柔性铰链运动02ppt课件
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铰链和辊轴的受力分析(课堂PPT)
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3.光滑圆柱铰链约束 ①圆柱铰链
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YA
A
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XA
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②固定铰支座
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固定铰支座
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滑槽与销钉
（双面约束）
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二力杆
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活动铰支座（辊轴支座）
N的实际方向也 可以向下
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活动铰支座（辊轴支座）
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§1-4 物体的受力分析和受力图
一、受力分析 解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选
用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交
于同一点，且三力的作用线共面。（必共面，
在特殊情况下，力在无穷远处汇交——平行
力系。）
1
10
[证] ∵ F1 , F2 , F3为平衡力系， ∴ R , F3 也为平衡力系。
又∵ 二力平衡必等值、反向、共线，
∴ 三力 F1 , F2 , F3 必汇交，且共面。
1
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3、不要画错力的方向 约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不 能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析 两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力 的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反， 不要把箭头方向画错。
4、受力图上不能再带约束。
即受力图一定要画在分离体上。
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7 、正确判断二力构件。
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N1
G
G
N2
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二、约束类型和确定约束反力方向的方法： 1.由柔软的绳索、链条或皮带构成的约束 绳索类只能受拉，所以它们的约束反力是作用在接触点，方 向沿绳索背离物体。
七、柔性铰链微动机构的分析与设计
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。
铰链和辊轴的受力分析.ppt
A
二.刚体
我们称这个力系为平衡力系。 F
就是在力的作用下，大小和形状都不变的物体。
三.平衡
是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运 动的状态。
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§1-2 静力学基本公理
公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的 实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。
公理1 二力平衡公理
作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是： 这两个力大小相等 | F1 | = | F2 | 方向相反 F1 = –F2 作用线共线， 作用于同一个物体上。
S1 S'1 S2 S'2
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2.光滑接触面的约束 (光滑指摩擦不计) 约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体
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3.光滑圆柱铰链约束 ①圆柱铰链
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②固定铰支座
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固定铰支座
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滑槽与销钉 （双面约束）
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二力杆
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活动铰支座（辊轴支座）
一、力的概念
1．定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以改变物 体的运动状态。
2. 力的效应： ①运动效应(外效应)பைடு நூலகம்②变形效应(内效应)。
3. 力的三要素：大小，方向，作用点 力的单位： 国际单位制：牛顿(N)
FA
千牛顿(kN)
4
力系：是指作用在物体上的一群力。
平衡力系：物体在力系作用下处于平衡，
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5、受力图上只画外力，不画内力。 一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有 可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分 内力，就成为新研究对象的外力。
第12章柔性机构
可靠性及寿命预测方法
可靠性分析方法
通过对柔性机构进行可靠性分析，可以评估机构在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。常 用的可靠性分析方法包括故障模式、影响及危害性分析（FMECA）、故障树分析（FTA）等。
寿命预测方法
柔性机构的寿命预测是指预测机构在特定工作条件下的使用寿命。常用的寿命预测方法包括基于疲劳 损伤的寿命预测、基于磨损的寿命预测等。通过寿命预测，可以为柔性机构的设计和优化提供依据。
第12章柔性机构
$number {01} 汇报人：XX
目录
• 柔性机构概述 • 柔性机构设计原理 • 柔性机构制造技术 • 柔性机构性能评价方法 • 典型柔性机构案例分析 • 未来发展趋势与挑战
01
柔性机构概述
定义与发展历程
定义
柔性机构是一种利用材料的弹性变形 来实现特定运动或功能的机构，具有 结构简单、重量轻、变形能力强等特 点。
形状记忆合金材料应用
01
形状记忆合金特性
形状记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的特殊金属材料。它可
以在加热或卸载后恢复到原始形状，具有优异的变形能力和稳定性。
02 03
形状记忆合金在柔性机构中的应用
利用形状记忆合金的变形能力和稳定性，可以设计出具有特定形状和功 能的柔性机构。例如，利用形状记忆合金制作的柔性抓手可以在抓取物 体时自适应变形，提高抓取的稳定性和可靠性。
形状记忆合金的驱动方式
形状记忆合金的驱动方式主要包括加热驱动和应力驱动。加热驱动是通 过加热使形状记忆合金恢复到原始形状，而应力驱动则是通过施加应力 使形状记忆合金产生变形。
压电陶瓷驱动技术
压电陶瓷特性
压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，它可以将机械能转换为电能，也可以将电能转换为 机械能。压电陶瓷具有响应速度快、驱动力大、精度高和稳定性好等优点。
柔性铰链及压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位
压电元件
在工程技术中应用较普遍的是由压电陶 瓷材料制作而成。通常选用压电常数较 大的层叠式压电元件获取微变形 , 它的线 性比较优良 , 且具有体积小、刚度大、形 变相对较大、位移分辨率高和响应迅速 的特点。
柔性铰链
由柔性铰链构成的柔性铰链机构结构紧 凑、传动关系明确、无传动空程 , 并且无 摩擦，最适合与压电元件组成微小型结 构简洁、频响高的超高精度定位工作台。 同时柔性铰链机构还可放大压电致动器 的位移，并提供适当的预紧，避免压电 致动器承受拉应力。
超精密机械加工
运动范围为 200lm ，垂直刚度为 6.0N/lm, 频响为364Hz。
光学自动聚焦
采用压电驱动、柔性铰链机构传动的自 动聚焦系统的重复精度达到0.35lm，能对 放大倍率为 100的物镜聚焦。而用传统的 步进马达驱动，滚珠丝杠传动来定位， 精度仅为1lm左右，物镜的放大倍率也被 限制在40 左右。
Thank you！
Hale Waihona Puke 柔性铰链与压电致动结合的应用
超精密定位工作台 超精密机械加工 打印头 光学自动聚焦 压电马达 主动式径向空气轴承 微夹持器
柔性铰链机构超精密定位
压电元件作为驱动装置 柔性铰链机构作为传动装置
压电效应
压电效应源于压电晶体，当此类电介质 晶体外加机械载荷时，晶体内部的正负 电荷中心发生相对位移而产生极化，导 致晶体两端出现符号相反的束缚电荷。 反之，如将具有压电效应的电介质晶体 置于电场中，由于电场的作用而引起电 介质晶体内部正负电荷中心产生相对位 移，致使压电晶体发生形变，晶体的这 种现象称为逆压电效应。
单驱动多自由度运动机构的原理
蠕动式运动的原理
图中底板为导磁材料，在多自由度运动机 构的固定端 O 以及运动块A、B 和C 上分别 安装电磁夹紧机构。
《机械设计基础》课程讲解课件第二章第一节铰链四杆机构及其演化
2.导杆机构
取曲柄滑块机构中的不同构件作为机架，可以得到以下 四种不同的机构。
曲柄滑块机构
转动导杆机构
定块机构
摇块导杆机构
应用
小型刨床机构
曲柄摆动导杆机构 (a)曲柄摆动导杆机构; (b)电气开关
卡车车厢自动翻转卸料机构
手动抽水机
3.偏心轮机构 扩大转动副
（a）等效曲柄滑块机构 （b）曲柄滑块机构 （c）等效曲柄摇杆机构 （d) 曲柄摇杆机构
摇杆为主动件时， 则可以将摇杆的摆动转换为 曲柄的整周回转运动。
应用举例：
①牛头刨床工作台横向进给机构 ②缝纫机的踏板机构
图 7-3 缝纫机踏板机构
牛头刨床进给机构
缝纫机踏板机构
(a)局部结构图 ; (b)曲柄摇杆机构运动简图 1—主动齿轮; 2—从动齿轮; 3—连杆; 4—摇杆（棘爪）;
5—棘轮; 6—丝杠 ; 7—机架
一、平面四杆机构的基本型式—铰链四杆机构
1．曲柄摇杆机构 2．双曲柄机构
3．双摇杆机构
运动副全是转动副
二、平面四杆机构的演化型式
1．曲柄滑块机构 2．导杆机构 3．偏心轮机构
一、平面四杆机构的基本型式
1.曲柄摇杆机构
☆ 两连架杆中一个为曲柄，另
一个为摇杆。
曲柄为主动件时， 可以实现由曲柄的整周回转 运动到摇杆往复摆动的运动 转换。
特点：容易加工； 工作时润滑条件和受力情况好； 可用于较重载荷的传动中。
应用举例：蒸汽机换气阀传动机构、冲压机传动机构等。
机械设计基础
第二章 平面连杆机构
第一节 铰链四杆机构及其演化 第二节 平面四杆机构的基本特性
概念
定义: 全由低副（转动副、移动副）构 成的平面机构称为平面连杆机构
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柔性铰链运动02
简介
柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间 隙和运动灵敏度高的传动结构，被广泛应用于各种 要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。 开创了工作台进入毫米级的新时代。 柔性铰链有成千上万的应用，如：陀螺仪、加 速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器 显示仪、 记录仪、表面控制、调整器、阀、放大连杆、计算 机、继电器和传动连杆。
横向波纹补偿器
柔性铰链运动的实现方法
柔性铰链运动实现的运动范围、运动精度 柔性铰链运动的测量方法 柔性铰链运动的用途和发展前景
柔性铰链运动的实现方法
柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。 施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何 中心，从而影响柔性铰链的转动精度。 柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它 有很多种结 构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯 曲，这种弹 性变形是可逆的。
柔性铰链运动实现的运动范围、运动精度
理想铰链应可以绕其 中心点自由旋转，但 对于真实的柔性铰链， 要让它作旋转运动就 必须施加变形力。为 了定量的考察各个柔 性铰链的运动范围和 运动精度，通常选用D 点的位移来表示其运 动范围，而用中心点C 的偏移量来表是其运 动精度。
根据材料力学，可得铰链中性面曲率 半径公式： 1 M (x)
柔性铰链运动的用途和发展前景
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试验探索后，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、天平、控制导弹的喷嘴等多个范围之中， 并获得了前所未有的高精度和稳定性。近年来， 柔性铰链又在秘密位移工作台中得到了实用。
EI (x)
式中： E——材料的弹性模量； M(x)——作用于微小段dx的弯矩； I(x)——微小段dx的截面对中心轴的惯性矩。 由于曲线y=f(x)上任意一点的曲率为：
2y 2 1Байду номын сангаас x 3 dy 2 2 [1 ( ) ] dx
根据上式可得
Mx () d xd )x E I(x ) 所以作为柔性铰链的运动精度C点为y(x)从0到C点的积分。运动范围 就是从0到原件最右端的积分。 y (x ) (
陶啸宇 王璜珩 叶成杰 臧艺强 章学苏
柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再 配合压电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到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。
柔性铰链运动的测量方法
如图 所示 ,其中虚线框为位移放大机构 。该机构为 一体化结构 ,各转动铰链都以柔性铰链来代替 。 采用 对称结构 ,使运动部分 S 只产生沿着垂直方向的直线运 动位移而不产生其他方向的交叉耦合位移 ,消除了位移放 大过程中的运动误差 。同时将两极板完全隔离在屏蔽层 内 ,有效地防止了外界电磁场的干扰 。对微小位移 ,由 图 知
参考文献
现代精密仪器设计 李玉和 编 清华大学出版社 基于柔性铰链的微位移放大机构设计 于志远 著 仪器仪表学报 基于柔性铰链的微位移机构设计 张磊 著 柔性铰链机构设计方法的研究进展 于靖军 著 机械工程学报 柔性铰链精度特性研究 陈贵敏 著 仪器仪表学报
小组成员
B07340119 B07340120 B07340129 B07340130 B07340132
d A B B C B C 1 x A B A B
B C d ( 1 ) x A B
大变形柔性铰链转角特性测试仪简介
首先将大变形柔性铰链的 一端通过紧固螺钉和压板固 定起来，另一端在摆杆的作用 下产生弯曲变形。而摆杆则是 通过安装在台面上的螺旋顶杆 来驱动。测量过程中，通过旋 转螺旋顶杆使摆杆产生向上的运动。本测试仪的目的是测 量大变形柔性铰链的扭转角与转矩之间的关系，因此不采 用普通的基于时间的数据采样，而采用等空间数据采样， 使得摆杆运动的时间变化对数据采集不产生影响。在摆杆 与大变形柔性铰链一定距离(该距离可调)处安装了一只 Honeywell公司的FSS微型压力传感器，在转动过程中压力 传感器的测力面始终垂直于大变形柔性铰链的自由端，因 此压力传感器测得的“力”乘以“距离”便是施加到大变 形柔性铰链上的转矩。而大变形柔性铰链所转过的角度可 通过安装在转轴下端的旋转编码器来获得，该旋转编码器 为360线单脉冲输出，每转过1度发出一个脉冲。
柔性铰链工作台的结构
单柔性四连杆 双柔性四连杆 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，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。
简介
柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间 隙和运动灵敏度高的传动结构，被广泛应用于各种 要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。 开创了工作台进入毫米级的新时代。 柔性铰链有成千上万的应用，如：陀螺仪、加 速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器 显示仪、 记录仪、表面控制、调整器、阀、放大连杆、计算 机、继电器和传动连杆。
横向波纹补偿器
柔性铰链运动的实现方法
柔性铰链运动实现的运动范围、运动精度 柔性铰链运动的测量方法 柔性铰链运动的用途和发展前景
柔性铰链运动的实现方法
柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。 施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何 中心，从而影响柔性铰链的转动精度。 柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它 有很多种结 构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯 曲，这种弹 性变形是可逆的。
柔性铰链运动实现的运动范围、运动精度
理想铰链应可以绕其 中心点自由旋转，但 对于真实的柔性铰链， 要让它作旋转运动就 必须施加变形力。为 了定量的考察各个柔 性铰链的运动范围和 运动精度，通常选用D 点的位移来表示其运 动范围，而用中心点C 的偏移量来表是其运 动精度。
根据材料力学，可得铰链中性面曲率 半径公式： 1 M (x)
柔性铰链运动的用途和发展前景
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试验探索后，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、天平、控制导弹的喷嘴等多个范围之中， 并获得了前所未有的高精度和稳定性。近年来， 柔性铰链又在秘密位移工作台中得到了实用。
EI (x)
式中： E——材料的弹性模量； M(x)——作用于微小段dx的弯矩； I(x)——微小段dx的截面对中心轴的惯性矩。 由于曲线y=f(x)上任意一点的曲率为：
2y 2 1Байду номын сангаас x 3 dy 2 2 [1 ( ) ] dx
根据上式可得
Mx () d xd )x E I(x ) 所以作为柔性铰链的运动精度C点为y(x)从0到C点的积分。运动范围 就是从0到原件最右端的积分。 y (x ) (
陶啸宇 王璜珩 叶成杰 臧艺强 章学苏
柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再 配合压电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到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。
柔性铰链运动的测量方法
如图 所示 ,其中虚线框为位移放大机构 。该机构为 一体化结构 ,各转动铰链都以柔性铰链来代替 。 采用 对称结构 ,使运动部分 S 只产生沿着垂直方向的直线运 动位移而不产生其他方向的交叉耦合位移 ,消除了位移放 大过程中的运动误差 。同时将两极板完全隔离在屏蔽层 内 ,有效地防止了外界电磁场的干扰 。对微小位移 ,由 图 知
参考文献
现代精密仪器设计 李玉和 编 清华大学出版社 基于柔性铰链的微位移放大机构设计 于志远 著 仪器仪表学报 基于柔性铰链的微位移机构设计 张磊 著 柔性铰链机构设计方法的研究进展 于靖军 著 机械工程学报 柔性铰链精度特性研究 陈贵敏 著 仪器仪表学报
小组成员
B07340119 B07340120 B07340129 B07340130 B07340132
d A B B C B C 1 x A B A B
B C d ( 1 ) x A B
大变形柔性铰链转角特性测试仪简介
首先将大变形柔性铰链的 一端通过紧固螺钉和压板固 定起来，另一端在摆杆的作用 下产生弯曲变形。而摆杆则是 通过安装在台面上的螺旋顶杆 来驱动。测量过程中，通过旋 转螺旋顶杆使摆杆产生向上的运动。本测试仪的目的是测 量大变形柔性铰链的扭转角与转矩之间的关系，因此不采 用普通的基于时间的数据采样，而采用等空间数据采样， 使得摆杆运动的时间变化对数据采集不产生影响。在摆杆 与大变形柔性铰链一定距离(该距离可调)处安装了一只 Honeywell公司的FSS微型压力传感器，在转动过程中压力 传感器的测力面始终垂直于大变形柔性铰链的自由端，因 此压力传感器测得的“力”乘以“距离”便是施加到大变 形柔性铰链上的转矩。而大变形柔性铰链所转过的角度可 通过安装在转轴下端的旋转编码器来获得，该旋转编码器 为360线单脉冲输出，每转过1度发出一个脉冲。
柔性铰链工作台的结构
单柔性四连杆 双柔性四连杆 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，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。