微进给机构的柔性铰链设计与有限元分析

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柔性铰链微动机构的分析与设计（精品pdf）

七、柔性铰链微动机构的分析与设计一. 实验目的1.认识柔性四连杆机构的形貌2.了解柔性铰链工作台的工作原理及应用前景3.掌握柔性铰链的分析与设计方法4.掌握微位移工作台的分析与设计方法二. 柔性铰链微动机构的用途与发展前景由于宇航和航空等技术发展的需要,对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。

随后，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴形波导管天线等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。

如日本工业技术院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3分的角度范围内，达到了1000万分之一度的稳定分辨率。

近年来，柔性铰链又在精密位移工作台中得到了实用。

柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再配合压电陶瓷驱动器可实现微小位移，可适合各种介质环境工作。

微位移技术直接影响到微电子技术等高精度工业的发展，如微电子技术随着集成度的提高，线条越来越微细化，与之相对应的工艺设备：光刻机、电子束和x射线曝光机等，其定位精度要求为线宽的1／3～1／5，即亚微米甚至纳米级的精度，这就要求精密工作台具备相应的技术水准，柔性铰链是关键技术之一。

三. 柔性铰链工作台的结构a) 单柔性四连杆b) 双柔性四连杆图7-1 单、双柔性四杆机构变形原理图为保证位移方向的直线性，柔性工作台一般由平行四杆结构的铰链组成。

单柔性平行四杆机构沿一个移动方向产生位移时，在其垂直方向同时产生一个交叉耦合位移，参见图一中的Δ，且随柔性铰链弯曲偏转角的增大而增加，而双柔性平行四杆机构（图7-1b），由于结构对称，当沿一个方向受力产生位移时，两侧铰链均产生交叉耦合位移。

即：如果加工完全对称，双柔性平行四杆机构能产生严格的直线运动，从原理上克服了单柔性平行四杆机构易产生交叉耦合位移的缺陷，是超精密定位系统的首选结构，双柔性工作台结构参见图7-2。

单边直圆型柔性铰链位移精度的有限元分析

ｅｐｌｙｅｏｓｕｄｈｅｒｌｔｏｓｐｂｔｅｎｔｅｂａｉｏｔｕｔｏｒｍｅｅｓｏｅｕｅｈｉｇｎｈｗｏｍｄｔｔｙｔｅａｉｎｈｉｅｗｅｈｓｃｃｎｓｒｃｉｎｐａａｔｒｆｆｘｒｎｅａｄｔｅｔｏｌ
ＳＨＥＮｉｎ—ｉｇ，ＬＩＪ— ＪａｙｎｉＷＵ，ＺＨＡＯｎＹｕ
（ｏｌｅｏｃａｉｌｅｅｔｃｌｎｉｅｒｇＪｘｎｎｖｒｔ，ｈｊｎｉｉ１０１ＣｉａＣｌｇｆｅｍｅｈｎａ＆ｌｒａｅｇｎｅｎ，ｉｉｇＵｉｓｙＺｅｉｇＪｘｇ３４０，ｈｎ）ｃｃｉｉａｅｉａａｎ
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：着最小厚度的增随
大，移精度系数减小，偏移率就增大；割半径增大，移精度系数增大，偏移率减小，宽度位而切位则而
第３期２１０１年３月
组合机床与自动化加工技术
ＭｏｄｕｌａｈｉｏａｒＭｃｎｅＴｏｌ＆ＡｕｔｍａｉａｏｔｃＭｎｕｆｃｕｒｎｇＴｅｈｎｑａｔｉｃｉｕｅ
Ｎ０３．
Ｍａ．２１ｒ０１
ｐａｒＡａｔａｄｅｓｒｍｅｒｃｆｉｌｍｅｔａａｙｔｃｍｅｈｏａｅＰＤＬａｇｇＮＳｓｐｅ．ｆｓｎａｙｐａａｔｉｍｔｅｅｎｎｌｉｔｄｂｓｄｏｎＡｅｌｎｃｅｔ．Ｔｈｅａａｙｔｃｒｓｌｓｄｅｏｓｒｔｈｔｔｉｐｌｃｍｅｔａｃａｙｃｅｃｅｔｉｅｕｃｄａｈｏｅｉｎｓｉｎｌｉｅｕｔｍｎｔａｅｔａｈｅｄｓａｅｎｃｕｒｃｏｆｉｎｓｒｄｅｓｔｅｉｍｉｍｕｔｃｅｓｉｃｅｓｓｗｈｌｈｅｏｆｅａｅｉｃｅｓｄｎｄｔａｈｉｐｌｃｍｅｃｕａｙｃｅｆ－ｎｉｍｈｉｋｎｓｒａｅｎｉｔｆｓｔｒｔｓｉｒａｅ，ａｈｔｔｅｄｓｅｎｔａｃｒｃｏｆｅｎａｉ

基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

ＷＡＮＧＳ－ｎｉｍｉＹＵＮＸｉａＣＮＪｎｚｅｇＨＥｕ－ｈｎ
（ｈｎｈｉＳａｇａＭａｉｅＥｕｐｎｅｅｒｈＩｓｔｔ，ｈｎｈｉ００，ＣｉａｒｑｉｍｅｔＲｓａｃｎｔｕｅＳａｇａｎｉ２０３１ｈｎ）
ＡｂｔａｔＢｃｕｅｏｅｌｓｖｖｏｅｊｕｎｙｏｉ — ｔｅｌｔｃｔｅｄｂｃｊｔｉｅｅｖｖｌ，ｄｓｌｃｍｎｓｎｒｓｓｃ：ｅａｓｆｔｅｓａｅｃｒｏｒｅｆｔｒｓｇｅｃｒｉｆｅ — ａｋｅｒｈｌｈｄａｅｉｙｐｐｓｒｏａｅｉａｅｅｔｅｏｉｖｐ
ＫｅＷｏｄ：ｔｉ — ｔｇｅｃｃｙｅｄｂｃ；ｊｔｉｓｒｖｌｅｌｘｂｅｉｇｓｙｒｓｈｒｓｅｌｔｉｆｅ — ａｋｅｄａｅｒｔｉｐｐｅｖａｖ；ｆｉｈｎｅ；ｍｉｏｉｌｃｍｅｔｅｏｅｌｃｄｓａｅｎｍａｎｆｉｇｒｐｇｉｎｍｅｈｎｓ；ｙｃａｉｍ
ｆｉｅｅｎａａｙｉｉｔｌｍｅｔｎｌｓｓｎｅ
Ｈｖａｌｃｅｍａｉｓ＆ＳａｓＮＯ１２０１１ｄｒｕｉｓＰｎｕｔｃｅｌ／．．
基于柔性铰链微 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 移放大机构的设计和分析
王思民云霞陈军政
２０３）００１（国船舶重工集团公司上海船舶设备研究所，海中上
中图分类号：Ｈ１７５Ｔ３．文献标识码：Ａ文章编号：０８０１（０１０ — ０７０１０ — ８３２１）１０１— ４

基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析

基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析
黄志威梅杰明廷鑫胡吉全陈定方

武汉理工大学物流工程学院
摘
武汉４３００６３
要：针对传统机械式微位移机构无法实现高精度定位的问题，采用半圆型柔性铰链设计了一种反对称
ｗｈｉｃｈｃａｎａｍｐｌｉｆｙｔｈｅｉｎｐｕｔｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｔｉｎｔｏａｎｇｕｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｉｔｓａｎｇｕｌａｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｙｐｅ，ｓｔｕｃｒｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔａｔｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＡｎ —
性铰链与传统铰链相比，具有无间隙、无摩擦、
运动灵敏度高等优点。但传统铰链允许较大的相对转动，而柔性铰链只允许很小的相对转动。在精密工程中，基于柔性铰链的柔性放大机构作为微位移放大器，可将压电陶瓷驱动器的输出位移放大到几十甚至几百微米，以实现较大行程范围内的精密位移驱动。柔性放大机构有多种放大原理，如桥式原理、

微驱动定位进给系统结构优化设计研究

机械设计与制造
第5 驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻
圆园19 年 5 月
微驱动定位进给系统结构优化设计研究
王明强，奚浩，周赟，纪飞飞
（江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江 212003）
摘要：当前宏微双驱动定位进给系统中微驱动平台力学性能差、精度低，且柔性铰链作为微驱动平台关键部分，直接影响着微驱动平台的定位精度等各项性能。为此，采用 OptiStruct 软件对微驱动定位进给系统的柔性铰链进行结构拓扑优化后，以工程塑料（ABS）为原材料通过 3D 打印进行加工。利用有限元对整个微动平台系统进行模态分析并通过模态试验进行了验证。最终获得柔性铰链以及整个微动平台的最优结构，在保证结构刚度、精度的同时达到了结构轻量化的目的。关键词：微动平台；定位进给；工程塑料；柔性铰链；拓扑优化；模态实验中图分类号：TH16；TH122 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆园19）05-0194-05
王明强等：微驱动定位进给系统结构优化设计研究
195
载荷、可靠性以及实际加工需要，采用串联式设计方法进行微驱
1，2，3，…，n；变量 n—微动平台单元个数。
动平台的设计。可以分别在两个方向进行独立输入输出控制，并
最小位移为目标函数则有：（f x）=Umax 臆［U］
来稿日期：2018-11-09 基金项目：2016 年度镇江市重点研发计划（GY2016002）作者简介：王明强，（1964-），男，浙江海宁人，硕士研究生，研究生导师，教授，主要研究方向：数字化设计与制造；
奚浩，（1992-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要研究方向：数字化设计与制造
第5期
粤遭泽贼则葬糟贼：A t present，the micro drive platform in macro micro dual drive positioning feed system has the disadvantages of poor mechanical performance and low precision. A nd flexible hinge is the key part of the micro drive platform，it has a direct impact on the positioning accuracy of the micro drive platform. In this paper，the structure of the flexible hinge was optimized by OptiStruct software firstly，and then the flexible hinge was made of elastic plastic（ABS）by 3D printing. The finite element method is used to carry out modal analysis and verified by modal test. A nd finally we obtained the optimal structure of the flexible hinge and the whole fretting platform，not only ensure structural stiffness and accuracy，but achieve the purpose of lightweight structure too. Key Words：Micromotion Stage；Positioning Feed；Engineering Plastics；Flexure Hinge；Topology Optimization；Modal Experiment

柔性铰链微定位平台的设计

柔性铰链微定位平台的设计马立;谢炜;刘波;孙立宁【摘要】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.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)002【总页数】8页(P338-345)【关键词】微定位平台;桥式机构;平行板机构;柔性铰链;有限元分析;优化设计【作者】马立;谢炜;刘波;孙立宁【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;苏州大学机器人与微系统研究中心,江苏苏州215021;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;苏州大学机器人与微系统研究中心,江苏苏州215021;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TP2421 引言随着现代科学技术的飞速发展，微／纳米定位平台在微机电系统、航空航天、超精密加工、微外科手术、光学精密工程、电子及生物医疗等领域得到了广泛的应用［1－5］。

而采用压电陶瓷驱动的柔性铰链机构，兼具压电陶瓷的位移分辨率高、体积小、响应速度快、输出力大及静态不发热等特点和柔性铰链的无机械摩擦、不需要润滑、体积小、运动灵敏度高等优点，应用更为广泛。

不过由于压电陶瓷的输出位移微小，要想获得较大的运动行程，需在确保高分辨率的情况下，放大压电陶瓷的输出位移。

管状柔性铰链的有限元分析

管状柔性铰链的有限元分析基于薄壁圆筒的单开口管状柔性铰链是一种新型的柔性铰链，其优点是内部可设置钢丝等传动机构，用途更为广泛。

应用有限元软件对管状柔性铰链在受力作用下的形变和应力状态进行研究，得出受力和形变具有非线性关系特征。

标签：管状柔性铰链；有限元；非线性关系1 概述典型的柔性铰链机构是通过对实体梁进行切削加工，形成不同形状开口的弹性部位作为柔性铰链，根据柔性铰链的开口形状可分为直梁型、圆角形、抛物线形和双曲线型等[1]。

其中直圆形柔性铰链如图1（a）所示。

文章提出一种新的柔性铰链形式，通过对薄壁管进行切削加工，形成圆弧切口，在外力作用时该结构产生可逆的弹性形变，由此具备弹性铰链的特性，称之为管状柔性铰链，如图1（b）所示。

较之于传统柔性铰链，其最大特点是铰链的连接部分是管状构件，可以在内部布置一些传动系统，比如：钢丝等。

此结构不仅具有一般柔性铰链的特点并且这种柔性铰链比一般铰链具有更大的工程应用范围。

（a）（b）图1 传统柔性铰链和管状柔性铰链2 管状柔性铰链模型仿照典型的直圆形柔性铰链[2]，利用UGNX6.0[3]建模软件建立了圆形开口管状柔性铰链模型，其外形尺寸如图2所示。

机构全长l=100mm，内径r=10mm，壁厚d=1mm，中心圆形开口直径R=10mm，圆心距底边垂直距离s=2.5mm。

圆形开口柔性铰链是最简单的柔性铰链，在以后的研究中，还可以做椭圆形、抛物线形或直角形等其他开口形式的柔性铰链。

图2 圆形开口管状柔性铰链尺寸3 研究方法及结果3.1 ANSYS模型建立和加载计算方法依据上述模型尺寸在ANSYS14.0软件中建立片体模型，由于机构对称，可建立1/2模型，如图3（a）所示。

由于机构内径远大于壁厚，采用壳单元对机构进行模拟，假设机构为薄壁圆筒，选择SHELL181单元。

SHELL181适用于薄到中等厚度的壳结构，具有应力刚化及大变形功能，该单元有强大的非线性功能，并有截面数据定义、分析、可视化等功能。

文献检索报告,作业,模版

课题名称：柔性铰链的设计方法研究一.分析研究课题1.背景分析二十世纪六十年代前后，由于航空航天技术的发展，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。

人们在经过对各类型的弹性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。

柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。

随后，柔性铰链被广泛的应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。

摘要一种柔性铰链是在一矩形立方体相对的两个面分别制有半径为R的圆弧底的凹槽，两圆弧顶点间距为柔性厚度t，两圆弧圆心轴与厚度t垂直，与两圆心连线平行的立方体二侧边为铰链的宽度h,h≥2R+t，此构成一个组成单元，柔性铰链是由1—5个单元组成的整体。

其可完成一维、二维、三维方向的角度调整，具有运动方程简单、一体化好、精度高、灵敏性和稳定性好的特点，还有结构简单、无机械空回、制作容易、使用方便的优点，适用于智能控制机构。

2.需解决的问题柔性机构历经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。

3.文件检索的要求（1）所需的文献内容、水平。

紧贴本课题的要求的文献，文献能够代表当今该技术领域的研究水平。

（2）所需文献的时间、地域、类型、文种：原文发表时间（年代）：为近十年发表的文献；原文发表地域：不限国别；原文文献语种：中英文；原文出版类型：不限文献类型，重点检索“期刊论文、学位论文、会议文献、专利（科技成果）、标准”等文献。

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微进给机构的柔性铰链设计与有限元分析
黄海滨，曹林攀，柯晓龙，刘建春，２
（１．厦门理＿Ｔ－－学院机械与汽车工程学院，福建厦门３６１０２４２．精密驱动－９传动福建省高校重点实验室，福建厦门３６１０２４）
一
；孙宝玉等采用ＡＥ０５０５Ｄ１６型层叠式ＰＺＴ器件作为驱动器，柔性铰链作为导向机构，设计了
种超精密压电式微位移机构，定位准确度得到显著提高；朱振华以压电陶瓷位移特性、平行铰
链和控制系统理论为基础，结合微位移传感技术，开发了实用化压电驱动微进给装置；王宏亮设
料的可逆弹性变形来产生运动或传递能量．柔性铰链具有以下特点：无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、空间尺寸小、运动灵敏度高等．柔性铰链的这些特点，使其被广泛地应用于高精加工的微动平台上．国内很多高校和研究机构对柔性铰链在精密微进给上的应用做了多方面的研究：于靖军等以全柔性机构为研究对象，给出一种基于机构动力学性能的结构优化设计方法，有效地完成机构的尺度综合
微进给机构不仅广泛应用于各种精密测量仪器，而且在多种控制系统中充当微位移作动器，目前常见的微进给机构一般是利用材料的弹性变形、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料等实现微进给］．柔性铰链是一种特殊的传动结构，用于提供绕轴做复杂运动的有限角位移，它利用材
・１５・
如表１所示，本柔性铰链材料的屈服强度为＝７５０ＭＰａ，选取安全系数ｓ＝２，则柔性铰链的许用应力为［］ — ：
因此，
Ｓ
：３７５ＭＰａ
（５）
１４０ＭＰａ《［ｏｒ］．由此可见，因施加载荷使柔性铰链微进给平台结构产生的应力均远小于材料的许用应力．
［摘
要］设计一套以音圈电机为驱动电机，柔性铰链为支承元件，碟形弹簧为减震机构的微进给机
构．柔性铰链采用双平行四杆机构的结构形式，计算了柔性铰链在音圈电机峰值推力作用下的最大输出位
移和最大应力值．通过有限元分析柔性铰链在不同推力作用下的应力、应变图，发现在音圈电机最大推力
［中图分类号］ＴＨ１２２［文献标志码］Ａ［文章编号］１６７３— ４４３２（２０１４）０５— ００１２一ｏ４
微进给机构是指行程小、灵敏度和精度高的机构，是精密机构与精密仪器的组成部分之一，
第２２卷
第５期
厦门理工学院学报
ＪｏｕｎａｒｌｏｆＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．２２Ｎｏ．５
０ｃｔ．２０１４
２０１４年ｌＯ月
［作者简介］黄海滨（１９８３一），男，讲师，博士，研究方向为精密加工、机器人系统．Ｅ — ｍａｉｌ：２０１０１１０８１７＠
ｘｍｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
１Ｊ
］｛
１ｊ
１ＪΒιβλιοθήκη 第５期黄海滨，等：微进给机构的柔性铰链设计与有限元分析
小活塞及压力调节和测量装置构成．
国内学者的研究多把柔性铰链应用在压电陶瓷上，以音圈电机为驱动元件的较少，本文设计了一套以音圈电机为驱动元件的微进给机构，其执行元件为柔性铰链，采用了双平行四连杆结构来满足微进给机构高频高精度的要求．
８００Ｎ作用下，柔性铰链的最大应变为２２４．６７ｍ．分析结果证明，所设计的直圆形双平行四连杆柔性铰链
能够满足微进给机构的往复进给行程要求．
［关键词］微进给机构；柔性铰链；有限元分析；平行四连杆机构；静力学分析
计了基于柔性铰链的整体式镗刀微进给机构，并进行了受力分析和安全校核，对双压电陶瓷驱动方法
和控制理论进行了阐述，并进行了原理性验证实验；姜文锐设计了一套微进给系统，得出柔性铰链的各几何尺寸对预压装置的静态特性的影响，从而实现优化设计；俞军涛等设计出一种新型的液压微位移放大结构并对最终结构进行刚度和强度分析，机构由柔性铰链膜片式大活塞、密闭容腔、
［收稿日期］２０１４—０６— ２５［修回日期］２０１４— ０９— ２６［基金项目］国家自然科学基金面上项目（５１３７５４１１）；福建省教育厅科技项目（ＪＡ１３２３２）；厦门理工学院高层
次人才引进项目（ＹＫＪ１２０１３Ｒ）