柔性铰链的运动精度和综合性能。目前柔性铰链的设计一般基于繁琐的数值积分方法和有限元技术来计算柔性铰链的性能指标。在提出一种新型柔性铰链的基础上,基于弹性静力学基本公式和微积分理论,推导出一种新型柔性铰链的柔度计算公式,为新型柔性铰链的设计提供了理论依据;严格推导出柔性铰链中心轴线上任意位置的变形公式,实现了柔性铰链的精确设计计算。采用ANSYS软件对理论公式的准确性进行验证,两种结果十分吻合。

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。

直角柔性铰链单平行四杆机构输出位移分析

为了分析直角柔性铰链单平行四杆机构在导向过程中的导向位移及耦合位移,根据其结构的对称性,在对支撑结构进行受力分析和变形分析的基础上建立了单个支撑的半段梁模型,采用椭圆积分法推导了导向梁在大载荷下导向位移及耦合位移计算公式,最后采用有限元方法和实验对理论模型进行验证,并分析了造成理论值、仿真值和实验值之间出现误差的原因.研究结果表明,在柔性梁的弹性范围内,力与导向位移近似成线性关系,与耦合位移成类指数关系,理论值和实验值之间的最大误差分别为5.1%和8.5%;理论、仿真和实验所得的导向位移-耦合位移曲线基本重合.

双轴柔性铰链转动柔度的计算与分析

利用力学和微积分基本公式推导了双轴柔性铰链转动柔度的一般设计计算公式.在此基础上得到了常用的直圆双轴柔性铰链转动柔度的设计计算公式.利用该公式定量地分析了柔性铰链参数对转角柔度的影响.同时针对多个不同尺寸的直圆双轴柔性铰链,采用推出的公式、Paros公式和有限元法进行计算,三种计算方法的结果吻合很好.由此说明了推出的计算公式的正确性和简洁性.

新型单边复和型柔性铰链的柔度计算及其性能分析

提出了一种新型柔性铰链——单边直圆导角复合柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了单边直圆导角复合型柔性铰链的柔度计算式.利用所得结果对实例进行柔度的理论计算,同时对其作限元分析,通过结果对比,验证了柔度计算式的正确性.同时对单边直圆导角复合柔性铰链的性能进行分析,分析了结构参数对其柔度性能的影响,通过与双边直圆导角复合柔性铰链比较,得出了单边直圆导角复合柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于双边直圆导角复合柔性铰链,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了新的思路.

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。

基于微制造的多晶硅薄膜型柔性铰链

将宏机械柔性铰链设计思想应用到硅微机械机构设计中,采用表面硅牺牲层工艺制作了结构层厚度为2 μm 的多晶硅薄膜型微机械柔性铰链及在线测试机构,对微米尺度柔性铰链的微机械性能进行了理论和试验研究。以直圆型多晶硅薄膜柔性铰链为例,对其转动刚度采用现有宏机械柔性铰链理论的计算值为8 N·μm／rad,试验测试结果为120N·μm／rad。宏理论计算和微机械测试结果之间的偏差较大,这表明在微尺度效应的影响下,宏机械柔性铰链理论模型不能直接用于薄膜型硅微机械柔性铰链的计算。根据试验数据对宏机械柔性铰链计算公式进行了修正,得到了描述薄膜型硅微机械柔性铰链静态特性的近似经验公式,可满足薄膜型硅微机械柔性铰链的设计与计算。

新型直圆导角复合型多轴柔性铰链的柔度计算及其性能分析

设计出一种新型多轴柔性铰链——直圆导角复合型多轴柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了柔度计算式。利用所得结果进行实例计算,并进行有限元分析,通过结果对比验证了计算式的正确性。定义了铰链的厚长比λ,分析了柔度相对误差与λ之间的关系。利用所得柔度计算式,分析了铰链结构参数对其柔度的影响。通过与直圆型多轴柔性铰链的对比,得出直圆导角复合型多轴柔性铰链的转动能力与对载荷的敏感性均优于前者的结论。

新型桥式机构放大率的计算、分析和实验验证

单边直圆形柔性铰链在结构上更紧凑、体积更小,本文提出了一种新型的基于单边直圆形柔性铰链的桥式机构,建立机构1/4结构的力学分析模型,并推导出该机构放大率的理论计算公式。为了验证公式,先采用有限元软件ANSYS仿真分析,再加工出实物进行测试。验证结果表明:理论计算值与有限元仿真值、实验测试值都非常吻合,误差分别为1.94%和4.84%,从而证明放大率理论计算公式的准确性。

单边直圆型柔性铰链位移精度的有限元分析

提出了单边直圆型柔性铰链的位移精度系数和偏移率概念,为了分析柔性铰链的结构参数与位移精度系数和偏移率之间的关系,利用ANSYS软件提供的参数化程序设计语言APDL编制程序,实现快速、方便地自动生成柔性铰链的参数化有限元分析模型。分析结果表明:随着最小厚度的增大,位移精度系数减小,而偏移率就增大;切割半径增大,位移精度系数增大,则偏移率减小,而宽度的变化对位移精度系数和偏移率影响很小。

切向双脚架-运动学支撑结构的柔度研究

为了实现高精度的运动学支撑结构的设计,研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式,推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法,对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明:解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致,且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响,得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比,与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。

新型直圆椭圆复合型多轴柔性铰链的柔度计算及其性能分析

多轴柔性铰链应用于空间柔性机构。提出一种新型多轴柔性铰链——直圆椭圆复合型多轴柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导直圆椭圆复合型多轴柔性铰链的柔度计算式。采用所得计算式对一组实例进行柔度计算,同时对其进行有限元分析。通过对比分析,二者误差在14%以内,验证了计算式的正确性。借助于推导的计算式,分析直圆椭圆复合型多轴柔性铰链的结构参数对其柔度的影响。定义相对柔度比,得出直圆椭圆复合型多轴柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于直圆型多轴柔性铰链。综上,直圆椭圆复合型多轴柔性铰链的提出,为柔性铰链在空间柔性机构的工程应用提供了新的思路。

考虑横力弯曲的直角柔性铰链单元的力学特性

为了深入分析平面上受复合载荷作用的直角柔性铰链单元的力学特性,运用弹性力学方法推出了柔性铰链自由端在横向载荷和弯矩作用下的位移;基于理想弹性体的小变形假设,通过叠加法求得柔性铰链自由端总的位移,并由此得到柔性铰链的柔度矩阵;推出了直角柔性铰链单元两端位移都不为零时的整体刚度矩阵。通过有限元分析验证,当横向载荷作用于柔性铰链自由端时,由于考虑了剪切力对位移的影响,文中推出的直角柔性铰链的柔度具有较高的精确度,特别是当柔性铰链的高度与长度之比大于1/5时,相比材料力学解精确度更高,这对于直角柔性铰链的深入研究和实际应用都有一定的参考价值。

新型单边直圆椭圆混合柔性铰链的柔度计算及其性能分析

柔性铰链在微机电领域得到了日益广泛的应用。该文提出了一种新型柔性铰链:单边直圆椭圆混合型柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了单边直圆椭圆混合柔性铰链的柔度计算式。采用所得计算式对一组实例进行柔度计算,同时对其进行有限元分析,通过对比分析,验证了计算式的正确性。借助于推得的计算式,分析了单边直圆椭圆混合柔性铰链的各结构参数对其柔度的影响。通过与双边直圆椭圆混合柔性铰链对比分析,得出了单边直圆椭圆混合柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于双边直圆椭圆混合柔性铰链,综上所述,单边混合柔性铰链的提出为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了新的思路。

微位移放大机构的分析与计算

基于力学理论提出一种通用的柔性铰链柔度的计算方法,适用于各种切口形状的单轴和多轴柔性铰链的设计计算。推导出直圆柔性铰链在平面受力状态下的柔度计算公式,并分析了直圆柔性铰链结构参数与性能的关系。分析一种微位移放大机构的结构与工作原理,推导出微位移放大机构获得较大输出位移时,机构中两直圆柔性铰链结构参数应满足的关系,计算结果表明本文方法正确有效。