基于柔性铰链结构的大口径压电快摆镜

为了解决压电作动器驱动的快速反射镜因压电作动器伸长量较小,导致快速反射镜偏转角过小的问题,该文提出了一款新型快速反射镜设计方案。采用三级杠杆式柔性铰链放大机构实现压电作动器位移的放大,采用柔性轴承作为快摆镜的运动关节实现快摆镜的大角度定轴偏转。通过理论推导和有限元仿真对快摆镜的最大偏转角度、等效应力、谐振频率以及振型进行分析。实验结果表明,所设计的快摆镜可以实现大于2 mrad的镜面偏转,满足大范围、高精度的光束定位要求。

基于椭圆形柔性铰链微克级单体式称量机构性能分析与优化

为了提高单体式称量机构的灵敏度,对微克级的单体式称量机构进行性能分析与优化,建立了基于椭圆形柔性铰链称量机构的数学模型;以称量机构的横梁末端位移来评价称量机构的灵敏度,通过在不同部分改变铰链厚度,分别验证椭圆形和圆弧形铰链对称量机构灵敏度的影响。结合Ansys Workbench有限元仿真软件对模型的准确确度进行了验证,给出了针对柔性铰链划分网格时的评价依据,结果表明:模型的最小误差为1.8%;且在1μg载荷下,椭圆形铰链相比于圆弧形增加了0.39 nm的末端位移。

基于柔性铰链微动平台的自抗扰控制方法

微动平台一般以柔性铰链为导向机构,由于系统固有频率低,会严重限制传统PID算法的控制带宽,影响定位精度。因此,设计自抗扰控制算法(ADRC)将系统未建模动态与外部未知扰动共同视作“总扰动”,通过扩张状态观测器(ESO)进行估计和补偿,提高系统的控制带宽。为了充分利用已知的模型信息,设计基于模型的ADRC算法,将柔性铰链标称模型输入到ESO中,进一步提升系统的控制性能。最后,通过10μm行程的点位运动实验进行验证。结果表明:因为控制带宽无法过大而导致PID难以响应,ADRC提高了控制系统带宽,实现了精密定位;模型ADRC进一步提升了响应速度与定位精度。相比ADRC,模型ADRC整定时间缩短了68.1%,最大跟踪误差降低了53.8%,定位精度提升了60.7%。

椭圆横断截面新型双轴柔性铰链设计及分析

现有同位正交复合缺口双轴柔铰存在矩形横断截面锐边结构,增大了应力集中效应,且无法通过优化纵向缺口轮廓来消除。为此,提出一类椭圆横断截面新型双轴柔铰。首先以圆弧缺口为对象,构建该类柔铰的参数化结构模型;然后基于卡氏第二定理建立其柔度及最大应力理论模型,通过有限元分析验证模型的有效性,基于此,实现了柔度及应力集中特性分析;最后通过实验测试验证了柔铰的柔度性能。结果表明,椭圆横断截面型双轴柔铰具备两向各异柔度,可从本质上避免锋利锐边结构,降低应力集中效应,与具有相同缺口结构的矩形横断截面型双轴柔铰相比,工作能力可提高47.9%,该类柔铰结构拓展了现有缺口型柔铰的基本类型。

二阶贝塞尔曲线型柔性铰链疲劳特性研究

柔性铰链广泛应用于精密工程、MEMS、智能传感器等领域,在实际工作中因受到循环载荷作用而易发生疲劳失效问题。对二阶贝塞尔曲线型柔性铰链疲劳特性展开研究,首先通过有限元仿真和数据拟合得到铰链应力集中系数公式,基于名义应力法建立柔性铰链疲劳寿命预测模型。设计柔性铰链疲劳实验装置进行实验研究,得到铰链在不同应力下的刚度退化曲线及疲劳寿命,进而建立基于试验数据的S-N曲线模型,此外采用单侧下界公差极限法设计出考虑可靠性的下界S-N曲线模型。通过对比分析,柔性铰链对数疲劳寿命模型预测结果与试验结果最大误差为15.8%,表明了预测模型的有效性和实用性。

基于运动规划的柔性平台往复运动控制研究

柔性平台是一种高速精密运动平台,由于系统中存在柔性铰链,会产生较大的非线性,传统PID算法的控制性能无法充分发挥,影响柔性平台在往复运动中的跟踪精度。因此设计了3阶S规划与自抗扰控制算法(ADRC)相结合的方法,该方法的关键在于引入运动规划,使系统输入信号更加平滑,不仅可以实现在快速变化的点位上平稳过渡,还能够提高系统的稳定性。同时,ADRC控制利用扩张状态观测器(ESO)的估计和补偿能力,有效地抵消了非线性对系统的影响,进一步提升了运动平台的跟踪性能和精度。这种方法可以有效应对系统的各种不确定性和外部扰动,提高系统的稳定性和控制性能。最后,通过150μm行程的往复运动实验进行了验证,在同样运用3阶S规划的情况下,PID因为系统存在非线性而控制性能较差;ADRC提高了系统的估计补偿能力,实现了精密定位。相比PID,ADRC的50Hz往复运动最大跟踪误差降低了42.1%,75Hz往复运动最大跟踪误差降低了38.3%。

柔性铰链机构设计方法的研究进展

柔性机构历经20年的发展已成为现代机构学一个重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用。虽然涌现了一系列柔性机构设计方法与理论,但柔性机构的设计问题仍面临着挑战。主要针对柔性机构在精微领域的应用,从方法和技术的角度全面地概述柔性机构的研究进展。从宏观上对当前几种主流的柔性机构分析与及设计方法(包括伪刚体模型法、结构矩阵法、约束设计法、旋量理论拓扑综合法、模块法、结构优化设计法等)进行总结与比较,按照柔性机构的设计流程详述柔性机构在单元建模、构型综合、机构分析以及尺度综合等方面的国内外研究进展,对柔性机构设计理论的发展进行展望。

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。

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。

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。

基于曲线柔性单元的新型大变形柔性铰链

曲线薄板柔性单元与传统的缺口式柔性单元相比,受载荷时在功能方向上更容易产生大变形。基于此,将曲线薄板柔性单元在平面空间中以一点为圆心,进行均匀阵列组合得到一种新型的环形柔性铰链——分布式叶片形转动柔性铰链。为了对新型柔性铰链进行性能分析,建立铰链的数学模型。鉴于铰链结构复杂,要得到精确模型十分困难,因此对模型进行简化,采用主运动单元伪刚体法建立新型柔性铰链数学模型,并分析新型柔性铰链受纯扭矩载荷时的变形情况。计算得到的结果与非线性有限元分析结果十分接近,证明了所建伪刚体模型的正确性。同时计算结果也表明分布式叶片形转动柔性铰链能够提供较大的转动行程,是一种新型的大变性转动柔性铰链。

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能,在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上,对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析.建立了直角柔性铰链空间力学模型,推导了空间刚度矩阵表达式.在此基础上,从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素,研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关.研究表明,当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时,其各方面的刚度系数均有不同程度的降低.研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构,提高其综合性能具有一定的意义.

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。

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。

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。

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。试验过程的模拟分析表明,"L"型下推杆引起的横向偏载是影响纯弯曲试验的主要因素,最大横向偏载可控制在4.783 N。试验结果和有限元分析结果及理论计算值取得了很好的一致性。与有限元分析结果相比,试验结果和理论计算值都稍偏小,试验值最大偏差为3.87%。该装置为光学反射镜柔性支撑的试验研究提供了有效的解决方案。

具有柔性铰链的差式微位移放大机构

阐述了差式微位移放大机构的基本设计原理，分析了机构中位移损失的原因。研制的放大机构具有较好的放大效果，而且机构的位移输出线性特性也较好。采用片状柔性铰链成功地解决了由于机构中的位移干涉造成的机构内部反力太大的问题。

基于柔性铰链的微位移放大机构设计

为了对柔性铰链进行优化设计,定义了一个新的参数并用它来讨论5种常见的柔性铰链—直梁型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链。首先建立了一个柔性铰链的有限元模型并用理论分析验证它的正确性。由于刚度是影响柔性铰链性能的最重要的参数,定义了一个参数λ——柔性铰链凹口处长与宽的比值。然后通过有限元分析得出5种柔性铰链刚度比值ε的曲线,并且基于此比值设计了一个压电致动器的微位移放大机构。本文的设计方法以及刚度比ε有助于我们设计这一类型的微位移放大机构。

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。

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。