高轴向刚度三轴转动柔性铰的设计、模拟及应用研究

论文摘要

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。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 柔性铰的应用研究现状
• 1.2.2 柔性铰理论研究现状
• 1.2.3 六维振动隔离平台系统研究现状
• 1.3 研究目的与内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 全文安排
• 2 轴向刚度三轴转动柔性铰结构设计与有限元计算模拟
• 2.1 高轴向刚度三轴转动柔性铰的结构设计
• 2.2 高轴向刚度三轴转动柔性铰有限元计算与模拟
• 2.2.1 采用ANSYS 进行有限元仿真与模拟的步骤
• 2.2.2 弯曲刚度有限元仿真计算
• 2.2.3 扭转刚度有限元仿真计算
• 2.2.4 轴向刚度有限元仿真计算
• 2.3 高轴向刚度三轴转动柔性铰主要结构参数对其性能的影响
• 0、r₀ 对各向刚度的影响'>2.3.1 结构参数t、R₀、r₀对各向刚度的影响
• 2.3.2 参数Δr 对高轴向刚度三轴转动柔性铰最大位移的影响
• 2.4 本章小结
• 3 高轴向刚度三轴转动柔性铰的刚度理论研究
• 3.1 柔性铰刚度理论研究材料力学知识
• 3.2 Paros 和Weisbord 关于单轴圆弧柔性铰的刚度理论推导
• 3.3 高轴向刚度三轴转动柔性铰的弯曲刚度理论研究
• 3.3.1 柔性铰弯曲刚度理论推导
• 3.3.2 有限元分析结果和理论推导结果对比
• 3.4 高轴向刚度三轴转动柔性铰的扭转刚度理论研究
• 3.4.1 柔性铰扭转刚度理论推导
• 3.4.2 有限元分析结果和理论推导结果对比
• 3.5 高轴向刚度三轴转动柔性铰的轴向刚度理论研究
• 3.5.1 柔性铰轴向刚度理论推导的研究情况
• 3.5.2 柔性铰轴向刚度理论推导的展望
• 3.6 本章小结
• 4 高轴向刚度三轴转动柔性铰的改进与有限元计算模拟
• 4.1 高轴向刚度三轴转动柔性铰的改进
• 4.2 柔性铰改进后有限元计算模拟和参数L 对各向刚度的影响
• 4.3 本章小结
• 5 基于高轴向刚度三轴转动柔性铰的六维振动隔离平台系统
• 5.1 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
• 5.2 六维振动隔离平台控制系统结构原理
• 5.3 硬件设计概述
• 5.4 电源管理
• 5.5 DSP 及外围接口电路
• 5.5.1 时钟电路、JTAG 电路
• 5.5.2 CPLD 电路
• 5.5.3 TMS320F2812 工作方式配置
• 5.6 A/D 和D/A 电路
• 5.6.1 A/D
• 5.6.2 D/A
• 5.7 RS232&USB 通讯接口电路
• 5.7.1 RS232
• 5.7.2 USB
• 5.8 软件设计
• 5.9 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 本文主要研究工作
• 6.2 本文主要贡献与创新点
• 6.3 后续研究工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目