【正文】 臺 進行理論建模奠定了基礎。 本章小結(jié) 偽剛體模型 和有限元方法 都 是對柔順機構(gòu)進行研究的有效方法 。 但 是 偽剛體模型并廣州番 禺職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 8 不能對柔性鉸鏈在 彈性變形 時所產(chǎn)生 的附加 位移進行建模，這些附加位移在理論與實驗結(jié)果之間引起的位置誤差是顯著的。在柔順 機構(gòu) 中，由于柔性鉸鏈 的 結(jié)構(gòu)特點，采用有限元法建立理論分析模型， 與 偽剛體模型法相比，具有分析準確等優(yōu)點。 本章 中 將柔性鉸鏈作為一個變截面的 三節(jié)點 梁單元進行建模，每個節(jié)點有三個自由度，該單元可進行回轉(zhuǎn) 中心的偏移計算。推導直圓柔性鉸鏈 單元 剛度矩陣和 單元 質(zhì)量矩陣的過程 具有通用性，對采用其它柔性鉸鏈的柔順機構(gòu)的理論建模具有借鑒意義。 建立了基于直圓柔性鉸鏈的柔順機構(gòu)的有限元模型， 對考慮溫度效應的柔順機構(gòu)的彈性動力學問題進行了理論研究，結(jié)果表明 研究 柔 順 機構(gòu)的動態(tài)響應時不能忽略由于溫度變化所引起的溫度效應 ，溫度 變化 對精密定位平臺輸出位移的影響是顯著的。 第四章 三節(jié)點雙軸柔性鉸鏈力學模型 9 第 四 章 三節(jié)點 雙軸 柔性鉸鏈 力學模型 引言 柔性鉸鏈一般分為單軸柔性鉸鏈、多軸柔性鉸鏈和雙軸柔性鉸鏈 。 雙軸矩形截面角圓形柔性鉸鏈 本文研究的雙軸柔性鉸鏈的結(jié) 構(gòu) 等四個幾何參數(shù)決定。 三節(jié)點 雙軸 柔性鉸鏈的 單元 剛度矩陣 卡氏第二定理 可用來定義對應點的位移 三節(jié)點 雙軸 柔性鉸鏈的 單元 質(zhì)量矩陣 這里 先求解 45,fe femm，其它質(zhì)量矩 陣隨后列出 。 算例 為驗證理論 分析 結(jié)果的正確性，本文通過了有限元軟件建立了雙軸矩形截面角圓形柔性鉸鏈的有限元模型， 結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙軸柔性鉸鏈回轉(zhuǎn)精度的影響 柔性鉸鏈繞其中心軸轉(zhuǎn)動時，其幾何中心 2 的位移大小可表示其運動精度。 本章小結(jié) 本章 研究 了一種外廓線為角圓形的雙軸矩形截面柔性鉸鏈，該柔性鉸鏈可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙軸柔性鉸鏈應用于空間多自由度柔順機構(gòu)。建立了 三節(jié)點 雙軸 柔性鉸鏈的 空間 力學模型，并用卡氏定理推導了雙軸柔性鉸鏈回轉(zhuǎn)精度的統(tǒng)一表達式，采用換元法得到雙軸柔性鉸鏈 回轉(zhuǎn)精度 的閉式解析式。 針 對柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動中心偏移所引起的誤差， 利用有限元 軟件 對柔性鉸鏈 回轉(zhuǎn)精度 的 閉式解析式 進行了校驗 ， 從而驗證了柔性鉸鏈 回轉(zhuǎn)精度的閉環(huán)解析式的正確性。 最后 分析了結(jié)構(gòu)參數(shù) 對柔性鉸鏈回轉(zhuǎn)精度的影響，得出相關(guān)結(jié)論 ： (1)雙軸柔性 鉸鏈的 回轉(zhuǎn)精度與材料的彈性模量 E 或剪切模量 G 成正比 。 (2)當 雙軸柔性 鉸鏈的最小厚度 t 和最小寬度 w 為定值時，柔性鉸鏈的 回轉(zhuǎn)精度 隨圓角半徑 R 或直梁長度 l 的增加或減小而相應地降低或提高，但受 l 的影響更顯著。 (3)當 雙軸柔性 鉸鏈的圓角半徑 R 和直梁長度 l 為定值時，柔性鉸鏈的 回轉(zhuǎn)精度 隨最小厚度 t 或最小 寬度 b 的增加或減小而相應地提高或降低。 以上結(jié)論 為柔性鉸鏈的工程設計提供理論依據(jù)。 廣州番 禺職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 10 第 五 章 考慮溫度效應的 柔順 機構(gòu) 試驗 研究 引言 前面 建立了柔性鉸鏈的理論分析模型， 并用 MATLAB 和 ANSYS 驗 證了理論分析的正確性。 試驗 測試 系統(tǒng) 本試驗 應變 測試系統(tǒng) 包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試。 軟件 (1)DH3816 靜 態(tài)應變測量 軟件 測量系統(tǒng)軟件 可同時進行多通道數(shù)據(jù)采集。 (2)可程式恒溫恒濕試驗機程序控制軟件 TEMI300 該軟件可對 可程式 恒溫恒濕試驗機進行溫度的設定，線性溫度加載。 (3)基于 NI Labview 開發(fā) 的動態(tài)應變測量 界面 基于 NI Labview 開發(fā)了 可進 行多通道動態(tài)應變數(shù)據(jù)采集 的 程序。 硬件 (1)工控機 工控機 (IPC)是以虛擬儀器軟件 Labview 為開發(fā) 平臺，通過用戶界面進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng) (2)PZT 驅(qū)動器 和控制 器 。 壓電陶瓷驅(qū)動器是一種高精度的微位移驅(qū)動元件，在精密定位平臺中得到廣泛的應用。驅(qū)動器由多層壓電陶瓷片疊 加 而成，每個壓電陶瓷片埋入電極形成機械上串聯(lián) ， 電路上并聯(lián)的疊層結(jié)構(gòu)。 試驗結(jié)果 第三 章建立了柔順機構(gòu)精密定位平臺的有限元模型， 為了檢驗所建模型的正確性，我們對該精密定位平臺進行了模態(tài)測試。 誤差分析 本試驗 測試系統(tǒng) 與理論分析模型 之間的 誤差 主要 表現(xiàn)在以下方面： (1)在高精度定位及某些特殊應 用場合，壓電陶瓷的溫度特性也是不容忽視的。 第五章 考慮溫 度效應的柔順機構(gòu)試驗研究 11 在試驗測量過程中發(fā)現(xiàn)，溫度的 升高或降低會造成壓電陶瓷零點漂移 ；隨著溫度的升高或降低， 壓電陶瓷的輸出位移 都會減少 。 隨著溫度的升高，壓電陶瓷在輸入滿位移時會發(fā)生過載現(xiàn)象；隨著溫度的降低，壓電陶瓷在輸入零位移時會發(fā)生過載現(xiàn)象。 (2)壓電陶瓷驅(qū)動器是通過與平臺 之間的預緊裝載到平臺上的， 恒溫恒濕試驗機內(nèi)環(huán)境溫度的 變化 會造成平臺的熱脹冷縮，從而促使壓電陶瓷驅(qū)動器與平臺之間的 間隙發(fā)生變化，這也是影響測量結(jié)果的原因之一。 (3)在試驗測量過程中，導線不能移動。因為接觸電阻或?qū)Ь€變線會引起橋臂改變?nèi)f分之一， 將引起 50με 或 μm/m (長度相對變化 610? )的 變 化。 本章小結(jié) 本章針對前面建立的柔性鉸鏈的理論分析模型， 搭建 了試驗 應變測試 系統(tǒng) 。 本試驗應變測試系統(tǒng)包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試。測試系統(tǒng)由軟件和硬件組成。軟件包 括 DH3816靜 態(tài)應變測量 軟件 ， 可程式恒溫恒濕試驗機程序控制軟件 TEMI300， 基于 NI Labview開發(fā)的動態(tài)應變測量 程序和界面 。硬件包括工控機，壓電陶瓷 (PZT)驅(qū)動控制器和壓電陶瓷驅(qū)動器， DH3816 靜 態(tài)應變儀， YE3817C 型 應變放大器 ， NI USB6009 多 功能數(shù)據(jù)采集卡，電阻應變片，可程式恒溫恒濕試驗機，精密定位平臺。 對基于柔順機構(gòu)的精密定位平臺進行了模態(tài)測試 和理論分析。 試驗結(jié)果表明： 考慮溫度效應的試驗測 試結(jié)果與理論模型基本吻合，說明了理論模型的正確性。 在研究 瞬態(tài) 響應過程中發(fā)現(xiàn)應力變化是線性增減還是非線性增減依賴于溫度隨時間變化的函數(shù)；在穩(wěn)態(tài)階段，應力變化則與溫度變化成線性關(guān)系。 平臺輸出的響應說明溫度會影響平臺輸出的動態(tài)性能，表明了對柔順機構(gòu)進行溫度效應分析的必要性。最后 分析了本試驗測試系統(tǒng)與理論分析模型之間誤差產(chǎn)生的原因。 廣州番 禺職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 12 結(jié)論與展望 主要工作和結(jié)論 本文研究了考慮溫度效應 的 柔性 和 柔順 機構(gòu)的彈性動力學， 主要工作和結(jié)論如下 ： (1)機構(gòu)的變形和應力不僅僅由機械力所產(chǎn)生，也可以由溫度變化或溫度場不均勻所引 起。 (2)柔順機構(gòu)是精密定位平臺 的 主體部分， 是一種利用 柔性鉸鏈 自身的彈性變形來完成運動和力的傳遞 或 轉(zhuǎn)換的新型 免裝配 機構(gòu) 。 偽剛體模型 和有限元方法 都 是對柔順機構(gòu)進行研究的有效方法 。 (3)雙軸柔性鉸鏈多應用于具有確定主軸方向的空間多自由度柔順機構(gòu)。 新型雙軸柔性鉸鏈多應用于空間多自由度柔順機構(gòu) 。 柔性鉸鏈 希望 具有較高的柔性和較低的集中應力，但具有較高柔性的柔性鉸鏈又不可避免地帶來負面影響 (如回轉(zhuǎn)精度低等 )。 創(chuàng)新點 (1)對考慮溫度效應 (瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài) )的機構(gòu)的彈性動力學問題 進行了 理論與試驗 研究 。 (2)采用有限元法 建立理論分析模型 ， 將 單軸直圓 柔性鉸鏈 作為 變截面的 三節(jié)點 梁單元進行建模，每個節(jié)點有三個自由度，該單元可進行 回轉(zhuǎn) 中心的偏移計算。 (3)研究 了一種外廓線為角圓形的雙軸矩形截面柔性鉸鏈，該柔性鉸鏈可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙軸柔性鉸鏈應用于空間多自由度柔順機構(gòu)。 研究展望 本文就考慮溫度效應的 柔性 和 柔順 機構(gòu)的彈性動力學問題進行了研究，根據(jù)作者對柔性 機構(gòu) 和 柔順 機構(gòu) 的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的研究來看，還存在 進一步研究的空間。 (1)當 柔 性機構(gòu)和柔順機構(gòu) 考慮溫度效應的彈性變形時，不僅存在 剛性運動和彈性運動之間的耦合效應 ，還存在 變形和熱 之間的 互相耦合 。 (2)在瞬態(tài) 測試 過程中，環(huán)境溫度的變化與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化存在較大的滯后現(xiàn)象，如何使理論模型更加接近實際情況也需要進一步研究。 (3)微 位移 平臺需要 高精度、高分辨率、高可靠性 ，無論 應用在哪個領域，可靠性是關(guān)鍵，精度是目標。 參考文獻 13 參考文獻 [1] Howell L L. Compliant Mechanisms [M]. New York: John Wiley amp。 Sons, 2021. [2] 張策 ,黃永強 ,王子良 ,等 .彈性連桿機構(gòu)的分析與設計 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 ,1997. [3] 李兆軍 .電動機 — 彈性連桿 機構(gòu)系統(tǒng)耦合動力學研究 [D].武漢 :華中科技大學 ,2021. [4] Howell L [M].余躍慶 .北京 :高等教育出版社 ,2021. [5] Halverson P A, Howell L L, Magleby S P. Tensionbased multistable pliant rollingcontact elements [J]. Mechanism and Machine Theory 2021, Article in Press. [6] [7] Li Z, Kota S. Dynamic analysis of pliant mechanisms [C]. Proceedings of ASME 2021 Design Engineering Technical Conferences, DETC2021 MECH34205, 2021:18. [8] cott M L, Howell L L. Dynamic response of pliant mechanisms using the pseudorigidbodymodel [C]. Proceeding of DETC’97 ASME Design Engineering Technical Conferences September, Sacramento California, 1997 :1417. [9] Boyle C, Howell L L, Magleby S P, Evans M S. Dynamic modeling of pliant constantforce pression mechanisms [J], Mechanism and Machine Theory, 2021, 38 (12) :14691487. 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