基于APDL的柔性铰链位移放大机构
柔性铰链位移放大机构设计
柔性铰链位移放大机构1 机构简介柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。
在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。
较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动；⑶免于磨损，提高寿命；⑷免于润滑，避免污染；⑸增大结构刚度。
柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。
伴随着微纳米技术所引发的制造、信息、材料生物和医疗等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子的微制造和微操作、微机电系统和生物医学工程等纳米定位中得到了广泛的应用。
在精微领域，柔性机构可以设计作为传动装置执行器和传感器等，不过，距离实际应用还面临若干理论与技术层面上的挑战，相对刚性机构而言，柔性机构的系统研究不过才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善。
2 机构的结构特征本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。
因此放大机构放大倍数必须大于6.67，所以选用的是一种两级对称式柔性铰链位移放大机构，图1为该放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微转动变形实现运动的传递或位移的放大。
整个机构为对称式结构,有较高的整体刚性,输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递,理论上可完全消除机构的侧向附加位移,有效地减小了自身的纵向耦合位移误差。
基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析
基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析ﻭﻭ全柔性机构是一种新型机构,通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。
为了达到精密运到的目的,全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。
压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声.然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放。
目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构.ﻭ基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放失真严重。
ﻭ而根据放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了关注。
ﻭJuｎHyuｎg Kim等人采用矩阵法建立了柔性链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放等特性。
N. Loboｎt ｉu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。
张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性链的刚度和应力模型。
本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式,在所建模型的基础上,进一步分析了桥式放大机构的刚度、放等特性，采用AＮＳYＳ软件进行仿真,并设计了相关的验证实验。
1 桥式放大机构数学模型柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。
为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。
桥式微位移放大机构采用全对称设计,其由4个柔性支链组成,因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。
ﻭ为便于分析，作如下假设:ﻭ1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ2）材料为均匀的各向材料；3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；4）柔性链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。
基于类V型柔性铰链的微位移放大机构
基于类V型柔性铰链的微位移放大机构刘敏;张宪民【摘要】A micro-displacement flexure amplifier was designed based on a high accuracy quasi-V-shaped flexure hinge to reduce its parasitic motion and to improve its dynamics performance.The performance of the quasi-V-shaped flexure hinge was compared with that of a common high accuracy right circular flexure hinge.In consideration of the central offset during the rotation of flexure hinge, the amplification ratios of secondary-lever micro-displacement mechanisms based on the quasi-V-shaped flexure hinge and the right circular flexure hinge were derived on the basis of the theories of elastic mechanics and material mechanics.The finite element model was established with ANSYS software to verify the theoretical derivation of amplification ratios of displacement.The amplification ratios of displacement, the parasitic motions and inherent frequencies of the two kinds of amplifiers mentioned above were compared.The finite element results show that the amplifier based on quasi-V-shaped flexure hinge has smaller parasitic motion but higher inherent frequency,and its first two-order inherent frequencies are 1.68 times and 1.41 times of those based on right circular flexure hinge.Finally, the amplification ratios of displacement and the parasitic motions for the two kinds of amplifiers were measured by a micro-vision measurement system.The experiment results show that the amplification ratios and relative parasitic motion ratios of amplifiers based on quasi-V-shaped and right circular flexure hinge are 4.387 and 4.529 aswell as 0.3147 and 0.3342 respectively.It concludes that the parasitic motion is effectively reduced and the dynamics performance is improved if the quasi-V-shaped flexure hinge is used in the micro-displacement amplifiers.%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.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)004【总页数】10页(P999-1008)【关键词】位移放大机构;类V型柔性铰链;直圆型柔性铰链;寄生运动;固有频率【作者】刘敏;张宪民【作者单位】华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510641;华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州 510641【正文语种】中文【中图分类】TH132随着精密工程、精密测量、微机电系统(MEMS)以及机器人等领域的快速发展，柔顺机构的应用越来越广泛且有着巨大的优势和潜力，尤其是在轻型、微型化领域[1-4]。
基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析
（ｈ ｎ ｈ ｉ Ｓａｇａ Ｍａｉｅ Ｅ ｕｐ ｎ ｅｅｒｈ Ｉｓｔｔ，ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ， Ｃ ｉａ ｒ ｑ ｉｍｅｔＲ ｓａｃ ｎｔｕｅ Ｓ ａ ｇ ａ ｎ ｉ ２ ０ ３ １ ｈｎ ）
Ａｂｔａｔ Ｂ ｃｕｅ ｏ ｅｌｓ ｖ ｖ ｏｅｊｕｎ ｙｏ ｉ — ｔ ｅ ｌ ｔｃｔ ｅｄ ｂｃ ｊｔ ｉｅ ｅｖ ｖｌ ， ｄｓｌｃｍ ｎ ｓｎｒ ｓ ｓ ｃ： ｅａｓ ｆｔ ｅｓ ａ ｅｃｒ ｏｒｅ ｆｔ ｒ ｓ ｇ ｅ ｃｒ ｉ ｆｅ — ａ ｋ ｅ ｒ ｈ ｌ ｈｄ ａ ｅｉ ｙ ｐｐ ｓｒｏ ａ ｅ ｉ ａｅ ｅ ｔ ｅｏ ｉ ｖ ｐ
Ｋｅ Ｗ ｏ ｄ ： ｔｉ — ｔｇ ｅ ｃ ｃ ｙ ｅ ｄ ｂ ｃ ；ｊｔ ｉ ｓ ｒ ｖ ｌｅ ｌ ｘｂｅ ｉｇ ｓ ｙ ｒ ｓ ｈｒ ｓ ｅ ｌ ｔ ｉ ｆｅ — ａ ｋ ｅ ｄ ａ ｅｒ ｔ ｉ ｐｐ ｅｖ ａｖ ；ｆ ｉ ｈｎ ｅ ；ｍｉ ｏ ｉ ｌｃ ｍｅ ｔ ｅ ｏ ｅ ｌ ｃ ｄｓ ａ ｅ ｎ ｍａｎｆｉｇ ｒ ｐ ｇ ｉ ｎ ｍｅ ｈ ｎｓ ； ｙ ｃａ ｉ ｍ
ｆ ｉ ｅ ｅ ｎ ａ ａｙ ｉ ｉ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｎｅ
Ｈｖ ａ ｌｃ ｅ ｍ ａｉ ｓ＆ Ｓ ａ ｓＮＯ １２０１１ ｄｒ ｕ ｉｓ Ｐｎ ｕ ｔｃ ｅ ｌ／ ． ．
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
２０ ３ ） ０ ０ １ （ 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 ： Ｈ１ ７５ Ｔ ３． 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ８ ０ １ （０ １０ — ０ ７ ０ １０ — ８３ ２ １ ）１ ０ １— ４
基于柔性铰链的微位移放大机构设计
刚度是决定柔性铰链性能的重要参数。对于含有较 多柔性接头的机构和复合柔性铰链来说，理论估计有一 定的局限性。对于设计此类柔性铰链，有限元分析方法 是一种有效的设计方法。在本节，通过研究最常用的柔 性铰链——直圆型柔性铰链，并利用其成熟的理论公式 来验证有限元模型。
图 1 直圆型柔性铰链的结构图 Fig.1 Structure diagram of right circular flexure hinge
Table 1 Results of theoretical analyses and FEA
R(mm)
kx (N/m)×108 Analytic FEA Error%
kαz (Nm/rad) Analytic FEA Error%
2.0
2.59 2.36 8.92
10.05 9.71 3.41
2.5
2.1 理论推导
如图 1 所示的直圆型柔性铰链，其设计公式最先由
Paros 和 Weisbord[6]推导出来并讨论了在柔性铰链三个坐
标轴方向施加载荷所引起的转角和线性位移。吴鹰飞和
周海英[13]从基本材料力学出发推导了一组设计公式，其
结果在数值上与 Paros 公式相同。选择后者作为理论计算
的依据。
1引 言
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一，微位移 技术随着微电子、宇航和生物工程等学科的发展而迅速 发展起来。柔性铰链以其无空回和无机械摩擦、运动平 滑以及分辨率高等优点广泛的应用在科研以及工业装置 中。这些装置包括微位移平台[1]、超精密机械加工[2]、微 夹持器[3]、加速度计[4]、陀螺仪、扫描隧道显微镜[5]、运 动导轨、导弹控制装置、高精度照相机、天线和阀等。
Kα z
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 ４ ３ ０ ０ ６ ３
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
ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｐ ｕ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｉ ｎ ｔ ｏ ａ ｎｇ ｕｌ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｏ ｕｔ ｐｕ ｔ ．Ｔｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｓ ｉ ｔ ｓ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎｅ ｓ ｓ， ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｙ ｐｅ， ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ， ａ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕｔ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ａｎ —
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 、
基于APDL的柔性铰链位移放大机构
D isplacem en t magn ify ing m echan ism w ith flex ible h inges ba sed on APDL ZOU Xiang, L I Guo2p ing, SHEN J ie, HAN Tong2peng
( Facu lty of Eng ineering, N ingbo U n iversity, N ingbo 315211, Ch ina) Abstract: In order to magnify the output disp lacement of p iezoelectric actuators, a disp lacement magnifying mechanism with flex2 ible hinges was developed for p iezoelectric actuators. Its parametric modeling method was p roposed, and it was also analyzed by using ANSYS software parametric design language for finite element analysis. The test results indicate that the linearity degree is high between the output disp lacement and the input disp lacement of the magnifying mechanism w ith flexible hinges, and the error of the real output disp lacement of the magnifying mechanism w ith flexible hinges is below five percent by the data on p rincip le of disp lacement magnifying mechanism output disp lacement. It is p roved that the mechanism can meet the requirements of the dis2 p lacement magnification. Key words: flexible hinge; ANSYS parametric design language (APDL ) ; disp lacement magnification; simulation and analysis
基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计
大机 构 ＿ ３ ］ 、 差 动 杠 杆放 大机 构 ］ 、 三 角 放 大 机 构 ］
和桥 式放 大机 构 等 。杠 杆放 大机 构原 理 简单 ， 易
理设计 的桥 式放 大 机 构具 有 结 构 紧凑 、 分 析 简 单 和 位移放 大增 益 较大 等优 点 。 因此 ， 桥 式 放 大 机 构 近 几 年得 到 了广泛 研究 与应 用 。 结 构柔 度直 接影 响到 柔性微 位 移放 大机 构 的整 体 性能 ， 很 多学者 采 用 不 同 的建 模 方 法 对 柔 性 机构 的结构 柔度 与放 大 性 能 进 行 了 研究 ｌ ＿ １ ¨ ］ ， 但 基 本都
设计 ， 最终输 出位移行程与有限元仿真设计 的结果误差率 为 ３ ． ８ ｏ 。基 于柔性铰链 的结构参 数 ￡ 和柔度 比 Ａ对柔
性 放 大 机 构 进行 参 数 化设 计 是 可 行 且 正 确 的 ， 有 利 于这 一 类 柔 性 放 大 机构 的优 化设 计 。
关键词 柔性铰链 ； 柔 性 放 大 机 构 ；结构 参 数 ； 柔 度 比 ；参 数 化设 计
出 了一 个 通 用 的 结 构 参 数 ｅ ， 探讨 了￡ 对 不 同 柔性 铰链 柔 度 系 数 的 影 响 规 律 ， 并 横 向 比较 了 常 用 柔 性 铰链 的柔 度 特
性 。另一方面 ， 基 于 柔 度 特 性 的影 响分 析 ， 提 出 了 新 的 参 数 柔 度 比 ， 重 点 分 析 了不 同 柔 度 比 的 柔 性 铰 链 主 要 输 出 位移 形 式 的 灵 敏 度 。 以实 际 的桥 式 柔 性 微 位 移 放 大机 构 为 例 ， 利 用参数 ｅ 和 实 现 了该 柔 性 放 大 机 构 的参 数 化 设计， 并 用 有 限 元 软 件 进 行 了仿 真 计 算 。实 验 测 量 结 果 表 明 ， 对 基 于 柔 性 铰 链 的柔 性 微 位 移 放 大 机 构 进 行 参 数 化
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摘 要 :针对压电陶瓷微位移驱动器输出位移范围小的局限性 ,应用柔性铰链位移放大原理 ,设计了一
种柔性铰链微位移放大机构 ,提出了柔性铰链杠杆放大机构的参数化数学建模方法 ,并采用 ANSYS参
数化程序设计语言 (APDL )编写了柔性铰链杠杆放大机构的建模和仿真分析程序 。仿真试验表明 ,所
优化设计 [ J ]. 机电工程 , 2006, 23 (1) : 55 - 57, 46. [ 4 ] SM ITH T S, BADAM I V G, DALE J S, et al. Ellip tical.
flexure. hinges[ J ]. REV. Sc .i In strum , 1997, 68 (3) : 1474
- 1483. [ 5 ] SM ITH S. Flexures: Elements of Elastic M echanism s[M ].
New York: Gordon and B reach Science Publishers, 2000. [ 6 ] LOBONTIU N , PA INE J S, N IGER IA E, et al. Cornerfil2
收稿日期 : 2008 - 08 - 08 基金项目 :浙江省自然科学基金资助项目 ( Y107792) ;宁波市自然科学基金资助项目 (2008A610037) 作者简介 :邹 翔 (1982 - ) ,男 ,湖北当阳人 ,主要从事 CAD /CAM 方面的研究. E2mail: zouxiang16888@163. com 通讯联系人 :李国平 ,男 ,副教授. E2mail: liguop ing@ nbu. edu. cn
第 2期
邹 翔 ,等 :基于 APDL的柔性铰链位移放大机构
·71·
平动 ,由于结构具有对称性 , E 点只发生向前的平动 ,
其平动位移为 :
EE1 = CE ×tanθ
(1)
同理 D 点位移为 :
δ=DD1 = CD ×tanθ
(2)
通过式 (1)、式 (2)推导出杠杆放大机构解析模型为 :
δ 1
0 引 言
柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动 和支撑机构 ,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类 似普通铰链的运动传递 ,具有无摩擦 、运动灵敏度高的 特点 [ 1 ] 。在微型机械中 ,柔性铰链常作为位移放大机 构 ,可将位移放大到数百微米 ,放大倍数可达几倍到几 十倍 ,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用 领域 [ 223 ] 。但是柔性铰链位移放大机构的结构复杂 ,有 时需要多次修改模型才能满足要求 ,如果按照传统的 三维建模思路 ,势必大量增加重复的工作量 ,而且对于 超精密复杂机构不能完全转换 ,造成修改的复杂性 。
图 1 一级对称式柔性铰链放大机构原理图
2 位移放大机构参数化实体建模
从图 1可以看出 ,柔性铰链位移放大机构的设计 与分析较复杂 ,单纯运用三维软件进行设计与分析已 经不能达到要求 。采用 APDL 语言编写了建模与仿真 程序 。APDL 是 ANSYS软件提供的参数化程序设计 语言的简称 ,是一种类似于 FORTRAN 的解释性语言 , 既可以自动完成有限元常规分析操作又可以通过参数 化变量法建立机构分析模型 。参数化建模是指用参数 (变量 )而不是用数字建立和分析模型 ,通过简单地改 变模型中的某些参数值就可建立和分析一个新的模 型 [ 8 ] ,即先用一组参数来定义几何图形的尺寸数值并 约束尺寸关系 ,然后修改参数以达到不同几何造型的 目的 。其主导思想是用几何约束 、数学方程与关系来 说明产品模型的形状特征 ,从而得到一系列在形状上 具有相似性而结构尺寸有所差异的实体 。
D isplacem en t magn ify ing m echan ism w ith flex ible h inges ba sed on APDL ZOU Xiang, L I Guo2p ing, SHEN J ie, HAN Tong2peng
( Facu lty of Eng ineering, N ingbo U n iversity, N ingbo 315211, Ch ina) Abstract: In order to magnify the output disp lacement of p iezoelectric actuators, a disp lacement magnifying mechanism with flex2 ible hinges was developed for p iezoelectric actuators. Its parametric modeling method was p roposed, and it was also analyzed by using ANSYS software parametric design language for finite element analysis. The test results indicate that the linearity degree is high between the output disp lacement and the input disp lacement of the magnifying mechanism w ith flexible hinges, and the error of the real output disp lacement of the magnifying mechanism w ith flexible hinges is below five percent by the data on p rincip le of disp lacement magnifying mechanism output disp lacement. It is p roved that the mechanism can meet the requirements of the dis2 p lacement magnification. Key words: flexible hinge; ANSYS parametric design language (APDL ) ; disp lacement magnification; simulation and analysis
利用杠杆放大原理设计的柔性铰链一级位移放大 结构示意图如图 1所示 。当在杠杆 AB 中心施加一个 输入位移 δ时 ,位移通过柔性铰链 D 作用 ,使得杠杆 CE绕 C铰链转动 ,转动角为 θ,此时杠杆 EF推动杠杆 GF转动 ,转动角也为 θ,从而推动 HM 输出位移 。从 图 1可以看出 : E点一方面绕铰链 C转动 ,一方面向前
设计的柔性铰链杠杆放大机构的输入位移与输出位移线性度高 ,实际放大位移与理论值相差 5% ,完全
可以满足机构的微位移放大要求 。
关键词 :柔性铰链 ; ANSYS参数化设计语言 ;位移放大 ;仿真分析
中图分类号 : TH122 文献标识码 : A
文章编号 : 1001 - 4551 (2009) 02 - 0070 - 03
(2) 参数化建模流程图及其说明 。基于 APDL 的 位移放大机构设计与仿真流程图如图 3 所示 。图中 “定义关键点参数化坐标 ”、“生成长方体和圆柱体 ”、 “体相减 (布尔运算 ) ”是参数化实体建模过程 。此过 程避免了建模的重复性 ,只要修改参数就可以得到不 同的放大机构模型 ;有限元网格划分采用混合划分模 型 ,并且在柔性铰链处进行了局部细化 ,得出的有限元 模型更加逼近实体模型 ;载荷是施加的集中力载荷 ;求 解算法采用的是迭代求解算法 ,该算法可以达到 10 - 8 的计算容差 ,精度相当高 。整个设计和分析过程均采 用 APDL编程 ,可以满足重复多次的分析 ,当要得到不 同的放大倍数时 ,只要修改其中参数就可以达到目的 , 极大地提高了设计与分析效率 。
第 26卷第 2期 2009年 2月
机 电 工 程
M echanical & Electrical Engineering M agazine
Vol. 26 No. 2 Feb. 2009
# 机械设计及制造 !
基于 APDL 的柔性铰链位移放大机构 3
邹 翔 ,李国平 ,沈 杰 ,韩同鹏
系 ; ④采用结构对称性设计可有效地消除机构中的纵
向耦合误差 ,达到提高放大机构功效的目的 ,并且机构
刚性得到了大大提高 。
体 。笔者以左边部分为例建模 。过程如下 : (1) 关键点设定 。根据图 2中放大机构的结构特
征 ,采用自上而下的建模方法 。关键点的标定如图 2 所示 ,长方体关键点有 8个 ,对应图中 a1 ～a8; 圆柱体 关键点有 12个 , 对应图中 b1 ～b12 , 限于篇幅 , 图中只 给出 a1 ～a4 和 b1 ～b2 。
一级对称式柔性铰链放大机构关键点设计图如图 2所示 ,由于机构具有对称性 ,建模时可以先建立一 半 ,然后用 APDL 中的对称语句得到放大机构全部实
·72·
机 电 工 程
第 26卷
3 放大机构有限元分析
根据图 2的 APDL程序分析得出的位移放大机构 平均位移放大仿真图如图 4所示 ,从图 4中可以看出 , 最大 输 出 位 移 为 9. 22 μm , 而 输 入 平 均 位 移 为 4. 9μm ,有限元仿真的值与理论值相差约 5%左右 ;平 均等效应力仿真图如图 5 所示 ,从图中可以看出最大 等效应力为 11. 369 M Pa,远小于材料的许用应力 ; 仿 真和理论计算的对比图如图 6所示 。从图 6中可以看 出 : ①输出位移与输入位移的曲线线性度都很好 ; ②输 出位移与理论位移相差 5%。
参考文献 ( References) : [ 1 ] 刘德忠 ,许意华 ,费仁元 ,等. 柔性铰链放大器的设计与加