压电陶瓷驱动器杠杆式柔性铰链机构放大率计算方法

在精密微位移领域,杠杆式柔性铰链机构常被用来放大压电陶瓷驱动器产生的微小位移。在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出杠杆式柔性铰链机构放大率计算公式,并采用有限元分析和实验测试进行验证。通过公式计算、有限元仿真分析和实验测试得到的放大率分别为8.31、8.38和8.20,有限元仿真值和公式计算值之间的误差为1％,实验测试值和公式计算值之间的误差为1.3％,证明了计算公式的正确性。     

精密车削二维微位移刀架研究

设计了一种微米级切削加工的微位移刀架,该刀架可满足数控车床精密加工的需要。该刀架以压电微位移致动器为动力源,以双平行四杆柔性铰链为弹性导轨,以最大输出位移为主要参数,设计了微位移刀架的结构,计算和选择了微位移刀架的结构参数。通过理论建模和有限元分析,对该铰链机构的系统刚度进行了计算,并对二维微位移刀架的输出位移进行实验测试。实验结果表明:理论计算结果、有限元仿真计算结果与实验测试数据吻合,验证了设计方法的可行性。     

平面折展机构S形柔性铰链设计与试验

设计平面折展柔顺机构的关键技术之一是设计柔性铰链。提出了一种用于平面折展柔顺机构的S形柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其等效刚度进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度和扭转等效刚度计算公式。通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性。制作了基于S形柔性铰链的平面折展柔顺滑块机构的实物模型,仿真分析和测试结果表明,该机构在工作状态可具有较大变形,并且滑块位移达到76 mm时仍能保持良好的精度,仿真与测试结果基本一致,误差仅为0.76%。     

数值法建立单向柔性铰链的刚度矩阵

以非对称3-RRC(RP)全柔性并联机构中的柔性铰链为例,介绍其结构型式并建立力学模型。利用二阶龙格-库塔法、4次拉格朗日插值和复化抛物形求积等方法得出了变截面柔性铰链单元所受外力与端部变形之间的关系。再由矩阵位移法建立其拉弯组合变形的刚度方程,借助等截面梁单元刚度矩阵的特点,最终求得柔性铰链刚度矩阵中各个元素的表达式,并用ANSYS软件进行了验证,具有一定准确性。     

基于压电作动器驱动的微操作机构设计与运动控制

设计了一种由压电作动器驱动的微操作机构。基于柔顺机构原理设计了桥式位移放大机构,以改善压电作动器的输出位移。利用伪刚体法和Euler-Bernoulli柔性梁理论建立微操作机构的静力学模型,并通过Lagrange方法推导出其动力学方程,进而获得机构的自然频率。借助于差分进化算法进行柔性铰链几何尺寸优化,并与计算机有限元仿真分析进行交叉验证。最后,实验验证了所提出微操作机构能够获得位移放大倍数为9.8和行程为180μm;在基于观测器PID控制下,机构位移均方根误差和最大位移误差分别为0.071、0.128μm。本文提出的微操作机构具有精度高、鲁棒性强的运动效果。     

椭圆抛物线型复合柔性铰链机构研究

本文提出一种新型椭圆抛物线型复合柔性铰链机构,该柔性铰链由半个椭圆、半个抛物线复合而成。通过建立力学模型,推导出椭圆抛物线型复合柔性铰链的柔度计算公式,并利用有限元仿真软件对该复合柔性铰链进行仿真,验证了所推导公式的正确性。并分析该复合铰链各个结构参数对其柔度的影响,为其在精密传动与制造方面的应用提供了理论基础。     

基于叠加柔性铰链的超磁致伸缩驱动器建模与实验

为了满足高精度、大行程的需求,设计了一种基于尺蠖运动方式的超磁致伸缩直线驱动器,通过前、后箝位机构和驱动机构的相互配合,实现了驱动器的步进式位移输出。采用叠加式柔性铰链作为弹性元件,有效地改善了柔性铰链的受力情况,采用有限元法进行了强度校核和模态分析。计算了叠加式柔性铰链的等效刚度,建立了直线驱动器的动力学模型,对设计的样机进行了实验测试。实验结果表明,建立的位移模型和实验结果基本一致,最大相对误差为1.86%;设计的驱动器稳定工作电压为1～3V,最小和最大单步位移分别为4.55、12.01μm,最高工作频率为150Hz,最快速度为1.34mm/s;位移输出状态稳定,单步位移最大相对误差为2.69%。     

基于特征参数的DCA-LET结构设计与性能分析

设计了一种基于双C型结构的柔性铰链,称为DCA-LET柔性铰链。定义了影响该柔性铰链性能的特征参数,通过对8组不同特征参数实例的仿真分析,拟合了特征参数与等效弹簧刚度之间的关系,推导了基于该铰链特征参数的等效弹簧刚度的理论计算公式并且引入了修正系数。通过3组实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论计算公式以及修正系数的正确性。通过对比3组不同特征参数的DCA-LET柔性铰链与内LET柔性铰链的弯曲性能与抗拉性能,得出控制特征参数能够控制该柔性铰链的弯曲性能,同时保证其抗拉压性能并没有明显下降。     

秸秆收获机切割刀静力学分析

秸秆收获机切割刀具在每次切割时都受到来自秸秆上的压力而产生微小形变,刀具每一次的形变都必须小于极限应力。本文建立了切割刀的数学模型,通过有限元法对刀具进行了静力学分析,但是求解矩阵计算量较大,因此采用ANSYS软件对刀具进行有限元分析,通过采用自由网格划分法,使得切割刀具的形变位移的计算结果更精确、误差更小,为切割刀具的设计和加工提供理论依据。     

Deform-X柔性铰链设计与分析

设计了一种Deform-X柔性铰链,利用微积分的思想分析了其等效刚度,推导了Deform-X柔性铰链弯扭耦合等效刚度的理论计算公式。通过一组实例的理论分析和ABAQUS仿真分析,验证了Deform-X柔性铰链等效刚度理论计算公式的正确性。选取外形尺寸相同的X型柔性铰链与Deform-X柔性铰链进行了性能比较分析,在相同转矩作用下,Deform-X柔性铰链弯曲变形转角约为X型柔性铰链的3倍。分别对X型柔性铰链和Deform-X柔性铰链进行了弯曲失效分析,结果表明Deform-X柔性铰链的可使用范围大于X型柔性铰链。设计了基于Deform-X柔性铰链的平面折展四杆机构的实物模型,通过实物测试和仿真分析表明Deform-X柔性铰链能够实现预期变形。最后,对尺寸相同的基于X型柔性铰链的四杆机构和基于Deform-X柔性铰链的四杆机构在相同力矩作用下的变形进行了分析,结果表明基于Deform-X柔性铰链的四杆机构变形更大。     

一体化微操作器误差分析与建模

为评价各种误差对微操作器精度的影响，以一体化超精密微操作器为研究对象，分析了加工误差、机构原理误差、测量误差、环境带来的误差以及驱动误差等造成微操作器精度降低的因素，建立了加工误差的偏微分方程解析模型，并用有限元仿真验证了加工误差模型的准确性。在详细分析误差源的基础上，提出了提高微操作器精度的措施。     

S-LET复合型柔性铰链设计与性能研究

综合LET型铰链与S型铰链结构性能特点,提出了一种S-LET复合型柔性铰链,设计了该铰链的外形结构,并对其等效刚度进行分析,推导出铰链弯曲时的等效刚度计算公式。通过对不同尺寸S-LET复合型铰链弯曲等效刚度的分析,得出弯曲等效刚度修正系数,并验证了该系数的有效性。最后,通过对S型、LET型及S-LET复合型铰链弯曲变形及扭转变形的有限元仿真结果的比较,得出S-LET弯曲变形能力在S型与LET型铰链之间,而扭转变形则是三者中最小。     

空间全柔性并联机构动力学分析

针对精密柔性机构多自由度高精度运动的需求,以传统Delta并联机构为基础,设计了一种采用压电陶瓷驱动方式的空间柔性并联机构,基于伪刚体模型进行运动学分析。将从动臂质量分布作简化处理并主要考虑结构中柔性铰链的弹性应变能,利用拉格朗日方程建立动力学弹性振动微分方程,得到其固有频率表达式,并结合实际结构参数得到了相应的理论结果。3个主要运动方向的三阶固有频率的试验结果和理论分析结果误差分别为:12.71%、12.14%和14.90%,有限元仿真结果和试验结果误差分别为:6.20%、5.66%和10.28%,表明理论分析时所作的简化处理合理,得到的动力学数学模型有效、可信。     

螺旋锥齿轮齿面误差修

研究了基于数控加工螺旋锥齿轮齿面误差修正技术.提出了一种由摇台型机床调整参数向Free-Form机床转换的方法,建立了基于数控加工齿面误差模型;在此基础上,以齿面误差平方和最小为目标函数,优化摇台型机床调整参数,再将其转换为数控加工形式,从而实现数控齿面修正.最后通过算例表明,经过改变加权系数和优化可以达到齿面误差较高精度修正要求.     

基于结合部动力学特性的立柱-主轴系统动力学模型研究

针对某卧式加工中心动力学特性分析的需要,论述了主要影响其动力学特性的立柱-主轴系统中导轨结合部、螺栓结合部、滚珠丝杠结合部以及轴承4类结合面分布情况,提出各类结合部动力学参数提取方法与有限元建模方法.通过试验测试与有限元分析相结合的手段识别导轨结合部刚度与阻尼,利用赫兹接触理论计算出滚珠丝杠接触刚度.在此基础上,建立了某卧式加工中心立柱-主轴系统有限元分析模型,通过测试立柱-主轴系统轴端频率响应函数验证了该有限元分析模型的准确性,并分析得出了该立柱-主轴系统导轨结合部对系统动态性能的影响情况.