基于APDL的柔性铰链位移放大机构

柔性铰链位移放大机构1 机构简介柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。

在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。

较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动；⑶免于磨损，提高寿命；⑷免于润滑，避免污染；⑸增大结构刚度。

柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。

伴随着微纳米技术所引发的制造、信息、材料生物和医疗等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子的微制造和微操作、微机电系统和生物医学工程等纳米定位中得到了广泛的应用。

在精微领域，柔性机构可以设计作为传动装置执行器和传感器等，不过，距离实际应用还面临若干理论与技术层面上的挑战，相对刚性机构而言，柔性机构的系统研究不过才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善。

2 机构的结构特征本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。

因此放大机构放大倍数必须大于6.67，所以选用的是一种两级对称式柔性铰链位移放大机构，图1为该放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微转动变形实现运动的传递或位移的放大。

整个机构为对称式结构,有较高的整体刚性,输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递,理论上可完全消除机构的侧向附加位移,有效地减小了自身的纵向耦合位移误差。

基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析ﻭﻭ全柔性机构是一种新型机构,通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。

为了达到精密运到的目的,全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。

压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声.然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放。

目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构.ﻭ基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放失真严重。

ﻭ而根据放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了关注。

ﻭJuｎHyuｎg Kim等人采用矩阵法建立了柔性链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放等特性。

N. Loboｎt ｉu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。

张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性链的刚度和应力模型。

本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式,在所建模型的基础上,进一步分析了桥式放大机构的刚度、放等特性，采用AＮＳYＳ软件进行仿真,并设计了相关的验证实验。

1 桥式放大机构数学模型柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。

为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。

桥式微位移放大机构采用全对称设计,其由4个柔性支链组成,因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。

ﻭ为便于分析，作如下假设:ﻭ1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ2）材料为均匀的各向材料；3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；4）柔性链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构刘敏;张宪民【摘要】A micro-displacement flexure amplifier was designed based on a high accuracy quasi-V-shaped flexure hinge to reduce its parasitic motion and to improve its dynamics performance.The performance of the quasi-V-shaped flexure hinge was compared with that of a common high accuracy right circular flexure hinge.In consideration of the central offset during the rotation of flexure hinge, the amplification ratios of secondary-lever micro-displacement mechanisms based on the quasi-V-shaped flexure hinge and the right circular flexure hinge were derived on the basis of the theories of elastic mechanics and material mechanics.The finite element model was established with ANSYS software to verify the theoretical derivation of amplification ratios of displacement.The amplification ratios of displacement, the parasitic motions and inherent frequencies of the two kinds of amplifiers mentioned above were compared.The finite element results show that the amplifier based on quasi-V-shaped flexure hinge has smaller parasitic motion but higher inherent frequency,and its first two-order inherent frequencies are 1.68 times and 1.41 times of those based on right circular flexure hinge.Finally, the amplification ratios of displacement and the parasitic motions for the two kinds of amplifiers were measured by a micro-vision measurement system.The experiment results show that the amplification ratios and relative parasitic motion ratios of amplifiers based on quasi-V-shaped and right circular flexure hinge are 4.387 and 4.529 aswell as 0.3147 and 0.3342 respectively.It concludes that the parasitic motion is effectively reduced and the dynamics performance is improved if the quasi-V-shaped flexure hinge is used in the micro-displacement amplifiers.%采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能.对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比.采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较.有限元分析结果显示:基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍.最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动.结果表明:基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)004【总页数】10页(P999-1008)【关键词】位移放大机构;类V型柔性铰链;直圆型柔性铰链;寄生运动;固有频率【作者】刘敏;张宪民【作者单位】华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510641;华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州 510641【正文语种】中文【中图分类】TH132随着精密工程、精密测量、微机电系统(MEMS)以及机器人等领域的快速发展，柔顺机构的应用越来越广泛且有着巨大的优势和潜力，尤其是在轻型、微型化领域[1-4]。

基于柔性铰链通用模型的柔性位移放大机构建模方法研究基于柔性铰链通用模型的柔性位移放大机构建模方法研究 1. 引言柔性位移放大机构是一种具有较大位移放大比和较高工作频率的重要机构，广泛应用于精密机械、医疗器械、航空航天等领域。

然而，传统的刚性机械建模方法往往难以准确描述柔性位移放大机构的动态性能。

因此，针对柔性位移放大机构的特点，本文提出了一种基于柔性铰链通用模型的建模方法，旨在提高柔性位移放大机构的动态性能分析的准确性和效率。

2. 柔性铰链通用模型柔性铰链通用模型是一种能够较为准确地描述柔性位移放大机构动力学性能的模型。

该模型将柔性杆连接的结构简化为一系列等效质点，以及连接质点的弹性元件。

通过引入柔性铰链，能够更好地考虑柔性杆的挠曲和扭转，从而准确描述柔性位移放大机构的整体动态行为。

3. 柔性位移放大机构的建模方法通过引入柔性铰链通用模型，本文提出了一种基于有限元分析的柔性位移放大机构建模方法。

具体步骤如下：3.1. 几何建模根据柔性位移放大机构的实际结构，利用CAD软件进行几何建模，包括各个零件的外形、尺寸和连接关系等。

3.2. 材料属性确定根据柔性位移放大机构所用材料的力学性质，确定其弹性模量、泊松比等参数。

3.3. 网格划分将建模的柔性位移放大机构进行网格划分，形成离散的节点和单元。

3.4. 边界条件设定根据柔性位移放大机构的工作条件，设定固定边界条件和加载边界条件。

3.5. 弹性元件建模根据柔性铰链通用模型，利用弹性力学理论，将柔性杆简化为一系列等效质点和弹性元件，并设置相应的刚度参数。

3.6. 动力学分析通过有限元软件进行动力学分析，考虑柔性位移放大机构的惯性和弹性特性，并获取其动态性能。

4. 建模结果分析根据柔性位移放大机构的建模结果，进行动态性能分析。

通过振动模态分析、应力应变分析等方法，评估柔性位移放大机构在不同工况下的动态性能。

5. 实例分析通过实例分析，验证了该建模方法的准确性和可行性。

2018年7期Technology Innovation and Application创新前沿用于压电驱动器位移放大的柔性铰链放大机构研究郑丽云，沈剑英，王鹏飞，戚佳成，朱成(嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴314001)摘要：压电微位移驱动器在精密微位移应用场合具有许多优点，但它的输出位移较小。

为了放大它的输出位移，研究人员提出各种不同种类的放大机构，放大倍数是衡量放大机构性能的主要指标。

文章主要介绍了常用的杠杆式柔性铰链机构Scott-Russell机构和桥式柔性铰链机构三种放大机构的放大倍数的计算方法。

关键词：压电驱动器；微位移；柔性铰链放大机构中图分类号：TH703 文献标志码：A 文章编号院2095-2945 (2018)〇7-〇〇21-〇3Abstract: The piezoelectric micro -displacement actuator has many advantages in the application of precise micro-displacement, but its output displacement is small. In order to amplify its output displacement, researchers put forward a variety of amplification mechanisms, as the magnification is the main index to measure the performance of the amplification mechanism. This paper mainly introduces the calculation methods of magnification of three kinds of amplifying mechanisms, i.e., commonly-used lever-type flexure hinge mechanism, Scott-Russell mechanism and bridge-type flexure hinge mechanism.Keywords: piezoelectric actuator; microdisplacement; flexure hinge amplifier引言由于压电陶瓷具有逆压电效应，当其在两级施加外电压时，压电陶瓷会沿极化方向产生微变形，利用这个特性可以制成微位移驱动器。

基于APDL语言的柔性铰链机构参数化实体建模
沈剑英;杨世锡;周庆华;严拱标
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2005(000)003
【摘要】柔性铰链机构是一种新型的微位移机构,具有无机械摩擦、无间隙、无热源、运动连续、不需润滑及分辨率高等优点,因而在许多领域得到了广泛应用.为了分析柔性铰链机构的输出位移,采用大型通用有限元分析软件ANSYS进行参数化有限元分析,APDL语言(ANSYS Parameter Design Language)是ANSYS软件提供的参数化程序设计语言,采用该语言可以分别地建立柔性铰链机构的几何实体模型.文章首先介绍了参数化编程语言APDL,再提出了用该语言进行编程实现参数化实体建模的一种方法,最后,以单平行四杆柔性铰链机构为例证明这是一种方便、快速的实体建模方法.
【总页数】2页(P27-28)
【作者】沈剑英;杨世锡;周庆华;严拱标
【作者单位】嘉兴学院,机械工程系,浙江,嘉兴,314001;浙江大学,机械工程系,杭州,310027;嘉兴学院,机械工程系,浙江,嘉兴,314001;浙江大学,机械工程系,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TH132:TP391.72
【相关文献】
1.基于APDL的3-RPS并联机构参数化建模 [J], 李镇山
2.基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计 [J], 卢倩;黄卫清;孙梦馨
3.基于APDL的柔性铰链位移放大机构 [J], 邹翔;李国平;沈杰;韩同鹏
4.基于VB与APDL的全柔性机构参数化建模方法 [J], 胡光学;张彦斐;宫金良
5.基于APDL语言的门式起重机结构参数化建模探析 [J], 刘跃昆;陈艳艳;张俊海因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

柔性铰链微位移放大机构的研究张远深;刘晓光;张园成;赵庆龙;於又玲【摘要】针对积层式压电驱动器的输出位移行程过小的缺点,提出了一种柔性铰链微位移放大机构.从理论出发对单轴柔性铰链进行分析,建立转角刚度的数学模型,得到相应的结构参数对其性能的影响规律和理论上的解析表达式,利用有限单元法对理论模型进行对比验证,得出单轴柔性铰链设计的一般规律.为压电伺服阀阀芯运动机构的设计奠定了基础.%A mechanism of magnifying micro displacement by using flexure hinges is proposed. Then the design method and the corresponding design parameters on the performance of one-axis flexure hinge are discussed. The model using the finite element method,is established and the general rale of one-axis flexure design is obtained. The work is useful for the application in the mechanism of the piezoelectrical servo valve.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2011(023)002【总页数】4页(P99-102)【关键词】柔性铰链;力学模型;有限元方法【作者】张远深;刘晓光;张园成;赵庆龙;於又玲【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH123微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一，在航天、生物学、光学、微电子学等领域有着广泛的应用前景[1，2].在机械式位移技术中，由于存在着较大的间隙和机械摩擦，致使运动灵敏度和定位精度都很难达到很高的要求.而柔性铰链式微位移机构具有解雇紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强等优点，采用压电驱动器进行驱动则很容易实现高分辨率的位移.柔性铰链是柔性铰链微位移放大机构设计的关键.在总结现有的柔性铰链微位移放大机构的基础上[3－8]，提出了单轴柔性铰链的设计分析方法，得出单轴柔性铰链设计的一般规律.单轴转动柔性铰链，其参数结构如图1所示，由力矩Mz引起的柔性铰链扭转变形为θ，由于柔性铰链实际角位移非常小，可认为θ＝tanθ，曲线斜率可得到铰链转角分析单轴柔性铰链的变形，实际上是由许多微小段弯曲变形累积的结果，每个微小段可以认为是长度为dx的等截面矩形梁，而且作用在微小段两侧面的弯矩也是相等的，根据材料力学，可得铰链中性面曲率半径公式其中E为材料的弹性模量；M（x）为微小段dx上的弯矩；J（x）为微小段dx的截面对中心轴的惯性矩.由于实际结构中柔性铰链的全长通常为2R，较结构中其他尺寸小，所以可以认为柔性铰链所受弯矩变化不大，可以把M（x）看作常数.曲线y＝f（x）上任意一点的曲率为在单轴柔性铰链的实际应用中，弯曲变形产生的挠度大于铰链的全长，所以转角θ≪1，因此联合公式（1）、（2）、（4）可得因为柔性铰链的全长2R比其他尺寸小，所以可以认为铰链的弯矩变化不大，即可把M（x）看成常数.将式（5）中直角坐标系变换成极坐标，相应地，可得单轴柔性铰链转角刚度kb公式为其中R为柔性铰链圆弧缺口的半径；T为柔性铰链的宽度；t为柔性铰链的最小厚度.根据式（7），将弹性模量E、柔性铰链宽度T、缺口半径R以及最小厚度t带入式中作积分，即可得出柔性铰链的转角刚度.由此可以看出柔性铰链的转角刚度与其结构参数密切相关，为了更为直观地理解各结构参数与转角刚度之间的关系，计算并分析了圆弧缺口半径R、最小厚度t对柔性铰链刚度kb的影响，计算结果如图2所示.该算例选择材料（铍青铜，QBe2）与结构的具体参数为由图2知，最小厚度增大，转角刚度增大；缺口半径增大，转角刚度减小.在实际应用中，由于结构尺寸的限制，柔性铰链缺口半径通常＜5mm，因此本算例中，可以看出R＜5mm，t＞0.5mm的范围内，柔性铰链具有较大的转角刚度，在设计中应避免其结构尺寸落在该范围内，使得铰链具有较小的转动刚度，减小其机械阻抗，有利于提高放大倍率.计算并分析了铰链宽度T、最小厚度t对柔性铰链刚度kb的影响，计算结果如图3所示.该算例选择材料（铍青铜，QBe2）与结构的具体参数为由图3知，转角刚度随铰链宽度T的增大而线性增加，最小厚度t在满足强度要求的前提下尽量选择较小值.在解析法建模的过程中，只考虑到柔性铰链受到弯矩载荷的情形.实际上，铰链存在转动的同时，存在一定的压缩和拉伸变形，而且还受剪切力的作用，不可避免的产生计算结果与实际值之间的误差.通过有限单元法建立单轴柔性铰链的数值模型，通过施加载荷与约束，使其模拟实际柔性铰链的工作状态，可以得出与实际值更为接近的计算结果.通常，通过计算铰链在外力作用下的位移来计算柔性铰链的转角刚度kb，得式中M为柔性铰链所受转矩，θ为柔性铰链的转角；F为柔性铰链所受力；L为柔性铰链所受力的力臂长度；D为受力点的位移.首先，建立柔性铰链的三维实体模型，结构参数如图4所示，包括柔性铰链半径R、最小厚度t、铰链宽度T以及铰链厚度B.在柔性铰链的解析法建模中只考虑了前3个结构参数，没有将厚度B考虑在内，即假设柔性铰链以外的部分为刚性.而在有限单元建模分析中是通过建立实际尺寸的实体模型，再施加简化了的实际约束条件，计算得出各节点的计算结果，因而考虑到更多的结构参数，其计算结果更接近于真实值.然后，进行定义单元类型、定义材料属性、划分网格、施加载荷约束以及求解计算等步骤.求解并计算出各组柔性铰链刚度值后再应用解析法计算出同样参数下的刚度值，同有限元法计算的结果进行对比研究.对柔性铰链进行有限元分析，首先确定柔性铰链的具体结构参数，具体数值如下：模型一端为固支，另一端施加20N的力载荷，计算该端的位移量，由公式M＝kbθ可得柔性铰链的转角刚度.通过对不同中心厚度t的柔性铰链刚度的对比可知，应用解析法和有限元法的计算结果有一定的差别.2种方法计算结果的比较如图5所示.在最小厚度t＜0.7mm范围内二者十分吻合.最小厚度t＞0.7mm时，有限元法计算的刚度值低于解析法，原因是解析法建模时未考虑中心偏移以及柔性铰链圆弧以外部分的刚度.随着最小厚度的增大，t值与柔性铰链厚度B的比值越来越大，当t 与B的比值＞0.1时，有限元模型圆弧部分与圆弧以外部分的刚度比较接近，整体发生挠曲变形，造成较大的挠曲变形，导致柔性铰链的刚度降低.由图5还可以分析出，增大铰链厚度t可较为明显地提高转角刚度.柔性铰链R由0.25mm变化至2.5mm时，有限元分析结果与理论结果对比有较大的差异，如图6所示.理论分析计算的结果是转角刚度随圆弧半径R的增大而减小；有限元分析的结果为转角刚度在一定的范围内波动，没有明显的变化趋势，其原因是理论计算中认为铰链的弯矩变化不大，柔性铰链所受的弯矩M（x）看成常数.而在有限元分析中，随着圆弧半径的增大，与力臂长度L的比值由0.03增至0.3，因而在圆弧弧段内弯矩变化较为明显.若将M（x）看成常数，势必导致一定的计算误差.有限元分析的结果较为接近实际情况，由此可以看出柔性铰链圆弧半径对柔性铰链的转角刚度影响较小.通过对单轴柔性铰链转角刚度的分析，建立单轴柔性铰链的力学模型，得到相应的结构参数对其性能的影响规律，利用有限元分析法对理论模型进行对比验证，得到单轴柔性铰链设计的一般规律，为压电伺服阀阀芯运动机构的设计奠定基础.【相关文献】[1]Renyi Yang，Musa Jouaneh，Rudolph Sch-weizert.Design and Characterization of a Low-profile Micropositioning Stage[J].Precision Engineering，1996，18（1）：20-29. [2]Smith T S，Badmi V G.Elliptical Flecure Hinges[J].Revsci Instrum，1997，68（3）：1 474-1 483.[3]林洁琼，王磊，李迎春，等.基于有限元的柔性铰链微位移放大机构设计[J].机床与液压，2009，37（10）：21-23.[4]张定会.采用柔性铰链实现微位移的方法研究[J].仪表与自动化装置，1999，29（5）：11-13.[5]张志杰，袁怡宝.单边倒角形柔性铰链的计算与性能分析[J].光学精密工程，2007，15（3）：384-389.[6]张志杰，袁怡宝.单边椭圆柔性铰链的计算与性能分析[J].机械设计与研究，2007，23（1）：50-53.[7]Lobontiu N，Paine J S N.Corner-filleted Flexure Hinges[J].Mech Design，2001，123（3）：346-352.[8]吴鹰飞，周兆英.柔性铰链的设计计算[J].工程力学，2002，19（6）：136-140.。