柔性铰链位移放大机构设计

柔性铰链位移放大机构
1 机构简介
柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。

在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。

较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：
⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；
⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动；
⑶免于磨损，提高寿命；
⑷免于润滑，避免污染；
⑸增大结构刚度。

柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。

伴随着微纳米技术所引发的制造、信息、材料生物和医疗等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子的微制造和微操作、微机电系统和生物医学工程等纳米定位中得到了广泛的应用。

在精微领域，柔性机构可以设计作为传动装置执行器和传感器等，不过，距离实际应用还面临若干理论与技术层面上的挑战，相对刚性机构而言，柔性机构的系统研究不过才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善。

2 机构的结构特征
本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出
力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。

因此放大机构放大倍数必须大于6.67，所以选用的是一种两级对称式柔性铰链位移放大机构，图1为该放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微转动变形实现运动的传递或位移的放大。

整个机构为对称式结构,有较高的整体刚性,输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递,理论上可完全消除机构的侧向附加位移,有效地减小了自身的纵向耦合位移误差。

图4-1 两级对称式位移放大机构
图4-2 位移放大机构原理图
图4-2为该机构原理图,由图示可求得该机构位移放大倍数A: A=A 1/A 2
其中,A 1=1+l 2/l 1,A 2=1+l 4/l 3，代入实际尺寸1l =8, 2l =12, 3l =8, 4l =24,则该放大机构的放大倍数为A=10。

机构的应力分析与最大位移输入
为使该位移放大机构正确可靠地工作,须对其工作状态下所承受的应力进行计算,以求取各铰链节点所允许的最大作用应力以及整个机构的最大输入位移,以保证各节点实际作用应力控制在所允许的材料屈服应力范围。

1 放大机构各节点的应力计算
放大机构各铰链节点的几何结构如图3所示,在力矩M Z 作用下,其最大应力和转角分别为:
b
t C M Z 26=
σ
（4-1）
()
ααα
θπ
π
d R t R Eb R M Z ⎰-
-+=22
3
cos 22cos 12
（4-2）
式中:
E ——弹性模量(MPa); b ——节点厚度(mm); R ——圆弧半径(mm); t ——铰链最小厚度(mm);
C ——应力集中系数,其值可按下式计算:
325
.084.572
+++=
t
R R t C
（4-3）
图4-3 圆弧型柔性铰链
假设该机构在工作时仅在铰链节点处产生微小的弹性变形,其余部分看作为完全刚性体，，若机构输入位移为y in ,可根据y in 以及式(1)-(4)计算出放大机构各节点实际作用应力σ。

由式(4)可求得铰链节点的转动刚度k θ:
θK ()
ααα
θ
π
π
d R t R Eb R M Z
⎰-
-+==
22
3
cos 22cos 12/1(N ·M/)
(4-4)
由于机构的对称性,仅需对图4-2左半部或右半部各节点进行计算,左半部节点1,2,9实际作用应力为:
=j σin j j
j j in j j y t R R t bl t y C K ⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+++0325.084.527612
θ (4-5)
同理,左半部5,7,10,13各节点应力为:
()3
22
216l bl t l l y C K j in j j p +=
θσ
(4-6)
把j C 带入上式。

3.2 机构所允许的最大输入位移
设放大机构选用材料为65Mn,弹性模量为E=210Gpa,泊松比μ=0. 3,许用应
力[б]=571MPa,铰链节点厚度b=10mm 。

对于铰链节点1,其结构尺寸为R 1×t 1=1. 5×0. 3,可通过式(4)计算转动刚度k θ1=12. 7093,代入式(5)可求得y in1=0. 09976mm 。

同样,对于节点2,其R 2×t 2=1.5×0.4,转动刚度k θ2=6.1364,可求得y in2=0.04745mm;节点9,其R 9×t 9=2.0×0.3,k θ9=5.2791,则y in9=0.11729mm;其余节点,R ×t=2.0×0.3,k θ=5.2791,通过式(6)可求得y in =0.11731mm 。

由上述分析可见,节点2为结构最薄弱部分,当放大机构的输入位移超过y in =0.04745mm 时,节点2所作用的实际应力超过材料许用应力,将造成机构失效。

因而,该放大机构所允许的最大输入位移即为y 允=0.04745mm,若改善薄弱节点强度,所允许的最大输入位移将有所提高。

通过这次对所选用的两级对称式柔性铰链的强度和刚度的校核，以及对其工作状态下所承受的应力进行计算，该放大机构的输入位移为45μm,小于机构所允许的最大输入位移47.45µm，所以该位移放大机构可以可靠地工作, 能保证各节点实际作用应力在所允许的材料屈服应力范围之内。