高轴向刚度三轴转动柔性铰的设计、模拟及应用研究

发布时间：2020-06-30 22:18

【摘要】： 常见的柔性铰通常是在一块刚性较好的金属材料上用线切割的方法加工出矩形或圆弧形切口形成弹性支点,并通过它将绕轴作复杂运动的有限角位移转换成柔性支承系统的直线运动。柔性铰虽然只能提供有限度的转动角度,但是具有无摩擦、无磨损、无滞后、不需润滑、维护简单等特点,同时还具有结构紧凑、体积小、无运动间隙和分辨率高等优点,被广泛应用于精密机械、精密测量、微米/纳米技术等领域构成高精度定位机构和系统。在六维振动隔离平台的研究过程中,结合振动作为一种微运动的特点,支腿与平台间的连接机构应具有高的轴向刚度、低的弯曲和扭转刚度,即三轴转动能力;同时要求工作时安全稳定,不易损坏。到目前为止,在六维振动隔离平台支腿与平台间的连接机构大多采用单轴或双轴柔性铰、弹性体、甚至球铰。传统球铰由于存在摩擦、间隙和润滑问题,难以采用其实现高精度振动隔离,而单轴、双轴柔性铰和弹性体虽然可以弯曲和扭转,但却不能完全代替三轴柔性铰的功能。六维振动隔离平台中支腿与平台间连接机构的性能直接影响着六维振动隔离平台的最终性能。因此本文将完成一种新型的高轴向刚度三轴转动柔性铰的设计,并对其进行有限元仿真模拟、各向刚度计算、各向刚度理论研究以及结构的改进等工作。同时本文还将介绍基于高轴向刚度三轴转动柔性铰的六维振动隔离平台结构及系统,采用主从分布式控制方式完成六维振动隔离平台控制系统的初步搭建。本文的主要研究工作和成果包括: 1、设计并改进了一种新型高轴向刚度三轴转动柔性铰,根据其结构特征称这两款新型的高轴向刚度三轴转动柔性铰分别为空心圆柱圆弧切口柔性铰和空心圆柱混合切口柔性铰。提出了采用有限元技术对它们进行弯曲刚度、扭转刚度和轴向刚度分析的原理及方法。在此基础上分别对空心圆柱圆弧切口柔性铰和空心圆柱混合切口柔性铰的各向刚度进行了有限元分析计算,建立了空心圆柱圆弧切口柔性铰和空心圆柱混合切口柔性铰的各向刚度随柔性铰的关键结构参数变化的有限元模型和二次拟合方程。 2、研究了空心圆柱圆弧切口柔性铰的各向刚度理论,总结了柔性铰刚度理论研究的主要步骤,推导出了弯曲刚度和扭转刚度完整的理论模型,将理论模型和有限元分析模型进行了比较。同时分析了影响柔性铰轴向变形的关键部分,对柔性铰轴向刚度公式的推导指明了方向。 3、根据基于高轴向刚度三轴转动柔性铰的六维振动隔离平台结构特点,采用主从分布式控制方式完成了六维振动隔离平台控制系统的初步搭建。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH133.2
【图文】：

柔性铰,单轴,圆弧型,直梁

[2]。应用最为广泛的两类柔性铰为单轴和双轴两种。最常见的两类单轴柔性铰结构如图1.1所示。直梁型柔性铰（如图1.1(a)）有较大的转动范围，但运动精度较低[3]。单轴圆弧型柔性铰（如图1.1(b)）的运动精度较高，但转动范围相对较小[4]。常见的两类双轴柔性铰结构如图1.2所示。柔性球铰（如图1.2(a)）是一种双轴圆柱环向圆弧形切口柔性铰，因其运动类似于刚性机构中的球副而得名，也叫作球副型柔性铰[5]。双轴圆弧型柔性铰（如图1.2(b)）是在金属材料两个方向上切出两个圆弧切口。这几种柔性铰切口最薄处太薄，工作时不够安全稳定，容易被损坏。在六维振动隔离平台的研究过程中，结合振动作为一种微运动的特点，支腿与平台间的连接机构应具有高的轴向刚度、低的弯曲和扭转刚度，即三轴转动能力[6]；同时要求工作时安全稳定，不易损坏。到目前为止，在六维振动隔离平台的中支腿与平台间的连接机构大多采用单轴或双轴柔性铰

柔性铰,双轴,圆弧型,球铰

[4]。常见的两类双轴柔性铰结构如图1.2所示。柔性球铰（如图1.2(a)）是一种双轴圆柱环向圆弧形切口柔性铰，因其运动类似于刚性机构中的球副而得名，也叫作球副型柔性铰[5]。双轴圆弧型柔性铰（如图1.2(b)）是在金属材料两个方向上切出两个圆弧切口。这几种柔性铰切口最薄处太薄，工作时不够安全稳定，容易被损坏。在六维振动隔离平台的研究过程中，结合振动作为一种微运动的特点，支腿与平台间的连接机构应具有高的轴向刚度、低的弯曲和扭转刚度，即三轴转动能力[6]；同时要求工作时安全稳定，不易损坏。到目前为止，在六维振动隔离平台的中支腿与平台间的连接机构大多采用单轴或双轴柔性铰，弹性体，甚至球铰。传统球铰由于存在摩擦、间隙和润滑问题，难以采用其实现高精度定位[7]

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