柔性铰链微夹持机构的位移放大倍数计算

《西安交通大学学报》2004年第5期发表的《柔性铰链微夹持机构的研究》一文中，对所设计的柔性铰链微夹持机构进行了研究，由于理论计算中将柔性铰链视为理想铰链，导致计算的位移放大倍数与实验数据存在很大的出入实际上只需用材料力学的基本理论以及文献[1]给出的柔性铰链计算公式，即可准确地计算出该夹持机构的放大倍数，具体分析如下。     

基于柔性铰链的压电微夹钳设计

面向微机电系统(MEMS)微装配设计了一种压电式微夹钳,该微夹钳基于柔性铰链设计,结构简单、紧凑,具有对称结构的两级位移放大机构,其驱动采用叠堆型压电陶瓷.重点对该微夹钳的张合缩放特性进行了理论分析,建立了电压与末端张合量输入输出模型.样机实验表明,驱动电压为140V时,该微夹钳具有约1 260μm的最大张合量,微操作实践表明:微夹钳能实现对不同形状尺寸大小从50~1 260μm范围的微小器件夹持操作.     

菱形微位移压电作动器的输入输出线性建模

针对某定位装置的位移输出问题,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器包括压电陶瓷、菱形微位移放大机构以及柔性铰链部分。对菱形微位移放大机构的放大系数进行了分析,发现该放大机构具有把压电堆的原始位移输出从30μm放大到100μm的能力,放大倍数与菱形环自身夹角θ有关,并且在压电堆输出范围内为比例放大,这些结果可以为更大放大系数的菱形环设计提供依据。建立了该菱形微位移压电作动器输入输出关系的理论线性模型,并将线性模型的模拟结果与实验结果进行了对比,证明该压电作动器线性模型具有较好的精度,能比较准确地反映微位移压电作动器的输入输出关系。     

基于压电陶瓷的光学微扫描器及其有限元分析

研究基于压电陶瓷和柔性铰链的光学微扫描器及其放大机构的位移放大原理,分析单轴圆弧型柔性铰链性能,利用有限元方法对光学微扫描器的柔性铰链放大机构进行仿真.结果表明:柔性铰链的最小厚度值为圆弧半径的2倍时,微扫描器位移放大结构达到稳定位移,放大机构的放大率提高到压电陶瓷驱动位移的3.25倍,进一步验证了放大机构设计的合理性.     

压电式微驱动器的应用研究

在分析常用微驱动器的基础上，设计了一种压电式微驱动器，采用柔性铰链机构实现无机械摩擦、无间隙的高灵敏度微驱动，利用柔性铰链杠杆放大原理增加了叠层式压电陶瓷位移输出．满足了在激光测量系统中作为移相器的工作要求．文章对柔性铰链机构进行了理论分析，建立了数学模型，采用有限元分析方法优化了机构的结构参数．     

新型活塞异形销孔加工方法

提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法,采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链放大机构来实现镗刀的径向微位移.分析了放大机构的工作原理,提出了一种查表与实时检测相结合的控制方法.建立了消除压电陶瓷驱动器磁滞特性的数学模型,分析了柔性铰链刚度参数的设计方法及柔性铰链机构的动态特性.     

基于光致形变材料的光驱动微夹钳

针对目前微夹钳存在的一些问题,提出了一种基于光致形变材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)双晶片的光驱动微夹钳.首先对光微夹钳中的核心部件PLZT陶瓷的光致形变特性进行了研究,建立了PLZT陶瓷的新型光致伸缩模型;其次对PLZT双晶片式悬臂梁结构的驱动特性进行了分析;最后对柔性铰链放大结构进行了设计,并对其柔性铰链的承载能力进行了理论计算.计算结果表明,柔性铰链的承载能力满足使用要求,光微夹钳可实现远程光控而不受电磁干扰,可自主控制夹持与释放动作,其放大机构的放大倍数为24倍,且最大钳口距离可达3.880mm,基本满足大部分微型零件的操作需求,具有很好的通用性和适用性.     

双层柔性铰链微小夹持器

本文详细介绍了双层柔性铰链微小夹持器的设计，制作和实验。在分析压电元件和双层柔性铰链的结构及性能之后，计算出位移放大倍数以及夹持器的张合量，该夹持器具有较宽的工作范围，高灵敏度和结构简单等特点，是一种新型的微小机械。     

压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器实验研究

针对电液伺服阀电磁式前置级驱动器频响低的问题，提出了一种压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器，该驱动器以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件，通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构，放大压电叠堆的输出位移．同时，设计、研制了实验装置，并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验．研究表明，该驱动器具有线性良好、高分辨率、高频响等特点，由有限元分析得到的固有频率达到了1．201kHz，实际测量的固有频率为1kHz。     

压电式微位移补偿机构

设计了一种压电式微位移补偿机构．采用压电陶瓷作为微位移驱动器，柔性铰链为导向机构，对传统电机驱动的丝杠螺母进给工作台运动位置进行自动补偿，实现了工作台二次精密定位．提高工作台的定位精度。设计的柔性铰链微位移放大器．可使工作台定位精度达0．01μm．满足许多精密、超精密加工场合需要。     

柔性微抓取器的机构分析及设计优化

以实现对微小零件的装配为目标,通过对运用单轴柔性铰链位移放大机构的柔性微抓取器进行理论和有限元分析,指出柔性铰链的缺陷.在改进设计中提出并利用柔性梁替代柔性铰链作为抓取器的运动副.通过理论、有限元对改进后的柔性微抓取器进行分析,并通过实验证明了该抓取器的可行性.     

打通型双串联与三串联柔性铰链设计与性能比较

平面折展柔顺机构(lamina emergent mechanisms,LEMs)的重要组成部分之一是柔性铰链,因此设计新型的平面折展扭转铰链(lamina emergent torsional joint,LET)能够对其运动起到十分关键的作用.本文提出了一种打通型LET柔性铰链,设计了打通型双串联柔性铰链和打通型三串联柔性铰链的两种结构形式,分别推导出了两种铰链的弯曲等效刚度计算公式.通过对设计实例的理论分析与有限元分析,验证了等效刚度计算公式的正确性.将外形尺寸相同的打通型双串联、三串联柔性铰链与外LET铰链进行了弯曲以及拉压性能的对比,结果表明,打通型三串联LET柔性铰链在拉压性能下降不明显的情况下,能够较大幅度地提升弯曲性能.     

微定位器中柔性铰链结构的有限元分析及改进

微定位器是微机械系统精密加工、纳米技术的重要组成部分,柔性铰链结构则是微定位器的核心部件。利用有限元分析软件ANSYS,对两种常见铰链进行了分析,研究了其几何参数对结构的刚度、运动方向精度的影响;证明了在微动范围内,柔性铰链结构的刚度不随输出点的线位移的大小变化而变化,是常数,且刚度与结构的运动方向精度不成简单的线性关系。在此基础上,提出一种改进型柔性铰链结构,各项性能指标得到了改善。     

双曲余弦曲线轮廓柔性关节的设计与分析

基于弹性力学中的应变能理论和卡式第二位移最小定理,推导出了利用双曲余弦曲线轮廓设计的单轴平面微动关节在平面内3个自由度微运动中的柔度解析表达式.在此基础上将各方向柔度变化规律与目前广泛应用于柔性机构设计中的半圆弧曲线平面微动关节的对应规律进行比较,揭示了这种类型微动关节在柔性机构设计中一些有用性能,如不存在变形耦合,且柔度随关节尺寸变化较为稳定.     

柔性铰链运动性能多目标优化设计

分析了表示柔性铰链运动性能的柔度矩阵.以影响其性能的关键因素即柔性铰链的结构参数为设计变量,提高柔性铰链的转动性能为目标,建立了其多目标优化模型,并给出了基于Powell内点惩罚函数法的直圆型柔性铰链优化设计实例;优化结果说明该方法的有效性和实用性.对优化前后柔性铰链的运动性能进行了分析比较;结果表明,当施加一确定力时,优化后柔性铰链的运动性能比优化前有了明显提高,达到了改善直圆型柔性铰链运动性能的目的.     

基于等效耦合刚度的平面折展滑块机构分析

柔性铰链是实现平面折展柔顺机构运动的关键部分。如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。综合考虑影响平面折展机构铰链刚度和精度特性的等效弯扭及拉压刚度,以LET铰链为例,分析在不同载荷下各个参数对弯扭与拉压等效耦合刚度的影响趋势,从而提出弯扭与拉压等效耦合刚度的概念。通过大量的实例计算和分析,推导出LET铰链弯扭与拉压等效耦合刚度的经验公式。基于等效耦合刚度经验公式,对平面折展柔顺滑块机构进行分析。应用等效耦合刚度公式与不应用等效耦合刚度公式两种情况的分析结果和有限元仿真结果表明,应用等效耦合刚度经验公式的滑块位移计算精度得到很大的提高,验证了等效耦合刚度经验公式的适用性。     

单轴对称型柔性铰链的有限元分析

对几种常用的单轴对称型柔性铰链的内部应力和转动柔度进行有限元分析比较,该方法分析了在柔性铰链最小厚度相同的情况下,切口形状和大小对柔性铰链的内部应力和转动柔度的影响,对微位移机构中柔性铰链的设计应用具有实际的数据参考价值。     

微小型机器人的新型步行机构--柔铰五杆机构

基于微小机械设计的一体化思想，通过分析五杆机构在小范围运动状态下近似线性的传动特性，把平面多自由度的闭链五杆机构和易于实现尺寸生小型化的柔性铰链结合在一起，提出了一种柔铰五杆机构。给出了这一机构的设计理论和方法，并应用到微小机器人的步行机构上，对其进行了仿真验证。结果表明，这一步行机构是可行的。