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柔顺机构动力学分析与综合

王雯静  
【摘要】: 柔顺机构主要靠机构中柔性构件的变形来实现机构的运动和功能。与传统刚性机构相比,它具有减少机构重量、安装时间、间隙和摩擦磨损,提高机构精度、增加可靠性、减少维护等方面的优点,适应现代科技发展对机械设备的要求,引起了学者们的广泛关注。目前,柔顺机构的绝大部分研究都是围绕着结构和运动分析以及拓扑优化设计开展的,而在动力学方面却很少涉及。随着柔顺机构的应用范围和工作要求的不断提高,如何改善柔顺机构的动力学特性,提高柔顺机构设计水平,将成为柔顺机构领域的关键问题,此项研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文以平面柔顺机构为研究对象,重点研究柔顺机构动力学问题,主要包括建模与特性分析、优化设计和实验研究等方面的内容。 首先,建立了以柔性铰链为主要特征的柔顺机构动力学模型。推导出四种常见柔性铰链的刚度计算公式,并分析柔性铰链各参数对其刚度的影响。在此基础上,针对平行导向柔顺机构和曲柄滑块柔顺机构,应用拉格朗日方程,建立了该柔顺机构动力学模型。 其次,建立了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构动力学模型。首先充分考虑杆件的大变形特性,分别采用数值拟合方法和有限元方法建立了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构动力学模型,分析了两种模型的差别和适用范围。 再次,深入分析了柔顺机构的动力学特性。计算了柔顺机构的固有频率;研究了机构参数对动力学性能的影响及其灵敏度问题;分析了柔顺杆的动态应力及应变,给出了杆件最大动应力以及发生的位置;基于动应力造成的累积疲劳损伤,预测了杆件的疲劳寿命;推导出以柔性铰链为主要特征的柔顺机构驱动力矩的计算公式,分析了柔性铰链刚度及未变形位置与驱动特性之间的内在关系。 然后,进行了柔顺机构的优化设计。根据柔顺机构的特点,探讨了柔顺机构材料的选择准则;以固有频率、驱动力矩等为约束条件,以柔性铰链的刚度最小为优化目标,对以柔性铰链为主要特征的柔顺机构进行了优化设计;还分别以柔顺机构总质量最小、变形能最大为优化目标,以固有频率、动应力等为约束条件,优化设计出了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构。 最后,进行了柔顺机构的实验研究。设计、加工了一个平行导向柔顺机构。对该平行导向柔顺机构的固有频率及应变等问题进行了实验研究,通过实验结果与理论计算结果的对比和分析,相互验证了实验系统和理论模型的有效性和正确性。


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