柔性铰链微动机构的分析与设计（精品pdf）

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。

二维柔性工作台通过柔性铰链的弯曲变形实现范围为几十微米的微位移运动，因此要求选择机械性能和弹性性能良好、热导率高以及热膨胀率较小的材料，做工作台毛坯。

图7-2 双柔性四杆机构工作台结构简图
四. 柔性铰链的基本工作原理与设计
柔性铰链是实现小范围偏转产生微位移的结构，它具有高精度、高稳定性、无间隙和无机械摩擦等特点，并在近十几年来广泛用于微定位系统中。

柔性铰链是一种圆弧切口结构，由柔性铰链这种弹性导轨可组成新型的微定位系统，利用其受力弯曲产生的有限角位移，可以达到精密定位的目的；柔性铰链可以设计成多种形式进行饶轴的复杂角运动或构成柔性系统形成直线运动。

柔性铰链的基本图形如图7-3所示。

图7-3 柔性铰链结构
M zα组成柔性工作系统主要的基本形变是在作用下绕Z轴的转动，其转角
z
及转角刚度的基本公式为：
z K α∫
==x z z z dx x EI x M dx dy
)()(α （7-1） θθθθd r t r b E r M z ∫−+=3]
cos )2/()[3/2(cos βαα12Eb M K
z z
z == （7-2） 式中 ∫−+=θθθθβd r t r r 3
]cos )2/([8cos 同时，在柔性铰链组成柔性工作台系统时受到约束，将会有沿x 轴方向的伸缩，即存在，而且由于柔性系统加工不对称或存在自重等原因，将会存在作用，这样会产生沿x 、y 、z 方向的线位移，其基本形变公式为：
x F y M 作用下产生的沿X 轴位移x F x Δ为：
∫∫−+==Δx x x d r t r Eb r F x EA dx F x θθθθ]
cos )2/([2cos )( （7-3） z M 作用下产生的沿Y 轴位移y Δ为：
∫∫==Δx z r dx dx dy y θ
θθαcos )( （7-4） y M 作用下产生的沿Z 轴位移z Δ为：
∫∫==Δx y r dx dx dz z θ
θθαcos )( （7-5） 这些形变公式为柔性铰链组成柔性工作台系统进行微位移的理论基础。

简化设计方法：
上述的设计方法比较复杂，对用于微位移机构的柔性铰链进行分析，发现具有两个明显的特点，一是位移量（即柔性铰链的变形）比较小，一般是几十微米，二是结构参数在一般情况下取t ≥R 。

根据这两个特点可推导出简化设计方法。

柔性铰链转角刚度的计算简图如图四所示，柔性铰链的转角变形实际上是由许多微断弯曲变形累积的结果，设第i 个微段产生i θΔ的转角和i y Δ的挠度，则整个柔性铰链的转角θ和挠度y 为
∑=Δ=n
i i 1
θθ （7-6）
∑=Δ=n
i i y y 1
（7-7）
在研究微段变形时，可以认为微段是长度为dx 的等截面矩形梁，而且作用于微段两侧面的弯矩也是相同的，根据《材料力学》可以得到柔性铰链中性面的曲率半径公式
)()(1
x EJ x M =ρ
（7-8） 式中 E —材料的弹性模量； J(x)—截面对中性轴的惯性矩；
M(x)—作用于微段上的弯矩。

dx
因为t ≥R ，柔性铰链的全长2R ，较结构中
其它尺寸小得多，所以可以认为柔性铰链上的
弯矩变化不大，可把M(x)看作常数。

曲率半径与坐标x,y 的关系为
2
/3222])(1[1dx
dy dx y
d +=ρ （7-9） 图7-4 转角刚度计算图 弹性微动机构的行程很小，所以柔性铰链弯曲变形时，挠度大大小于柔性铰链的全长，所以1<<dx
dy ，因此公式（7-9）可以简化为 221
dx y d =ρ （7-10） 当转角很小时，利用近似公式dx
dy tg =≈θθ，将公式（7-10）代入公式（7-8），并把直角坐标系转换为极坐标系，可得出柔性铰链的转角公式
∫−+=π
αααθ02)
sin 22(sin 12d R t R Eb MR （7-11） 用Romberg 数值积分的方法对上式进行积分，可求得不同的R,t 值时柔性铰链转角刚度θ
M 的值，常用的R,t 值的柔性铰链转角刚度值见表一。

表7-1 柔性铰链转角刚度（mm ·kg/rad ）
t ＝1.0mm t = 1.5mm t = 2.0mm t = 2.5mm t = 3.0mm R=1.0mm
0.081Eb 0.24 Eb 0.52 Eb 0.94 Eb 1.6 Eb R=1.5mm
0.063 Eb 0.18 Eb 0.39 Eb 0.70 Eb 1.2 Eb R=2.0mm
0.053 Eb 0.15 Eb 0.32 Eb 0.58 Eb 0.94 Eb R=2.5mm
0.047 Eb 0.13 Eb 0.28 Eb 0.50 Eb 0.81 Eb R=3.0mm 0.043 Eb 0.12 Eb 0.25 Eb 0.45 Eb 0.73 Eb E —材料弹性模量 b —厚度
设计时可根据驱动器的负载和最大位移定力值F 和位移量S （见图7-1）。

杆长L 可根据结构自行选定，根据公式可求出每个铰链的转角刚度，再根据确定的转角刚度，确定柔性铰链的基本参数、宽度t 、厚度b 和圆弧半径R 。

θ
K
图7-5 柔性铰链微动工作台模型
五. 柔性铰链微动工作台的分析与设计公式
对图7-5所示的微动工作台基本结构设计时进行下列假设：
1. 工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体；
2. 柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其它变形。

设四个柔性铰链的转角刚度为，那么当四连杆机构在外力F 的作用下产生S 的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为
θK 22
1θθθK A = （7-12） 式中 l
S =θ θK 可由表一查出外力F 所作的功为
FS A 21= （7-13）
由能量守恒定律：A=4,可推导出弹性微动工作台的刚度值—基本设计计算公式：
θA 24l
K K θ= （7-14） 设计方法：
一、 可根据微驱动器的参数确定工作台刚度
二、 选定l,查表定R,t,b.
八、光机电一体化柔性系统结构分析
1. 实验目的
1.了解分析机光电一体化柔性系统机械传动的全过程
2.分析杆机构、间歇机构、螺杆调节机构、同步齿型带等机械结构传动的原理及过程
3.了解每种传感器的功能和作用
4.了解液压元件的结构工作原理及其应用
5.了解阀以及气动元器件的基本知识
6.用PLC控制整站过程并编程
2. 机电一体化柔性系统概述
现代工业是计算机、信息技术、现代管理技术、先进工艺技术的综合与集成，涵盖了产品设计、生产准备、制造执行等多方面内容，是国家建设和社会发展的重要支柱之一。

为了加强学生面向社会的挑战能力，提高其机、电一体化的理论水平与实践能力刻不容缓，重点建设机电类工程柔性加工系统的实验平台，更具有迫切性和现实意义。

Me093399型机电一体化柔性系统是一套完整，灵活、模块化，易扩展的教学系统，根据学生的实际水平研发并制造，从简单到复杂，从零部件到整机。

采用铝合金结构件为系统的基本操作平台，利用多种机械传动方式模拟完成现代化装配过程的柔性加工系统，把实际工业生产中的电气控制部分、各种传感器和现代化生产中的工业总线，组态控制，充分展示在该系统中。

Me093399型机电一体化教学系统采用SIMATIC S7-300系列PLC作上位机，由多个S7-200系列作为下位机，由下位机控制各站的执行元件，由上位机通过PROFIBUS总线对下位机和各执行元件进行连接和控制。

Me093399型机电一体化系统通过PROFIBUS DP 总线实现S7 300与S7 200的直接通讯。

本系统为单主多从型系统，由S7 300作为系统主站在工作时间内一直占有总线的控制权，与网中的从站进行通讯，为纯主从式通讯。

Me093399型机电一体化教学系统机电柔性自动循环部分由五部分组成：上料单元、下料单元、加盖单元、液压换向单元、直线运动单元。

3. 实验内容
机电一体化柔性系统工作原理和过程：
按下电控按钮，将工件放在上料单元的工件槽中，光电传感器检测到有工件，启动气缸，气缸终端连接电磁吸铁，将工件吸起。

电机带动摆臂旋转90度将工件与下料单元的工件入口同方向，通过调节摆臂两侧的微动开关控制摆臂的旋转角度。

控制摆臂上下动作的电机将摆臂抬起使其工件高于下料单元的工件入口，同样可通过调节摆臂中间的微动开关调节摆臂的扬程。

摆臂的高度和方向都对准后底层电机将通过齿条将工件前送到下料单元工件入口的正上方，将工件放下，然后进行复位，通过调节下放微动开关调节摆臂送件的前后位置。

工件进入下料单元，启动下料电机使工件进入，传感器检测到有工件时，下料电机停。

将工件托盘放入直线传送单元，传感器检测到有工件托盘到位，托盘下面传感器有信号，检测直流电磁阀定位是否到位，检测到位传感器的指示灯亮。

直流电磁阀定位到位后，检测主
体的传感器检测到托盘上并无主体时，下料电机启动，同步带同向转动，工件下降到托盘，工件下落后检测主体的传感器指示灯亮，直流电磁阀定位放行，托盘带工件下行，工作指示灯灭。

托盘带工件通过直线传送单元来到加盖单元，托盘下面传感器有信号，检测气缸定位是否到位，检测到位气缸上传感器的指示灯亮。

定位气缸到位后，检测主体的传感器检测到托盘上工件并无加盖时，电机启动，带动涡轮涡杆减速机转动（减速比为1：10），主摆臂动作，进行取、放工件盖。

将上盖与主体准确装配后，定位气缸放行，托盘带工件下行，工作指示灯灭。

如加盖装配不正常，传感器没有检测到加盖成功的信号，系统将会自动再次装配，3次不成功的话，系统鸣笛报警。

当托盘带工件进入液压换向单元，触发工件打号动作，由液压缸推动一个四杆机构对工件进行打号工序，液压缸复位后，由另一液压缸通过齿条齿轮传动将工件连同托盘一起换向90度，转入成品传送单元。

直线传送单元上的传感器将检测到工件到位的信号传给液压换向单元，后者立刻复位等待下一个工件的到来。

机电一体化柔性系统使用的相关技术：
1）现场总线种类及标准
现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。

随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线（FIELDBUS）为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。

由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。

近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：如德国西门子公司Siemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。

Me093399型机电一体化教学系统采用SIMATIC S7-300系列PLC作上位机，由多个S7-200系列作为下位机，由下位机控制各站的执行元件，由上位机通过PROFIBUS总线对下位机和各执行元件进行连接和控制。

使用PROFIBUS系统，在系统启动前先要对系统及各站点进行配置和参数化工作。

完成此项工作的支持软件：SIMATIC S7，其主要设备的所有PROFIBUS通信功能都集成在STEP 7编程软件中。

使用这种软件可完成PROFIBUS系统及各站点的配置．参数化．文件．编制启动．测试．诊断等功能。

2）PLC简单介绍
中央处理单元（CPU）
CPU是中央处理器（Centre Processing Unit）的英文缩写。

CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

存储器
存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。

输入、输出接口电路
输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备或其他外设之间的连接部件，它起着PLC 和外围着被之间传递信息的作用。

输入接口电路接收从按钮开关、行程开关等来的开关量输入信号和由电位器、热电偶、测速发电机等来的连续变化的模拟量输入信号，然后送入PLC。

输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑的输入接口电路的组成。

电源单元
PLC的电源单元包括系统的电源及备用电池。

PLC一般使用220V交流电源，允许电源电压额定值在+10%～-15%的范围波动。

电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。

有些PLC则可以为输入电路和少量的外部电平检测装置提供24V直流电源。

编程单元
编程器是PLC的重要外部设备，它是人机对话的窗口。

有的可嵌在PLC本体上，有的可通过电缆从PLC本体上接出来，有的还可以远离PLC接到I/O控制站的接口中使用。

3）PLC的工作原理
PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程如图。

这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行和输出处理几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。

PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。

由于PLC采用扫描工作过程，所以在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入采样阶段才能改变。

暂存在输出映象寄存器中的输出信号，要等到一个循环周期结束，CPU才集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。

由此可以看出，全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。

换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期不变，这就要求脉冲输入的宽度必须大于一个扫描周期。

3) 液压系统简单介绍
1．什么是液压传动?
液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。

液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。

2．液压系统的形式及评价
液压元件逐步实现了标准化、系列化，其规格、品种、质量、性能都有了很大提高，尤其是采用电子技术、伺服技术等新技术新工艺后，液压系统的质量得到了显著的提高，其在国民经济及军事工业中发挥了重大作用。

从不同的角度出发，可以把液压系统分成不同的形式。

（1）按油液的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统。

开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。

这种系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，但因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，导致机构运动不平稳等后果。

开式系统油箱大，油泵自吸性能好。

闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。

其结构紧凑，与空气接触机会少，空气不易渗入系统，故传动较平稳。

工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。

但闭式系统较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差。

为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。

由于单杆双作用油缸大小腔流量不等，在工作过程中会使功率利用下降，所以闭式系统中的执行元件一般为液压马达。

2）按系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双泵系统和多泵系统。

3）按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统。

变量泵的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺复杂，成本高，可分为手动变量、尽可能控变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。

4）按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。

串联系统中，上一个执行元件的回油即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件压力就要降低一次。

在串联系统中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时，只要液压泵的出口压力足够，便可以实现各执行元件的运动的复合。

但由于执行元件的压力是叠加的，所以克服外载能力将随执行元件数量的增加而降低。

并联系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分。

流量的分配随各件上外载荷的不同而变化，首先进入外载荷较小的执行元件，只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。

全液压传动机械性能的优劣，主要取决于液压系统性能的好坏，包括所用元件质量优劣，基本回路是否恰当等。

系统性能的好坏，除满足使用功能要求外，应从液压系统的效率、功率利用、调速范围和微调特性、振动和噪声以及系统的安装和调试是否方便可靠等方面进行。

现代工程机械几乎都采用了液压系统，并且与电子系统、计算机控制技术结合，成为现代工程机械的重要组成部分。

3．液压系统设计的任务
液压系统是机械伺服装置中的经典结构。

即使在机电类元件获得长足进步的今天，液压系统仍以其高功率／重量比，响应快，低速特性好等特点而在不少系统当中扮演举足轻重的角色。

无论哪一种液压系统（伺服作动系统或是纯粹的管路），设计开发过程中一般都免不了做以下几步工作：
初期：静态估计，根据额定／最大负载和基本运动参数确定构成系统的元器件或所设计元器件的基本结构；
中期：动态性能测试，校正初步设计和各种参数。

这时要考虑的因素比较多，包括开环／闭环动态响应特性，系统发热，故障工况分析等等。

按综合分析的结果确定系统构成并进行控制器设计。

末期：其它系统联合调试，提出改进意见。

由于液压系统复杂的物理属性--非线性，不连续性，给它的分析和设计造成很大障碍。

常用而有效地方法是在线性简化分析的基础上做实验。

4．液压系统的组成及其作用
一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、
辅助元件和液压油。

5．设计液压传动系统时应注意问题
1、在组合基本回路时，要注意防止回路间相互干扰，保证正常的工作循环。

2、提高系统的工作效率，防止系统过热。

例如功率小，可用节流调速系统；功率大，最好
用容积调速系统；经常停车制动，应使泵能够及时地卸荷；在每一工作循环中耗油率差别很大的系统，应考虑用蓄能器或压力补偿变量泵等效率高的回路。

3、防止液压冲击，对于高压大流量的系统，应考虑用液压换向阀代替电磁换向阀，减慢换
向速度；采用蓄能器或增设缓冲回路，消除液压冲击。

4、系统在满足工作循环和生产率的前提下，应力求简单，系统越复杂，产生故障的机会就
越多。

系统要安全可靠，对于做垂直运动提升重物的执行元件应设有平衡回路；对有严格顺序动作要求的执行元件应采用行程控制的顺序动作回路。

此外，还应具有互锁装置和一些安全措施。

5、尽量做到标准化、系列化设计，减少专用件设计。

问题
1．上料单元站使用了哪些机械传动机构？
2．下料单元站使用了哪些机械传动机构？
3．下料单元站为什么采用有机玻璃作为主体结构？实际中应采用什么材料？
4、加盖单元站使用了哪些机械传动机构？
5、微动开关为什么要两个挨着使用？两个开关各起什么作用？
6、系统的带传动一共使用了几种张紧机构，都是怎么调整的？
九、航空开伞器的结构分析
1 实验目的
1)了解开伞器的工作原理和结构。

2）对开伞器中典型零、部件进行结构分折
2 开伞器的用途
开伞器是一种机械式短时段延时控制机构，并且可以实现高度控制可用于空投和驾驶员救生。

将开伞器装在空投的人或物体上，跳离飞机后，开伞器可以控制在经过一定时间和达到一定高度时自动将伞包打开。

因此保证了空投的安全；另外，开伞器也可用延时引爆，例如鱼雷的引爆。

3 开伞器的工作原理
如图所示
图9-1 开伞器结构简图
（1）、能源：开伞器工作时所需要的能量是由压缩弹簧2供给的。

开伞器不工作时弹簧处于放松状态(虚线位置)．开伞器工作前拉钢索1，将弹簧压缩(实线位置)。

开伞器工作时、弹簧恢复力做功、释放能量．
（2）、时间控制机构
时间控制部分主要由一个轮系和一个无固有周期擒纵调速器组成。

擒纵轮。