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%。     

Nested-LET柔性铰链设计与性能分析

针对平面折展机构中柔性铰链在承受拉压载荷时变形大、转动精度差等问题,基于外LET铰链和嵌套结构的方法,提出了一种Nested-LET柔性铰链。设计了该铰链的结构,利用等效弹簧模型推导了其弯曲及拉压等效刚度计算公式并给出了修正系数。通过设计实例的理论计算和仿真分析,验证了理论分析的正确性和设计的可行性。比较了相同尺寸的Nested-LET与外LET铰链的弯曲性能与抗拉性能,结果表明,Nested-LET铰链弯曲刚度增加了1.5倍,拉压刚度提升了30倍,且转动中心漂移量有所下降。最后,通过拉伸实验验证了分析的正确性。     

平面折展升降柔顺机构设计

基于微型升降机构的工作原理,设计了一种平面折展升降柔顺机构,建立了该机构的伪刚体模型,利用虚功原理推导出平面折展升降机构的输入载荷与输出位移关系的计算公式。设计了基于LET铰链和LOOP铰链类型的平面折展升降机构实例,并对其中包含弧形片段的LOOP柔性铰链的弯扭耦合等效刚度进行了研究,分析得到其弯扭耦合等效刚度计算公式,通过2个设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论公式和仿真模型的正确性。设计了基于LOOP铰链的升降机构的实物模型,计算、仿真分析和测试结果表明,该机构可产生较大提升量并且仍能保持良好的精度,达到了设计目标。     

基于伪刚体模型的多层LEMs建模与仿真

结合刚性机构分类思想和刚体代替综合法,设计了一多层LEMs机构。基于柔顺机构伪刚体模型及LET铰链等效弹簧刚度模型,对多层LEMs进行分析,推导出该机构的输入载荷和输出位移量的理论计算公式,并用该理论计算公式对设计实例进行计算。同时对该设计实例进行有限元仿真分析,两种方法所得结果基本一致,表明理论分析的正确性和该设计的可行性。     

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。     

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。     

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。     

全柔性四杆机构伪刚体模型分析计算方法的改进

针对介于具有集中柔度和具有分布柔度之间的全柔性机构,在利用伪刚体模型分析具有集中柔度的全柔性铰链四杆机构基础上.考虑构件的线弹性变形,对伪刚体模型的分析方法加以改进,给出了其一般公式.全柔性铰链四杆机构改进前后的分析计算实例和有限元仿真,验证了该分析方法的有效性.     

不完全分布柔度全柔性机构拟柔性模型研

不完全分布柔度全柔性机构是介于具有集中柔度和分布柔度之间的一类全柔性机构,根据这类机构的特点,在伪刚体模型的基础上,提出了拟柔性模型的分析方法,建立了直梁型柔性铰链与构件的拟柔性模型,同时定义了拟柔性模型的外载荷力比值系数μF和模型的修正系数μλ.给出了一组实例的拟柔性模型计算结果,通过该组实例的实验测试以及对测试结果和计算结果的分析比较,验证了该模型的有效性.     

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。     

3-PRR柔性并联机构动力学分析

提出一种可应用于微/纳操作领域的3-PRR柔性并联机构,基于Euler-Bernoulli梁理论,采用假设模态法,分析支链上从动杆的柔性,结合实例说明了将从动杆视为刚性杆处理的依据.为进一步分析各构件惯量参数和柔性构件刚度对系统固有频率的影响,采用拉格朗日方程建立了修正的机构动力学振动微分方程,并结合实例进行分析,利用仿真计算验证了所建模型的有效性.     

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。     

微型双自由度全柔性五杆机构设计与分

分别采用伪刚体模型和拟柔性模型对双自由度全柔性五杆机构进行了分析,建立了不完全分布柔度全柔性五杆机构的伪刚体模型和拟柔性模型,推导出外载荷与位移关系的一般公式.设计了一微型对称全柔性五杆机构,利用刚性五杆机构几何关系和迭代程序,给出了该机构拟柔性模型的理论计算结果,同时用ANSYS对该实例进行了分析.通过实例的理论计算和有限元分析结果的比较,验证了理论推导的正确性,同时也验证了拟柔性模型分析方法的有效性.     

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。     

固定结合面刚度分形模型

基于粗糙表面统计学参数与表面轮廓分形参数之间的关系,给出了结合面等效粗糙表面轮廓分形参数的计算方法;在此基础上,提出了结合面切向接触刚度的修正分形模型;为验证模型的正确有效性,将固定结合面等效为若干个法向和切向接触弹簧单元,其刚度通过相应的接触刚度模型进行计算,进而对文献[9]的结合面实验装置——哑铃模型进行了有限元建模及模态分析,间接证明了接触刚度的正确有效性,并探讨了等效接触弹簧单元的刚度、数量对有限元建模精度的影响.此外,对文献[8]的实验模型进行了有限元建模及谐响应分析,并对实验模型的实测、柔性连接仿真与刚性连接仿真频响曲线进行了对比,进一步证实了在仿真建模过程中考虑结合面接触刚度的必要性.     

考虑杆件弹性变形的改进型Delta并联机构刚度特性分析

基于传统的机构刚度映射矩阵,建立了改进型Delta并联机构的刚度模型.模型不仅考虑了驱动铰链刚度和外载荷对机构刚度的影响,还考虑了构件重力和在约束力下杆件弹性变形对刚度的影响,更具有一般性和精确性.由于用刚度矩阵来评价机构刚度性能不够直观,提出了以机构弹性变形来评价机构刚度特性的方法.利用虚功原理计算出机构各个约束铰链上静态约束力,利用叠加原理计算出每个杆件约束反力和重力作用下的弹性变形量.然后,通过坐标变换法计算出机构的综合弹性变形量,进而分析了机构的刚度特性.     

拖拉机机罩气弹簧安装设计研究

针对安装四连杆铰链翻转机构的拖拉机机罩,在机罩开启、闭合过程进行气弹簧受力分析计算。利用软件程序进行仿真计算,验证气弹簧安装位置及规格参数的可行性,实现了气弹簧的优化布置。     

人体下肢康复机构的研究与分析

本文以剖析人体下肢解剖学理论为依据,设计了一种基于混联机构原理的新型下肢髋、膝、踝关节运动矫正机构。该机构按照正常人体下肢基本尺寸范围,对下肢运动矫正机构的结构进行了数学建模并进行了运动学仿真分析,验证了该并联机构可以有效辅助运动功能障碍者恢复健康,并应用Pro/E强大的三维建模功能进行建模。该机构结构简单、工作空间较大、刚度大,适用于不同群体。     

五自由度混联机构圆弧插补算法研究

提出了一种由两自由度并联机构和三自由度串联机构构成的五自由度混联机构-2SPU+U+RRR。建立了该混联机构的三维模型并搭建了试验样机,通过分析将其等效为U+RRR串联机构。对等效后的U+RRR串联机构进行运动学正反解分析,并验证了正反解求解的正确性,同时对两自由度并联机构进行了运动学反解计算,为机构控制奠定了理论基础。针对传统空间圆弧插补算法计算的复杂性,提出了一种基于等弧度数据采样的新型空间圆弧插补算法,简化了插补算法的计算量。通过Matlab仿真和样机实验,验证了上述插补算法的正确性。     

2-UPR-PRU并联机构静刚度模型建立与性能分析

针对2-UPR-PRU两转一移三自由度并联机构,采用螺旋理论和应变能方法对其进行系统的静刚度模型建立与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-PRU并联机构的运动学逆解模型。考虑分支杆件的柔性,采用螺旋理论和应变能方法推导2-UPR-PRU并联机构各分支的刚度矩阵,结合变形协调方程构建2-UPR-PRU并联机构的整体刚度矩阵,得到外载作用下机构在不同位型的变形情况和整体柔度矩阵,并通过ANSYS软件进行数值仿真验证。基于静刚度模型分析2-UPR-PRU并联机构的虚功刚度指标,获得2-UPR-PRU并联机构在不同外载和操作高度情况下的静刚度性能分布图谱。研究结果对于设计样机、提高机构的控制精度方面有重要的参考价值。