2008.9 圆弧型柔性铰链结构参数对其刚度性能的分析
直梁平行板型柔性移动副的刚度计算与分析
２０１３年１２月 第４１卷第２３期 机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ００Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｄｅｃ．２０１３ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．２３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．２３．０３９
直梁平行板型柔性移动副的刚度计算与分析
杨春辉
（华东交通大学轨道交通学院，江西南昌３３００１３）
摘要：柔性铰链是目前被广泛用于微动机器人的主要部件之一，其刚柔度性能直接影响微动机器人的终端定位。以材
料力学为理论基础，推导了直梁平行板型柔性移动副刚度的解析公式，利用有限元方法对柔性移动副刚度进行验证，分析 结果与解析公式的计算结果基本一致。并分析了平行板移动副的结构参数对其刚度性能的影响，为柔性移动副设计优化提
供参考。
关键词：平行板；柔性移动副；刚度；有限元 中图分类号：ＴＰ２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１【２０１３）２３—１４１—３
Ｓｔｉｆｎｅｓｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｓｔｒａｉｇｈｔ Ｂｅａｍ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ
ＹＡＮＧ Ｃｈｕｎｈｕｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｒａｃｋｓ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｊｉａｎｇｘｉ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｈｉｎｇｅｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｉｃｒｏ ｒｏｂｏｔｉｃ．Ｉｔｓ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ａｎ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ’Ｓ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｌｏｃａｌｉｚａ— ｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ ｓｔｉｆｎｅｓｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｓｍａｔｉｃ
针对柔性铰链式扭矩加载器的设计与制造研究
ＳＹＳ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ 系统管理
针对柔性铰链武扭矩加载器的设计与制造研究
摘要：扭矩测量在科研与生产中占据了非常重要的位置，采用正确的设计理念对扭矩加载 器的设计具有关键的影响。本文提出了一种柔性铰链扭矩加载器的设计方案，该柔性铰链扭矩 加载器的只需加载一个力就能够加载纯扭矩，具有结构紧凑，刚度较高的优点。 关键词：扭矩传感器；扭矩加载器；柔性铰链
一、扭矩加载器的设计方法
扭矩加载器的设计的关键是如何将一个不包含其他外力的 扭矩施加在承载物上，如何将扭矩加载器中由于摩擦所造成的
扭矩损失降低到一个最低的限度是扭矩加载器的设计的难点。 针对扭矩加载器中摩擦造成的扭矩损失，本文认为可以采用柔
性铰链装置代替传统的扭矩加载器的运动副来解决。
本文提出的扭矩加载器的设计思想是对扭矩加载器加
载单一的负荷，将其转换为一对力偶，从而实现添加纯扭矩
的目的。南于当多个载荷同时添加的时候，非常容易产生载
荷产生的不一致，很难实现精确的同步加载。而加载单一的 载荷则能够有效避免多个载荷加载时候的难题，并且可以保
证扭矩加载器整体上的架构紧凑性，是载荷转换的效率达到 最高。在设计扭矩加载器的过程中，本文提出了两种机构行
使。这两种扭矩加载机构都可以加载单一的载荷，如图１所 示。第一种扭矩加载器结构比较紧凑，转换效率比较高，但
整体的刚性并不好。而第二种扭矩加载器整体刚性较好，但
结构不如第一种紧凑。综合考虑以上两种设计模型，本文提
出下如图２所示的扭矩加载器。
一啊
图１扭矩加载器初始设计结构图
图２扭矩加载器
二、柔性铰链类型的工作原理
扭矩加载器产生的扭矩如何准确的加载到承载位置是本
文设计的难点。为了解决这一问题需要对机构副件的摩擦力
与变化特征进行详细的分析。柔性铰链是利用受力之后的弹
性变形来进行微小的运动。 柔性铰链类型的选择有多种，常见的形式是围绕一个轴
的弹性弯曲，这种弯曲是可以恢复的。根据单轴柔性铰链的
三种常见典型柔性铰链的非线性分析
维普资讯 同 Ｌ
．．．．．一 ■遗业位息化
因子。
（［Ｋ Ｊ＋Ａ［Ｓ］）｛ ｝－０
［Ｋ］：刚度矩阵；［Ｓ］：应力刚度矩阵；｛ ｝：位移特征矢
量；Ａ：特征值。
利用上面的公式可以求出结构的分叉点，具有分叉
屈曲的结构在达到屈曲载荷之前，其位移变形曲线表现
出线性关系，达到屈曲载荷后，曲线将跟随另外的路径。
本文就是根据以上的理论，先算出三种柔性铰链的
屈曲载荷。使用的这三种柔性铰链的直径均为￣ｂ５ｍｍ，通
过计算不同的切人半径尺和最小细颈处厚度ｔ变化，选
择出一组比较好的数据进行分析。因此改变三种柔性铰
链的几何参数尺和ｔ，得到多组数据，通过对下表的分析，
可以看出在切人半径尺不变的情况下，随着最小厚度ｔ
的增加，极限载荷变大；当最小厚度ｔ不变时，随着尺的
增加，极限载荷减小。极限载荷越大，承载能力越大。
柔性转动副、柔性虎克铰、柔性球副的极限载荷表／ｍｍ
５ ｌＯ ｌ５ ２０ ２５ Ｏ．１ ８３．１５３ ４３．６６９ ３０．３４ｌ ２３．６４６ ２０．１４９
Ｏ＿２ ３３２．５６ ｌ８４．４６ ｌ３２．５ｌ ｌ０５．７３ ８９．２９９
Ｏ．３ ７４８．１ｌ ４３３＿３８ ３ｌ８．６ｌ ２５８．４７ ２２０．８７ Ｏ．４ ｌ３２１．８ ７９４．１４ ５９６．４ ４９０．２４ ４２２．６６
５ ｌＯ ｌ５ ２０ ２５
Ｏ．１ ２．２９４ ０．８７７８３ ０．５０８３６ ０．４８０４４ Ｏ．３Ｏ４８
Ｏ．２ ７．０７ｌ４ ４．５０５６ ３．７９９ｌ ２．９４５３ ２．６４６６
Ｏ．３ ２３．７２ｌ ｌ６．１２８ ｌ３．１３４ １０．９３ｌ ９．７９８９
Ｏ．４ ５９．９２２ ４３．５５ｌ ３３．５ｌ７ ２８．３９６ ２５．５６７
５ ｌＯ ｌ５ ２０ ２５ Ｏ．１ ５．８５６９ ３．１６４７ １．３ｌ５ １．２９６ １．２６９ｌ
Ｏ－２ ５１．３９４ ４．６３９９ ３．５５３６ ３．３５７８ ２．４１９４
具有提升功能的新型柔性铰链设计
第!"卷第#期$%&#年#月哈’尔’滨’工’程’大’学’学’报()*+,-.)/0-+12,3,42,55+2,46,275+829:;).*4<$%&#
具有提升功能的新型柔性铰链设计
邱丽芳!陈明坤!冷迎春!王晶琳
!北京科技大学机械工程学院"北京&%%%#!$
摘’要!针对目前具有提升功能的柔性铰链设计较少的情况!设计了一种新型提升平板折展柔性铰链&9E5.2/92,4
.-K2,-5K5+45,9D)2,9!ONO3(’!给出了其三维结构!采用伪刚体模型法推导了该提升铰链的拉伸等效刚度计算公式"
通过对设计实例进行有限元仿真分析!并与应用公式计算得到的拉伸等效刚度理论值进行对比!得到拉伸刚度的
理论值与仿真值基本一致!误差在?k以内!验证了拉伸等效刚度计算公式的正确性"最后!通过"组不同结构参
数设计实例的理论计算和仿真分析!进一步验证了该拉伸等效刚度计算公式的有效性"
关键词!提升功能$柔性铰链$拉伸等效刚度$结构设计$仿真分析$平板折展机构
()*%&%B&&""%CDE5*<$%&F%&%G?
网络出版地址!E99A%CCHHH
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
ﻭ
ﻭ 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。ﻭ Juｎ Hyuｎg 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. Loboｎtｉu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:ﻭ 1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ 2）材料为均匀的各向材料；
单边直圆型柔性铰链位移精度的有限元分析
第３期
２０１１年３月 组合机床与自动化加工技术 Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｎ０．３
Ｍａｒ．２０１１
文章编号：ｔＯ０１—２２６５（２０１１）０２—００３３—０３
单边直圆型柔性铰链位移精度的有限元分析
沈剑英，李积武，赵 云
（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴 ３１４００１）
摘要：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。
关键词：单边直圆型柔性铰链；位移精度系数；偏移率；有限元法
中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标识码：Ａ
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ－ｎｏｔｃｈ Ｒｉｇｈｔ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｆｌｅｘｕｒｅ Ｈｉｎｇｅ
ＳＨＥＮ Ｊｉａｎ—ｙｉｎｇ，ＬＩ Ｊｉ—ＷＵ，ＺＨＡＯ Ｙｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｘｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｊｉａｘｉｎｇ ３１４００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉｓｐ ｌａｃｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｆｆｓｅｔ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｅ
ｐａｐｅｒ．Ａ ｆａｓｔ ａｎｄ ｅａｓｙ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｆｆｍｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＰＤＬ ｌａｎｇｕａｇｅ ｉｎ ＡＮＳＹＳ ｉｓ
倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析
倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析
肖圣龙
【摘 要】典型柔性铰链研究结果表明，柔性铰链的缺口形状对柔性铰链的疲劳性能具有本质影响，而具有特殊缺口形状的柔性铰链一直缺乏系统研究，其疲劳性能具有重要研究价值。尤其对于复合型柔性铰链，通过有限元仿真实验，计算其疲劳寿命，对于复合型柔性铰链的疲劳性能研究具有重要意义。基于有限元疲劳分析法，在一端固定，另一端承受力矩或力的边界条件下，对倒圆角直梁型柔性铰链进行疲劳分析，得到柔性铰链薄弱环节的寿命情况，进而掌握整个柔性铰链的使用寿命，为新型柔性铰链的工程设计提供了理论依据。%Typical flexible hinge results
show that the shape of the flexible hinge gap has essentially influence on
the fatigue performance of the flexible hinge, and flexible hinge has a
special notch shape has been a lack of systematic research, the fatigue
performance has important research value. Especially for complex flexible
hinge, Finite element simulations to calculate the fatigue life, the study of
fatigue properties of complex flexible hinge significance. Based on finite
element fatigue analysis under fixed at one end and the other end to
withstand the torque or force boundary conditions, rounded straight
单边直圆柔性铰链转动刚度的精确计算公式
单边直圆柔性铰链转动刚度的精确计算公式
吴鹰飞;周兆英
【期刊名称】《测试技术学报》
【年(卷),期】2002(016)0z1
【摘 要】柔性铰链无摩擦、无回退空程,在众多领域得到应用.单边直圆柔性铰链在要求结构尽可能紧凑的柔性铰链机构中被采纳.通过力学的分析和微积分的推导,得到了单边直圆柔性铰链转动柔度(刚度)的解析计算公式.验证了解析计算公式的准确性,并分析了现有公式的不足.给出的解析计算公式既简洁又精确,有利于单边直圆柔性铰链及其机构的计算、分析和优化.
【总页数】5页(P149-153)
【作 者】吴鹰飞;周兆英
【作者单位】清华大学,精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学,精密仪器与机械学系,北京,100084
【正文语种】中 文
【中图分类】U4
【相关文献】
1.单边直圆型柔性铰链位移精度的有限元分析 [J], 沈剑英;李积武;赵云
2.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 [J], 刘庆玲;王梓翰;于常娟
3.单边直圆柔性铰链的柔度计算与分析 [J], 于月民;丁元柱;于丽艳;盖芳芳;
4.结构参数对并联型双轴直圆柔性铰链刚度的影响 [J], 李成;何涛;陈国瑜;王传礼;蒋浩;季晨光
5.柔性铰链转动刚度计算公式的推导 [J], 吴鹰飞;周兆英
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一种柔性铰链转动精度的改进方法 精灵论文
一种柔性铰链转动精度的改进方法
宗光华，裴旭，于靖军
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）
摘要：传统切口型铰链在转动时，存在转动中心的漂移，如果柔性铰链转动角度不是很大，
5 铰链的转动中心在沿轴向的位移远小于在垂直轴线方向的位移，于是可对柔性铰链转动中心
漂移模型进行简化。提出将连接两刚体的两个切口型铰链正交放置且让转动中心轴线重合，
以便抑制柔性铰链转动中心漂移的设计方法。引入平面虚拟转动中心运动机构，实现铰链之
间的虚拟交叉约束。使用此方法，可以对不同切口形状铰链进行改进，以提高铰链的转动精
度。最后，设计了圆弧切口和直角切口的组合铰链，通过有限元仿真，与传统形式的铰链进
10 行了比较，仿真结果证明这种方法的有效性。 关键词：柔性铰链；转动精度；轴漂；虚拟转动中心 中图分类号：TH112
A WAY TO IMPROVE ROTATION ACCURACY OF
15 FLEXURE HINGES
Zong Guanghua, Pei Xu, Yu Jingjun
(School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University, Beijing 100191) Abstract:
When the rotation angle of a flexure hinge is small, the axial displacement of the hinge’s rotation
pivot is far less than the perpendicular displacement. The model of centre-shift of flexure
20 hinges is simplified. A way that cross two hinges which connect two rigid body and put the hinges’
空间曲线切口式柔性铰的设计
空间曲线切口式柔性铰的设计
李琳;杨勇
【摘 要】为了满足精密仪器连接部件的柔度和强度需求,以切口曲线为二次曲面和圆柱面的相贯线的柔性铰为例,研究了一类空间曲线切口式柔性铰的设计方法.推导了此类柔性铰转动柔度的一般设计计算公式,分析了设计参数对柔度特性的影响,在此基础上提出了此类柔性铰的设计方法.依据提出的方法设计了空间曲线切口式柔性铰,并利用有限元分析方法对设计实例进行了柔度和强度校核,同时建立了模态实验系统识别其柔度.结果表明,两种柔度校核结果与设计计算公式结果吻合较好,最大误差不超过5%,验证了设计方法的有效性,为此类柔性铰应用于精密仪器的工程设计提供了参考.此外,文中给出的有限元建模分析方法以及试验测试方法也可用于相同类型的精密构件的力学特性研究与分析.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2010(018)010
【总页数】7页(P2192-2198)
【关键词】柔性铰;柔度;有限元分析;实验模态分析
【作 者】李琳;杨勇
【作者单位】北京航空航天大学,能源与动力工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,能源与动力工程学院,北京,100191
【正文语种】中 文
【中图分类】TH133
1 引 言
在一般机械结构中,人们多用球铰实现两个部件的转动连接,但球铰是刚性铰,球与球壳之间存在间隙,会在工作过程中产生摩擦、碰撞,甚至出现卡死等现象,而且球与球壳之间的间隙一般在微米量级上,难以满足精密仪器的要求。柔性铰是一种通过切口方式使局部刚性削弱,在力矩的作用下容易产生明显弯曲变形的构件,能在机械结构中起到铰链的作用。柔性铰利用材料的弯曲变形来代替刚性球铰中两个接触曲面之间的滑动和绕动,与球铰相比,它由于自身没有机械结构上的间隙,不需要润滑,运动平稳,具有无摩擦和碰撞的优势等而被广泛应用于陀螺仪、精密微动平台、激光焊接、主动振动控制平台等装置中[1-2]。
常用的柔性铰根据其工作能力可分为3种类型,即单轴、双轴和万向柔性铰链。这些柔性铰的共同特点是其切口曲线均为平面曲线(万向铰切口的母线为平面曲线)。显然,柔性铰的特性与切口曲线的形式密切相关。针对不同的功能、精度以及运动范围需求,研究人员分别研究了单轴功能的(平面)直圆切口柔性铰[3]、椭圆切口柔性铰[4-5]、正割曲线切口[6]以及混合型曲线切口柔性铰[7],以及具有双轴功能的圆柱型柔性铰[8]、直圆双轴柔性铰[9]、双轴椭圆柔性铰[10-11]以及复合型柔性铰[12]等。为了与理想的转动连接结构—球铰的功能尽可能接近,柔性铰的转动刚度应该设计得尽可能低(理想铰的转动刚度为0),但是其在轴线方向的线刚度应尽可能高(理想铰在任意一个轴线方向的线刚度为无穷大)。这种尽可能低的转动刚度和尽可能高的轴线刚度的要求从结构设计上来说很难得到统一。鉴于铰的主要功能是使连接的构件能够相对转动,一般为了最大限度地满足转动功能,在单轴、双轴和万向柔性铰设计中均把产生弹性变形的部分设计得非常薄细,但这种设计也同时降低了线刚度且易引起稳定性问题。文献[13]给出了一种空间曲线切口式的柔性铰方案,将空心圆柱体在正交的两个方向上分别对称圆面切割,形成在两个正交方向上具有相同柔性的柔性铰,针对这种空间圆弧曲线切口式柔性铰进行了有限元分析并总结了其优越性,主要为:(1)各项弯曲刚度相等;(2)具有较高的轴向刚度和较低的弯曲刚度和扭转刚度;(3)具有限位功能,不会出现因变形过大而损坏的现象。