新型十字交叉柔性铰链放大机构研究

一
通 过后 处理 器 ， 柔 性 铰 链放 大机 构 的 放 大倍 数 进 对 行 分析 。已知两柔 性铰 链计 算得 理论 放大倍 数均 为
５８ 。 ． 倍
是 增加杠 杆 的宽度 ， 高杆件 的弯 曲刚度 ； 提 二是 减 的载荷 情况 下 ， 论 上 十字 交 叉 柔 性 铰链 放 大 机 构 理
柔性铰 链放 大机构 依靠 铰链 的弹性 变形来 完成 位移 的放大 和力 的传 递 ， 中转 角是 影 响 其放 大 能 其
力 的 关 键 因 素 。 ］
＝
坠
铀 ｃ 心㈣ ，
（） ６
在柔 性 铰链 位 移放 大 机 构 中 ， 杆 件 的弹性 变 各
△ Ｊｄ （）ｘ— Ｉ ａ 口ｄＲｉ ） （） ｚ— Ｉ ｚｄ … （ （ｓ 。 ７ ） ｎ
分别 对式 （ ） （ ） 行 积分 ， 出 ， ２一 ４进 得 Ｙ和 ｚ三
方 向位 移 损 失 分 别 为
一
式 中 ： ． ｙ ｙ ，。 分别 为输入 位移 和输 出位 移 ；， 分 别 ｚｚ 为杠 杆输入 臂长 和输 出臂长 。
ｄ ｚ，
（ ）
１ ２ 柔性 铰链放 大机 构 的位 移损 失 ．
—
Ｊ ‰
形 、 铰链 的 ｚ， ， 向变形 以及结 构 反 力均 会造 成 各 Ｙ
机构 的位移 损失 ， 其 实 际放 大 倍数 小 于理论 放 大 使 倍 数 。同等条 件 下 ， 移损失 越大 ， 明负载能力 越 位 说
差。
从理 论上 讲 ， 机 构 中应尽 量 避 免 柔性 铰 链 的 在 各 个方 向的位 移损失 。但在 传 统单 片柔性 铰链放 大 机构 中 ， Ｙ和 三 个 方 向的 位 移损 失都 是 不 可避 ｚ，
了 微位 移放 大机 构 中考 虑到 放大机 构较 大 的内部
第 ２ 期
何 忠 波 等 ： 型 十 字 交 叉 柔 性 铰链 放 大 机 构 研 究 新
３ ３
析 ， 用 ＡＮＳ 利 ＹＳ有 限 元 软 件 对 所 设 计 柔 性 铰 链 微
位移 放 大 机 构 进 行 相 关 仿 真 计 算 。 首 先 ， 用 利 Ｓ ｌ ｗｏｋ 软 件对放 大机 构 建 模 ， 导 入 ＡＮＳ ， ｏｉ ｒ ｓ ｄ 并 ＹＳ 用 ＡＮＳ ＹＳ所 提供 的 Ｓ ｌ ０ ｏ ｅ１ ６单 元 对两 种 ｏｉ ２ ｎ ｄ ８ ｄ
放 大 机 构 由 两个 铰 链 共 同 承 担 ， 十 字 交 叉 柔 性 铰 而
力学 结合 图 ５作 如下分 析 。 力偶矩 Ｍ。 ｚ轴 的角 变形 ａ 绕 是柔 性铰链 的重 要参 数ｌ ， 表达式 为 ４其 ］
８ ｘ ｍａ
链 则 由四个铰链 分 担 ， 因此 ， 移 损 失 相对 较 小 ， 位 但 负载能 力有所 增强 。 设杆 件末 端 载 荷 为 Ｆ， 由于 Ｆ 的原 因 ， 件 产 杆 生 弹性 弯 曲变 形 ， 成位 移损失 ， 图 ６ 造 如 所示 。
ｈｉ ｇｅ ｅ ｌ ｒ ｅ ．Ｔｈｅ ｄ ｆｅ ｅ ｅ ｅ ｗ ｅ ｎ ｔ ａ ｔｏ ｌｓｎｇ ｅ ｃ ｉ ｌ ｘ ｂ ｌ ｙ ｉ ｅ ｅ ｌ ｒ ｒ ａ ｄ ｄ — ｎ ｎａ ｇ ｒ ｉｆ ｒ ｎｃ ｓ ｂ ｔ ｅ ｒ ｄｉｉ ｎａ ｉ ｌ ｈ ｐ ｆｅ ｉ ｉｉ ｈ ｎｇ ｎ ａ ｇｅ ｎ ｅ ｔ ｃ ｓ ａ ｉ ｎ ｆｅ ｉ ｌｔ ｎｇ ｎ ａ ｇｅ ｒ ｏｍ ｐａ ｅ ｙ ｓｍ ｕ ａ ｉ Ｎ Ａ Ｓ Ｓ ｓ ｆｗ ａ ｅ Ｔ ｈｅ ｘ— ｕ ｓ ｔｏ ｌ ｘ ｂｉｉｙ ｈｉ ｅ ｅ ｌ ｒ ｒ ｗｅ ｅ ｃ ｒ ｄ ｂ ｉ ｌ ｔｎｇ ｏｆ Ａ Ｙ ｏｔ ｒ ． ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｐ ｏｖ ｓ ｔ ｍ ｕｌｔ ｒ ｉ ｏ ｒ ｃ ， ｎｄ ｔ ｅ ａ ａ ｔ ｇ ｌ ｘｉ ｉｉｙ ｈ ｎｇ ｎｌｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｒ ｅ ｈｅ ｅ ａ ｏ ｓ ｃ ｒ ｅ ｔ ａ ｈ ｄｖ ｎ ａ ｅ ｏｆｆｅ ｂ ｌｔ ｉ ｅ ｅ ａ ｇｅ ． Ｋｅ ｒ ｓ： ｅ ｕｓ ａ ｉ ｎ ｆｅ ｉ ｌｔ ｉ ｅ ｅ ａ ｇ ｒ ｍ ａ ｉｙ ａ ｌｔ ｄ ｓ ｌ ｃ ｍ ｅ ｏ ｉ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ｄ ｃ ｓ ｔｏ ｌ ｘ ｂｉ ｙ ｈ ｎｇ ｎｌｒ ｅ ； ｇｎ ｆ ｂｉｉｙ； ｉ ｐ ａ ｅ ｉ ｎｔｌ ｓ ｎ
加 结 构 输 出 的 稳 定 性 ， 外 形 如 图 ３所 示 。这 是 对 其
作 者 简 介 ：何 患 波 （ ９ ８ ） 男 ，博 士 ，副 教 授 １ ６一 ，
传 统单 片柔 性铰链 放 大机构 的创 新改 进 。
３ ２
军 械 工 程 学 院 学 报
图 ３ 十 字 交 叉柔 性 铰 链 放 大 机构
第 ２ ３卷第 ２ 期 ２１ ０ １年 ４月
军
械
工
程
学
院
学
报
Ｖｏ． １ ２３ Ｎｏ． ２ Ａ ｐｒ Ｏ１ ．２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＯｒ ｎ ｎ ｅ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｌ ｇ ｏ ｒ ａ ｄ ａ ｃ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｃｏ ｌ ｅ ｏ ｅ
文 章 编 号 ：０ ８２ ５ （ ０ １ ０—０ １０ １０ —９６ ２ １ ）２０ ３—５
笔 者 设 计 的 十 字 交 叉 柔 性 铰 链 既 能 满 足 以 上 诸 多 要
收 稿 日期 ：２ １ — ９３ ；修 回 日期 ：２ １ － １０ ０ ００ ０ ０ １０ － ４ 项 目来 源 ：军 队 科 研 计 划 项 目
Байду номын сангаас图 ２ 传 统柔 性 铰 链 放 大 机 构
求， 又能在 减小 单个 铰链 负载并 保证 输 出的 同时 ， 增
。一Ｊ￣ 面 ￡ －
一
ｍ ａｘ
一
…
若 输入端 和输 出端距 离 为 Ｚ ， 弹性模 量为 Ｅ， 则 位 移损 失为
ｌ． ｌ （ ） ８
￡ Ｊ日 。
…
［ （ ） … ｇ ］
△ｚ ＝
一 Ｆ ４
式 中 ： 为 切 口半 径 ； 为 切 Ｅ 圆心 角 ； Ｒ ｌ Ｅ为 切 口铰 链 弹性 模量 ； 铰链宽 度 ； 为切 Ｅ处最小 厚度 。 ｂ为 ｔ ｌ
放 大机 构 和笔 者 所 设 计 的 十字 交 叉 柔 性 铰 链 放 大 机 构 进 行 对 比 ， 过 实 验 验 证 了仿 真 的正 确 性 ， 明 笔 者 设 计 的 通 说
十 字交 叉 柔 性 铰 链 放 大 机 构 的优 越 性 。 关 键 词 ：十 字 交 叉 柔 性 铰 链 放 大 机 构 ；放 大 能 力 ；位 移 损 失
中 图分 类 号 ：ＴＨ１ ２ ４ ３． ５
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ａ ｎ ｌ ｓ ｓ ｏ ｅ Ｄ ｅ ｕ ｓ ｔｏ ｅ ｉ ｉｉｙ Ｈ ｉ ｅ Ｅｎ ａ ｇ ｒ ａ ｙ ｉ ｆａ Ｎ ｗ ｃ ｓ ａ ｉ ｎ Ｆｌ ｘ ｂ ｌｔ ｎｇ ｌ ｒ ｅ
ＨＥ Ｚｈ ｎ — ｏ， ｉｎ ｍ ｉ Ｌ ｎ — ｉ ＬＩＹｕ ｌ ｎ Ｃ ＩＸｕ ｏ ｇ ｂ ＸＩＪ ａ ｎ， ＩＤｏ ｇ ｗｅ ， —ｏ ｇ， Ｕ
力偶 矩 Ｍｙ 用下柔 性铰链 产 生 的绕 Ｙ轴 的角 作
变形 ａ 的 表 达 式 为
一 ｄｚ — ㈣
式 中 ： （ 为 微 小 段 ｄ 的 断 面 对 ｙ轴 的 惯 性 矩 。 Ｊ ）
力偶 矩 Ｍ 用下柔 性铰链 产 生的绕 ｚ 轴 的角 作
变形 Ｏ ｔ 达 式 为 表
１ 柔 性 铰 链放 大 机 构 工 作原 理
１ １ 柔性 铰链 放大机 构 的工作原 理 ．
铰链 节 点 为单 轴 圆弧 型 结构 ， 靠 节 点转 动 实 依 现运 动 传 递 和位 移 放 大 ， 柔性 铰链 放 大原 理 如 图 ４
所示。
输入位移 ‰
图 ５ 柔 性 铰 链微 元 划 分
链放 大机构 如 图 １２ 示 。 、所
ｙ
图 １ 圆 弧 柔 性 铰链 的几 何 形 状 和 参 数
由于柔 性铰链 完全 依靠 材料 的 弹性 变形 完成 力
和 运 动 的传 递 ， 种 变 形 的 大 小 受 到 材 料 许 用 应 力 这
的 限制 ， 许用 应力 的 大小 又 直 接 与 材料 的疲 劳 强 度
新 型 十 字 交叉 柔性 铰 链 放 大 机 构 研 究
何 忠 波 ，席 建 敏 ，李 冬 伟 ，李 玉 龙 ，崔 旭
（ 械 工 程 学 院 火 炮 工 程 系 ，河 北 石 家 庄 军 ０００） ５ ０ ３
摘 要 ：分 析 了柔 性 铰 链 放 大 机 构 的基 本 工 作 原 理 、 大 能 力 与位 移 损 失 。通 过 ＡＮ ＹＳ软 件 对 传 统 单 片 柔 性 铰 链 放 Ｓ
（ ｐ ｒｍｅ ｔｏ ｔ ｌｒ ｇｎ ｅｉｇ， ｄ ａ ｃ ｎ ｉｅｒｎ ｌ ｇ ， ｈｊａｈ ａ ｇ ０ ０ ０ Ｃｈｎ ） Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＡｒｉｅ ｙＥｎ ｉｅ ｒ ｌ ｎ Ｏｒ ｎ ｎ ｅＥ ｇｎ ｅ ｉｇＣｏｌ ｅ Ｓ ｉ ｚ ｕ ｎ ５ ０ ３， ｉａ ｅ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｐａ ｅ ｎａ ｙ ｅ ｔ ｅ ｔ ｏ ｙ， ａ ｉｙ ｎｇ ａｂ ｌｔ ｎｄ ｉｐｌ ｃ ｍｅ ｔ ｏ ｓ ｏｆ ｌ ｘｉ ｉｉｙ ｐ ｒ ａ ｌ ｓ ｓ ｈ ｈｅ ｒ ｍ ｇｎ ｆ ｉ ｉｉｙ ａ ｄ ｓ ａ ｅ ｎ ｌ ｓ ｆｅ ｂ ｌｔ
柔 性 铰 链 微 位 移 放 大 机 构 进 行 进 行 网 格 划 分 。 十 字
图 ６ 杆 件 弯 曲 变 形 ， 意 图 下
交叉 柔性 铰链放 大机 构 网格划 分如 图 ８ 示 。在放 所
大 机 构 的位 移 输 入 面施 加 位 移 载 荷 ， 后 求 解 ， 后 然 最
反 力 ， 件 的 弯 曲 变 形 ， 么 这 种 杆 件 产 生 的 弯 曲 变 杆 那 形将 影 响到位 移 放 大效 果 。解 决 这个 问题 的办 法 ，
小 机 构 的 内 部 反 力 。其 中 后 者 起 主 要 作 用 ， 同 样 在
一
厂
ｄ —
㈤
图 ４ 柔 性 铰 链 位 移放 大 原 理
式 中 ： （ 为微小 段 ｄ Ｊ ） ｚ的断 面对 ｚ轴 的惯 性矩 ； Ｇ
代 表材料 的剪 切弹 性模 量 。
（） １
根据杠 杆原 理 ， 性铰链 放大 倍数为 柔
ｎ— Ｙ 儿 ｙ 一 Ｚ／ ， 叭／ 。 ｌ
免 的 ， 在 十 字 交 叉 柔 性 铰 链 放 大 机 构 中 不 存 在 侧 而
为分析柔 性 铰链放 大机 构 的转 角与 各种位 移损 失 ， 先将柔 性铰链 微 元划分 如 图 ５所示 ， 首 根据 材料
向变形 （ △ 即 ＝０ 。 当负 载一 定 时 ， 统 柔 性 铰 链 ） 传
有 关 ， 此 必 须 考 虑 材 料 的 抗 疲 劳 指 标 。 材 料 需 要 因
有 较强 的抗疲 劳 能力才 可能使 机构 正常地 运 动 。另 外， 还要 确保材 料 在变 形 时 不 会发 生 张 力 松 弛 或蠕 变， 加工 起来相 对容 易 。根据柔 性 铰链 的上述 特点 ，
柔性 铰链是 一 种 特殊 的 高精 度 的放 大机 构 ， 利 用 材料 的可逆 弹性 变 形产 生 运 动 和传 递 运 动 ， 有 具 体 积小 、 动 间 隙小 、 摩擦 和分 辨 率 高 的 特 点ｌ 。 运 无 】 ］ 在 制造 、 宇航 、 物 和光学 工程 等领域 都得 到 了广泛 生 的应 用 ， 其是 在微位 移 、 尤 微定位 、 调整机 构 、 学 微 光 平 台和大 型天线 空 间展 开 机构等 许多 微机 械 中的应 用更 为突 出¨ 。圆弧形 柔性 铰链及 传统 单 片柔性 铰 ２ ］