柔性機構(gòu)優(yōu)缺點與關(guān)鍵技術(shù)介紹

1、【柔性機構(gòu)】（1頁）【柔性機構(gòu)的優(yōu)缺點】（2頁）【柔性機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)】（15頁）柔性機構(gòu)概論的簡單回顧柔性機構(gòu)概論的簡單回顧柔性機構(gòu)的優(yōu)缺點柔性機構(gòu)的優(yōu)缺點的的介紹介紹柔性機構(gòu)的部分關(guān)鍵技術(shù)的介紹柔性機構(gòu)的部分關(guān)鍵技術(shù)的介紹1簡 要 回 顧定義：定義：利用材料的變形來傳利用材料的變形來傳遞力或運動遞力或運動起源與理起源與理論基礎(chǔ)論基礎(chǔ)優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：免裝配免裝配軸漂軸漂柔性鉸鏈：柔性鉸鏈：形式、分類、形式、分類、性能指標性能指標應用領(lǐng)域：應用領(lǐng)域：機器人、機器人、MEMSMEMS等等關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)：設(shè)計、加工、設(shè)計、加工、驅(qū)動等驅(qū)動等典型實例：典型實例：蝴蝶鉸鏈、蝴蝶鉸鏈、RobotsRo

2、bots等等2優(yōu) 缺 點優(yōu)點柔性機構(gòu)利用柔性鉸鏈代替了剛性機構(gòu)的傳統(tǒng)的運動副，傳傳統(tǒng)運動副與構(gòu)件數(shù)目統(tǒng)運動副與構(gòu)件數(shù)目大大減少，從而減少了機構(gòu)的重量、加工、裝配的時間和費用時間和費用，同時也減少了機構(gòu)中的間隙、摩擦、磨損、潤滑等問題，提高了機構(gòu)機構(gòu)精度和可靠性精度和可靠性，也減少了維護的成本。2優(yōu) 缺 點缺點1. 由于柔性構(gòu)件變形實現(xiàn)的運動受到變形元件強度的限制，導致其行程有限行程有限2. 軸軸漂與寄生誤差漂與寄生誤差3. 剛度剛度較差較差4. 長時間經(jīng)受應力或高溫的柔性構(gòu)件可能會出現(xiàn)蠕變和應力松弛蠕變和應力松弛現(xiàn)象5. 能量能量存儲存儲3關(guān) 鍵 技 術(shù)材料設(shè)計加工飛機發(fā)動機研制的三大難題：材

3、料驅(qū)動運放機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計綜合分析加工封裝檢測柔性機構(gòu)的部分關(guān)鍵技術(shù)：【1】通過選擇材料來增大柔性機構(gòu)的行程3關(guān) 鍵 技 術(shù)矩形梁自由端在力矩形梁自由端在力F F作用下的變形：作用下的變形：334FLEbhmax26FLbh26yFLSbh26yS bhFL最大應力最大應力：由此可以求出當達到材料的彈性極限由此可以求出當達到材料的彈性極限時時自由自由端的最大受力端的最大受力F F：2max23ySLE h2/Lh/ySE梁在失效前所承受的最大變形為：梁在失效前所承受的最大變形為：可以看出，最大變形與幾何尺寸可以看出，最大變形與幾何尺寸和材料參數(shù)和材料參數(shù)有關(guān)。有關(guān)。 3關(guān) 鍵 技 術(shù)【1】通過

4、選擇材料來增大柔性機構(gòu)的行程隨之出現(xiàn)的問題：1. 定位精度的降低2. 自然頻率和穩(wěn)定性 的下降3. 幾何非線性3關(guān) 鍵 技 術(shù)【2】通過選擇材料來增大柔性機構(gòu)的剛度 通過合理選擇材質(zhì)，提高柔性機構(gòu)的整體剛度，可以提高機構(gòu)的固有頻率和穩(wěn)定性，以及機構(gòu)的機械效率，但要保證柔性鉸鏈所受應力處于材料彈性極限以內(nèi)。TIPS：1.對于壓電陶瓷存在的遲滯（一般在14%左右但遲滯曲線不唯一）、蠕變現(xiàn)象的減小方法: 1)采用電荷控制方法;2)采用在壓電陶瓷兩端串聯(lián)小電容的方法; 3)Preisach數(shù)學模型;4)通用化的Maxwell 模型; 5)多項式近似模型; 6)采用電阻和電容組成橋路; 7)壓電陶瓷元件

5、位移閉環(huán)（現(xiàn)有的控制方法有PZT控制和變速積分的PI控制等）。2.壓電元件的輸出位移隨著負載剛度的增加而減少。3.驅(qū)動器與執(zhí)行器甚至傳感器一體化集成設(shè)計對整塊的PZT或SMA材料進行激光切割，可免于裝配，降低造價，甚至達到減振的功效，而且對于改善機構(gòu)甚至系統(tǒng)的動態(tài)性能也是大有禆益的。3關(guān) 鍵 技 術(shù)3關(guān) 鍵 技 術(shù)其他驅(qū)動器：尺蠖電機直流電機步進電機音圈電機超聲波電機等等TIPSTIPS：3個原則：1.1.高高精度原則精度原則：欲保證運動欲保證運動輸出端的高精度，輸出端的高精度，除了選擇類似高精度驅(qū)動器外，運放機構(gòu)也需除了選擇類似高精度驅(qū)動器外，運放機構(gòu)也需要有高精度作保證要有高精度作保證；2

6、.2.功效功效損耗最小原則：損耗最小原則：運計機構(gòu)作為傳動系統(tǒng)，運計機構(gòu)作為傳動系統(tǒng)，總要造成輸入端一定程度的功率損耗，原則上，總要造成輸入端一定程度的功率損耗，原則上，這種功率損耗應該越小越好；這種功率損耗應該越小越好；3.3.運運放倍數(shù)決定運放機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)原則：放倍數(shù)決定運放機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)原則：一般一般情況下，結(jié)構(gòu)越簡單情況下，結(jié)構(gòu)越簡單，性能越穩(wěn)定，但是性能越穩(wěn)定，但是放大放大倍數(shù)倍數(shù)也也越越小小。3關(guān) 鍵 技 術(shù)簡單的并聯(lián)機構(gòu)：簡單的并聯(lián)機構(gòu)：提升剛度提高精度提高自然頻率減小寄生誤差降低慣性結(jié)構(gòu)緊湊更平衡的機械結(jié)構(gòu)，補償鉸鏈由于加工或溫度變化所產(chǎn)生的變形誤差并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點3

7、關(guān) 鍵 技 術(shù)缺點：在提升剛度的同時，會減小功能方向的行程【1】柔性鉸鏈的選擇(1)限制范圍柔性鉸鏈的運動范圍應限制在材料的殘余應力區(qū)以外。柔性鉸鏈的運動范圍應限制在材料的殘余應力區(qū)以外。(2) 實現(xiàn)與傳統(tǒng)運動副等效的運動設(shè)計時需盡量保證變形軸方向的剛度盡可能小設(shè)計時需盡量保證變形軸方向的剛度盡可能小, , 而非變形方向的剛而非變形方向的剛度盡可能大度盡可能大。(3) 改變變形處的形狀和尺寸參數(shù) 變形的大小與鉸鏈的長度變形的大小與鉸鏈的長度l l 和鉸鏈細頸處的厚度和鉸鏈細頸處的厚度t t 有關(guān)有關(guān), , 但加工工但加工工藝限制了藝限制了t t 的最小厚度。的最小厚度。(4) 開發(fā)新型柔性鉸鏈

8、盡管柔性鉸鏈優(yōu)點很多盡管柔性鉸鏈優(yōu)點很多, , 同時也存在著一些弱點同時也存在著一些弱點, , 如有限的運動范如有限的運動范圍、非固定的轉(zhuǎn)動中心等圍、非固定的轉(zhuǎn)動中心等, , 開發(fā)新型柔性鉸鏈是一條解決途徑。開發(fā)新型柔性鉸鏈是一條解決途徑。3關(guān) 鍵 技 術(shù)【2】結(jié)構(gòu)形式的選擇（1）鉸鏈分布方式鉸鏈分布方式主要是指鉸鏈與平臺間的位置關(guān)系.（2）單個分支內(nèi)鉸鏈與構(gòu)件間分布方式單個分支內(nèi)鉸鏈與構(gòu)件間分布方式是指兩者之間的位置關(guān)系, 如3RPS平臺機構(gòu)中二者的分布方式就與3RPS角臺機構(gòu)有很大差別。（3）分支間的位姿關(guān)系并聯(lián)式結(jié)構(gòu)由多個分支組成, 即使采用對稱性的結(jié)構(gòu)設(shè)計, 有些機型也可因分支間的位姿

9、關(guān)系不同而衍生出若干種機型來。3關(guān) 鍵 技 術(shù)機構(gòu)設(shè)計的一般流程(1)從從設(shè)計的要求或指標出發(fā)設(shè)計的要求或指標出發(fā)，首先，首先完成機構(gòu)的構(gòu)完成機構(gòu)的構(gòu)型綜合及優(yōu)選，以確定合適的型綜合及優(yōu)選，以確定合適的結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型式式；(2)通過機構(gòu)運動學、動力學及其特性分析，完成通過機構(gòu)運動學、動力學及其特性分析，完成機構(gòu)運動尺度綜合及優(yōu)選，機構(gòu)運動尺度綜合及優(yōu)選，(3)還要進行動力學參數(shù)的綜合與優(yōu)選，最終以完還要進行動力學參數(shù)的綜合與優(yōu)選，最終以完成新機構(gòu)的成新機構(gòu)的設(shè)計設(shè)計. .3關(guān) 鍵 技 術(shù)【剛度分析】3關(guān) 鍵 技 術(shù)電火花加工法（WEDM）：利用工件和工具電極之間的脈利用工件和工具電極之間的脈沖性

10、火花放電沖性火花放電, , 產(chǎn)生瞬時高溫產(chǎn)生瞬時高溫使工件材料局部熔化和汽化使工件材料局部熔化和汽化, , 從而達到蝕除加工的目的。電從而達到蝕除加工的目的。電火花加工由于其非機械接觸加火花加工由于其非機械接觸加工的特點工的特點, , 很適合很適合MEMSMEMS制造的制造的要求要求。LIGA:LIGALIGA是德文是德文LithographieLithographie，GalanoformungGalanoformung和和AbformungAbformung三個詞，即光刻、電鑄和注三個詞，即光刻、電鑄和注塑的塑的縮寫縮寫. .是一種基于是一種基于X X射線光刻技術(shù)的射線光刻技術(shù)的MEMSMEMS加工技術(shù)加工技術(shù). .與其它微細加工方法相比，與其它微細加工方法相比，LIGALIGA技術(shù)具有如下技術(shù)具有如下特點：特點：(1)(1)可制造較大高寬比的結(jié)構(gòu)；可制造較大高寬比的結(jié)構(gòu)；(2)(2)取材廣泛，可以是金屬、陶瓷、聚合物、玻取材廣泛，可以是金屬、陶瓷、聚合物、玻璃等；璃等；(3)(3)可制作任意截面形狀圖形結(jié)構(gòu)，加工精度高；可制作任意截面形狀圖形結(jié)構(gòu)，加工精度高；(4)(4)可重復復制，符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，可重復復制，符合工業(yè)上大批量生產(chǎn)要求，制造成本相對較低