平行板型柔性移动副的刚度计算及分析.pdf

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1、●CAD／CAE／CAPP／CAM现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2013年第12期平行板型柔性移动副的刚度计算及分析+杨春辉(华东交通大学轨道交通学院，南昌330013)摘要：柔性铰链是目前被广泛用于微动机器人的主要部件之一，其刚柔度性能直接影响微动机器人的终端定位。以材料力学理论为基础，推导了平行板型柔性移动副刚度的解析公式，利用有限元方法对柔性移动副刚度进行验证，分析结果与解析公式的计算结果基本一致。对柔性移动副的刚度特性进行分析，并分析了结构参数对其刚度性能的影响，为柔性移动副设计优化提供了有价值的参考。关键词：平行板；柔性移动副；刚度；有限

2、元中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：1671_3133(2013)12—0030—04ThestiffnessdesigncalculationandanalysisofparallelplateflexibleprismaticpairYangChunhui(SchoolofRailwayTracksandTransportation，EastChinaJiaotongUniversity，Nanchang330013，China)Abstract：Flexiblehingesarewidelyusedinmicrorobotic．Itscompliancedirectlyinf

3、luencesanorganization’Sterminallocaliza-tion．Basedonthetheoryofmechanicsofmaterialstheoremandanalyticalequationsareformulatedforstiffnessofparallelplateflexibleprismaticpair．Thefiniteelementanalysisresultsconfirmedthemodelpredictions．Thecharacteristicofparallelplateflex—ibleprismaticpair’Sstiffness

4、hasbeenanalyzed．Thetheorybasishasbeenprovidedfortheparallelplateflexibleprismaticpairandtheflexiblelinkrod’soptimization．Keywords：parallelplate；flexibleprismaticpair；stiffness；finiteelement0引言柔性铰链作为体积小、无机械摩擦、无间隙和高灵敏度的传动结构，被广泛地应用于各种要求小角位移、高精度转动的场合，如微夹钳机构广泛应用在航空工业、自动化工业、生物医药、计算机和光导纤维等领域，主要应用有光学调整装置、小

5、型力敏元件、陀螺仪、盒式天平、微加速度计、显微镜支架、微机电系统(MEMS)和高精度微位移工作台等。目前柔性转动副应用较多的是柔性铰链，而常见的柔性铰链有两种：直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链。直梁型柔性铰链有较大的转动范围，但运动精度较差；而圆弧型柔性铰链的运动精度较高，但转动范围相对较小⋯。为了兼顾运动精度和转动范围，又衍生出下面几种转动柔性铰链：抛物线型柔性铰链、椭圆型柔性铰链和双曲线型柔性铰链等旧1。1965年，+江西省教育厅基金资助项目(GJJl3344)30Paros已经推导出柔性铰链的刚度简化计算公式po，主要集中在对特定柔性铰链结构的不同性能指标进行研究。文献[4]～文献[“]

6、对常用柔性铰链的刚度计算及研究有比较全面的说明。但针对柔性移动副的研究文献却很少，目前主要是用柔性平行四边形机构来替代柔性移动副，还有一类柔性移动副是平行板移动副¨引，但尚未见到对柔性移动副刚度的准确表达式及分析，而柔性移动副在微动机构中的应用却13益增多。本文以平行板型柔性移动副为对象进行研究，利用力学的基本公式对该移动副的刚度计算公式进行推导，并应用有限元方法验证了公式的正确性；在此基础上，分析各设计参数对柔性移动副刚度的影响，通过分析得知，各设计参数对柔性移动副刚度的影响程度从大到小依次为：平行板柔性部位厚度￡，平行板柔性部位长度Z，平行板柔性部位宽度b，材料的弹性模量E。分析结果为柔

7、性移动副的设计优化提供了理杨春辉：平行板型柔性移动副的刚度计算及分析2013年第12期论依据。1平行板型柔性移动副的刚度计算平行板型柔性移动副的结构如图1所示。图1中b为平行板柔性部位宽度，t为平行板柔性部位厚度，Z为平行板柔性部位长度，20为平行板中间刚体部位宽度，c为平行板两侧刚体宽度。为了方便机构建模及装配，使中间部分的厚度远大于薄板(平行板柔性部位)的厚度，将中间部分看作刚体；外力F的位置是压电陶瓷驱