基于能量特性的大行程柔性精密机构设计

在柔性精密机构的设计中，目前所采用的传统方法由于涉及的内部变量过多，不利于现有机构性能的提高以及新构型、新用途样机的开发。本申请旨在利用能量方法来实现柔性机构设计的便捷与高效。首先，通过大变形、非线性柔性单元能量模型的探索，来建立其设计参数与性能指标之间的关系；其次，借鉴模块化设计理念，根据约束特性，利用功能原理来研究柔性机构的载荷-位移关系；进而，利用柔性模块之间、柔性单元之间能量分布的相互抑制与协调机理，来进行柔性机构性能的评估和优化；最后，通过实验验证理论分析的有效性，同时利用能量方法来预测和评估加工、环境等非理想因素对性能的影响，指导实验样机的搭建。. 在简化设计的同时，由于能量解析表达式形式的统一、简洁，便于变厚度、预弯曲等非常规簧片的应用，以及非对称、过约束等模块组合方式的研究，以提高性能，扩展设计空间。

在柔性精密机构的设计中，目前所采用的传统方法由于涉及的内部变量过多，不利于现有机构性能的提高以及新构型、新用途样机的开发。本项目旨在利用能量方法来实现柔性机构设计的便捷与高效。首先，探索大变形、非线性柔性单元的能量模型，来建立其设计参数与性能指标之间的关系；其次，借鉴模块化设计理念，根据约束特性，利用功能原理来研究柔性机构的刚度、放大率等问题；进而，探索柔性精密机构的动力学问题；最后，利用能量法设计工具，开发了一台用于高精密测量不平衡力矩的仪器。项目的研究不仅可以完善和补充现有的设计方法，而且为柔性机构在精密工程，特别是航空航天领域的应用奠定了基础。为此，本项目开展了如下研究：.(1) 通过能量方法建立了簧片柔性单元的运动模型，推导了簧片横向刚度、轴向约束与应变能关系。.(2) 利用能量法建立了广义交叉簧片柔性铰链的模型。分别利用双平衡弹簧和单平衡弹簧2种补偿方式，消除了此柔性铰链的正旋转刚度，以降低驱动器的能量消耗。进而通过3种途径得到了补偿弹簧的刚度模型，并利用有限元仿真及实验验证了分析的结果。.(3) 提出了一种柔性八杆放大机构，利用能量法建立了其运动模型，并分析了具有拉格朗日乘子的能量法所具有的优势，此放大机构可用于提高驱动器的行程。另一方面，根据簧片的失稳特性，设计了一种零刚度柔性直线运动机构，通过能量法补偿了其寄生运动。.(4) 分析了广义交叉簧片柔性铰链、柔性平行四杆机构及柔性双平行四杆机构等典型柔性机构的固有频率。利用模块化理念与约束设计方法，提出了一种新型柔性直线运动机构，消除了冗余自由度，避免了动力学性能的恶化。进一步，提出一种可一体化加工的构型，改善了其加工特性。最后，利用有限元仿真及实验验证了所建立的模型的准确性。.(5) 利用能量法原理，结合轴漂尽可能小的条件设计了转动刚度为常值的交叉簧片柔性铰链支撑单元，并用此搭建了一种用于不平衡力矩高精度测量的柔性静平衡仪。实验结果表明0g至7000g有效载荷范围内仪器对0.16g•mm、0.32g•mm和1.30g•mm不平衡力矩的最大测量误差分别为0.073g•mm、0.096g•mm和0.065g•mm。交叉簧片柔性铰链的转动性能及径向承载性能良好，其可以用作质心测量设备的转动支撑单元。