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1、_,Given by Leslie Lu,2013 6-1,柔性机构 优缺点 与 关键技术 介绍,【柔性机构】（1页）,【柔性机构的优缺点】（2页）,【柔性机构的关键技术】（15页）,柔性机构概论的简单回顾,柔性机构的优缺点的介绍,柔性机构的部分关键技术的介绍,1,简 要 回 顾,定义：利用材料的变形来传递力或运动,起源与理论基础,优缺点：免装配轴漂,柔性铰链：形式、分类、性能指标,应用领域：机器人、MEMS等,关键技术：设计、加工、驱动等,典型实例：蝴蝶铰链、Robots等,2,优 缺 点,优点,柔性机构利用柔性铰链代替了刚性机构的传统的运动副，传统运动副与构件数目大大减少，从而减少了机构的
2、重量、加工、装配的时间和费用，同时也减少了机构中的间隙、摩擦、磨损、润滑等问题，提高了机构精度和可靠性，也减少了维护的成本。,2,优 缺 点,缺点,1.由于柔性构件变形实现的运动受到变形元件强度的限制，导致其行程有限2.轴漂与寄生误差3.刚度较差4.长时间经受应力或高温的柔性构件可能会出现蠕变和应力松弛现象5.能量存储,3,关 键 技 术,飞机发动机研制的三大难题：,柔性机构的部分关键技术：,【1】通过选择材料来增大柔性机构的行程,3,关 键 技 术,矩形梁自由端在力F作用下的变形：,最大应力：,由此可以求出当达到材料的弹性极限时自由端的最大受力F：,梁在失效前所承受的最大变形为：,可以看出，
3、最大变形与几何尺寸,和材料参数,有关。,3,关 键 技 术,【1】通过选择材料来增大柔性机构的行程,随之出现的问题：1.定位精度的降低2.自然频率和稳定性 的下降3.几何非线性,3,关 键 技 术,【2】通过选择材料来增大柔性机构的刚度,通过合理选择材质，提高柔性机构的整体刚度，可以提高机构的固有频率和稳定性，以及机构的机械效率，但要保证柔性铰链所受应力处于材料弹性极限以内。,TIPS：1.对于压电陶瓷存在的迟滞（一般在14%左右但迟滞曲线不唯一）、蠕变现象的减小方法:1)采用电荷控制方法;2)采用在压电陶瓷两端串联小电容的方法;3)Preisach数学模型;4)通用化的Maxwell 模型;
4、5)多项式近似模型;6)采用电阻和电容组成桥路;7)压电陶瓷元件位移闭环（现有的控制方法有PZT控制和变速积分的PI控制等）。2.压电元件的输出位移随着负载刚度的增加而减少。3.驱动器与执行器甚至传感器一体化集成设计对整块的PZT或SMA材料进行激光切割，可免于装配，降低造价，甚至达到减振的功效，而且对于改善机构甚至系统的动态性能也是大有禆益的。,3,关 键 技 术,3,关 键 技 术,其他驱动器：,TIPS：3个原则：1.高精度原则：欲保证运动输出端的高精度，除了选择类似高精度驱动器外，运放机构也需要有高精度作保证；2.功效损耗最小原则：运计机构作为传动系统，总要造成输入端一定程度的功率损耗
5、，原则上，这种功率损耗应该越小越好；3.运放倍数决定运放机构拓扑结构原则：一般情况下，结构越简单，性能越稳定，但是放大倍数也越小。,3,关 键 技 术,简单的并联机构：,并联机构的优点,3,关 键 技 术,【1】柔性铰链的选择,(1)限制范围柔性铰链的运动范围应限制在材料的残余应力区以外。(2)实现与传统运动副等效的运动设计时需尽量保证变形轴方向的刚度尽可能小,而非变形方向的刚度尽可能大。(3)改变变形处的形状和尺寸参数 变形的大小与铰链的长度l 和铰链细颈处的厚度t 有关,但加工工艺限制了t 的最小厚度。(4)开发新型柔性铰链尽管柔性铰链优点很多,同时也存在着一些弱点,如有限的运动范围、非固
6、定的转动中心等,开发新型柔性铰链是一条解决途径。,3,关 键 技 术,【2】结构形式的选择,（1）铰链分布方式铰链分布方式主要是指铰链与平台间的位置关系.（2）单个分支内铰链与构件间分布方式单个分支内铰链与构件间分布方式是指两者之间的位置关系,如3RPS平台机构中二者的分布方式就与3RPS角台机构有很大差别。（3）分支间的位姿关系并联式结构由多个分支组成,即使采用对称性的结构设计,有些机型也可因分支间的位姿关系不同而衍生出若干种机型来。,3,关 键 技 术,机构设计的一般流程,(1)从设计的要求或指标出发，首先完成机构的构型综合及优选，以确定合适的结构型式；(2)通过机构运动学、动力学及其特性
7、分析，完成机构运动尺度综合及优选，(3)还要进行动力学参数的综合与优选，最终以完成新机构的设计.,3,关 键 技 术,【刚度分析】,3,关 键 技 术,电火花加工法（WEDM）：利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电,产生瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化,从而达到蚀除加工的目的。电火花加工由于其非机械接触加工的特点,很适合MEMS制造的要求。,LIGA:LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写.是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术.,与其它微细加工方法相比，LIGA技术具有如下特点：(1)可制造较大高宽比的结构
8、；(2)取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；(3)可制作任意截面形状图形结构，加工精度高；(4)可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制造成本相对较低等。被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。,3,关 键 技 术,3,关 键 技 术,其他加工方法：,3,关 键 技 术,【1】材料【2】驱动【3】运放机构【4】并联机构,【1】性能提高：无间隙，无摩擦，可一体化装配，减轻重量,【2】成本降低：节省装配时间，无需润滑,【5】设计、综合【6】分析【7】加工【8】封装、检测,【1】行程有限，大行程与高精度之间存在矛盾,【2】轴漂与寄生运动【3】刚度较差【4】能量存储,4,小 结,Thats all,thank you!,
