四自由度组合柔性铰链的设计及性能分析

2017-10-11 03:26徐佳禄姜峰言兰
关键词:华侨大学角位移铰链

徐佳禄, 姜峰, 言兰

(1. 华侨大学 制造工程研究院, 福建 厦门 361021;2. 华侨大学 机电及自动化学院, 福建 厦门 361021)

四自由度组合柔性铰链的设计及性能分析

徐佳禄1, 姜峰1, 言兰2

(1. 华侨大学 制造工程研究院, 福建 厦门 361021;2. 华侨大学 机电及自动化学院, 福建 厦门 361021)

柔性铰链; 微位移; 四自由度; 工件定位; 磨床

Keywords: flexible hinge; mirco-displacement; four degrees of freedom; workpiece positioning; grinding machine

1 微位移工作调整支撑机构的设计

微小工件柄部和螺旋槽部分直径大小不同,呈阶梯状.针对大径比的微小工件刚度小的特点,在磨槽过程中,微小工件的柄部和螺旋槽部分均应设有支撑结构.由于在加工过程中的定位精度是产品精度保证的关键,所以在螺旋槽加工过程中,微小工件的柄部与螺旋槽的同轴度的调整是微小工件几何精度、尺寸精度保证的关键.

(a) 实物图 (b) 装配图图1 微位移工作平台Fig.1 Micro-displacement worktable

微位移工作平台示意图,如图1所示.图1中:a为双平行四杆微位移结构;b,c为和两个角位移调整结构1,2[11-12],通过调整图1中各结构的线位移及角位移,保证微小工件柄部与螺旋槽加工部分的同轴度.

双平行四杆微位移结构、角位移调整结构1,2的结构原理,分别如图2~4所示.

(a) 结构图 (b) 原理图 图2 双平行四杆微位移结构Fig.2 Double parallel four-pole micro-displacement structure

由图2可知:柔性铰链的布置使机构的中间部分无响应,也就是输入X和Z向位移,中间部分的垂直水平位置不会起到变化,而外环部分是输出响应部分;施加X方向输入位移,支撑V形块(V形块固定于柔性铰链块固上方,微小工件的柄部用V形块进行定位)的支撑面能实现X方向输出位移;施加Z方向输入位移,支撑V形块的支撑面能实现Z方向输出位移,且当输入X向位移时,不影响支撑面的Z方向位移.在使用时可以先加载Z方向的位移,测量后,再加载X方向,这样就可以保证X方向和Z方向上的定位精度.

(a) 结构图 (b) 原理图 (a) 结构图 (b) 原理图图3 角位移调整结构1 图4 角位移调整结构2Fig.3 Angular displacement adjustment structure 1 Fig.4 Angular displacement adjustment structure 2

为了保证整个机构安全有效地工作,通过设置柔性铰链与定位部分之间的间隙,设置柔性铰链的最大输出位移.这样避免在工作台工作过程中因为机器故障或操作人员操作不正确,使得输出位移与本身设定的位移差距过大,导致加工事故的发生,从而达到对零件整个加工过程的保护作用.

2 柔性铰链材料的选择及其性能分析

柔性铰链材料选择是整个机构设计的关键.采用柔性铰链作为机构的运动副,靠材料的弹性变形来实现微小的位移,如果柔性铰链材料发生塑形变形就会造成功能失效.在柔性铰链材料的选择上,柔性铰链的运动范围与所用材料的屈服强度成正比.

在零件设计的过程中,通过仿真分析可以发现:角位移调整结构1在凸台底部会发生一个较大的应力集中.根据等寿命设计思想理念,在综合成本、加工难度及柔性铰链等各个方面的原因,决定双平行四杆微位移结构和角位移调整结构2选用较为普通的40Cr作为其原材料,而结构b则使用屈服强度较高的60Si2CrA作为其原材料,使得整个工作机构各部分之间的安全系数相对平均.40Cr和60Si2CrA的化学成分(w)和物理特性,分别如表1,2所示.表2中:E为弹性模量;μ为泊松比;σb为抗拉强度;σs为屈服强度;δ为伸长率;ψ为断面收缩率;HB为硬度.

表1 原材料的化学成分Tab.1 Chemical composition of raw materials %

表2 原材料的物理特性Tab.2 Physical properties of raw materials

3 柔性铰链应力和最大加载位移分析

根据材料的力学特性、柔性铰链的工作环境及受力情况等方面因素,选择柔性铰链机构的最小安全系数为1.3[13].由此可以得出,柔性铰链a,c的最大工作应力不得超出273 MPa,而柔性铰链b的最大工作应力不得超过1 230 MPa.在ANSYS软件里建立3个柔性铰链模型,分别对3个零件的工作及装配情况进行分析;然后,在ANSYS软件中对3个铰链的定位孔进行完全定位.铰链输入位移都是通过曲面,所以加载过程中对3个铰链的位移输入面施加均布位移载荷,并分别计算得出各个铰链应力随加载位移的变化情况.

对于柔性铰链a,在零件设计过程中,结合有限元软件的简单分析,Z方向的输出输入位移比约为X方向的两倍.为了使柔性铰链两个方向的性能相接近,且都能达到一个较好的性能,所以在应力分析的位移加载过程中,设定X方向的加载位移是Z方向的两倍,应力(σ)随着加载位移(ΔL)的变化关系,如图5(a)所示.柔性铰链b,c的应力随着加载位移的变化关系,分别如图5(b),(c)所示.

根据图5的分析结果,对3个柔性铰链选择最大的加载位移.即柔性铰链a在Z向的最大输入位移为8 μm,在Z轴已加载的情况下X向的最大输入位移为16 μm;柔性铰链b在Y向的最大输入位移为85 μm;柔性铰链c在Y向的最大输入位移为30 μm .

(a) 柔性铰链a (b) 柔性铰链b (c) 柔性铰链c图5 柔性铰链结构应力与加载位移的对应关系Fig.5 Corresponding relationship between stress and load displacement of flexible hinge structure

柔性铰链a在X向,Z向均为最大输入位移,以及柔性铰链b,c在Y向最大输入位移下的应力分布,分别如图6 所示.

由图6的应力分布的结果及应力大小分析可知:柔性铰链a在加载过程中,最大应力约为260 MPa,出现在X向位移加载位置;柔性铰链b在加载过程中,最大应力约为1 158 MPa,出现在与柔性铰链a连接的凸台处;柔性铰链c在加载过程中,最大应力约为279 MPa,出现在位移加载位置.此外,构件的安全系数均满足最初设定的值且互相接近,符合寿命设计需求.

(a) 柔性铰链a

(b) 柔性铰链b

(c) 柔性铰链c图6 最大输入位移下的应力分布Fig.6 Stress distribution under maximum input displacement

4 各构件输入输出比的计算

在ANSYS软件中,分别对3个零件进行位移加载,计算随着输入位移变化,输出响应的变化情况,如图7所示.图7中:ΔO,θO分别为输出位移、输出角度;ΔL为加载位移.

由图7可知:3个柔性铰链机构在其最大输出位移范围内,输出位移(角度)和输入位移呈现良好的线性比.对于柔性铰链a而言,其X方向上的输出输入位移比约为0.137 μm·μm-1,Z方向上的输出输入位移比约为0.286 μm·μm-1;柔性铰链b的输出输入位移比约为6.516×10-4(°)·μm-1;柔性铰链c的输出输入位移比约为2.180×10-3(°)·μm-1.

(a) 柔性铰链aZ向 (b) 柔性铰链aX向

(c) 柔性铰链b (d) 柔性铰链c图7 柔性铰链机构输出响应随着输入位移的变化Fig.7 Flexible hinge mechanism outputs response as input displacement changes

3个机构组合而成的工作台在理想状态下,可以安全有效地在高精密加工过程中起到精密定位的作用,提高了零件的定位精度.但在实际使用中,柔性铰链的加工精度等因素将对工作台的性能造成一定的影响,这将是下一步所要进行的研究内容.

5 结论

运用有限元模拟软件,对微位移调整机构的平动和转动单元进行分析,研究了输入位移与输出位移、角位移之间的响应关系,验证了所设计柔性铰链的性能,得到如下3点主要结论.

2) 通过有限元仿真软件确定了3个零件在弹性变形范围内所能承载的最大加载位移,以及零件各个位置应力分布情况.

3) 计算出3个零件在4个不同自由度上的输出输入位移比,并验证了输出响应与输入位移之间线性关系.结果表明,在零件最大加载位移以内,3个零件的输出响应与输入位移之间都呈现了良好的线性关系,其误差均小于0.1%.

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(责任编辑: 陈志贤英文审校: 崔长彩)

DesignandPerformanceAnalysisofFlexibleHingesWithFourDegreesofFreedome

XU Jialu1, JIANG Feng1, YAN Lan2

(1. Institute of Manufacturing Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201612013

2016-12-07

姜峰(1981-),男,副教授,博士,主要从事精密加工过程的材料去除机理和工艺方法的研究.E-mail:jiangfeng@hqu.edu.cn.

国家自然科学基金面上基金资助项目(51475173); 福建省高校杰出科研人才培育计划项目(JA14013); 华侨大学中青年教师科研提升资助计划项目(13J0521)

TH 112

A

1000-5013(2017)05-0608-06

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