四自由度組合柔性鉸鏈的設計及性能分析

徐佳祿， 姜峰， 言蘭

(1. 華僑大學 制造工程研究院， 福建 廈門 361021；2. 華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021)

四自由度組合柔性鉸鏈的設計及性能分析

徐佳祿1， 姜峰1， 言蘭2

(1. 華僑大學 制造工程研究院， 福建 廈門 361021；2. 華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021)

柔性鉸鏈； 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 微位移工作調整支撐機構的設計

微小工件柄部和螺旋槽部分直徑大小不同，呈階梯狀.針對大徑比的微小工件剛度小的特點，在磨槽過程中，微小工件的柄部和螺旋槽部分均應設有支撐結構.由于在加工過程中的定位精度是產品精度保證的關鍵，所以在螺旋槽加工過程中，微小工件的柄部與螺旋槽的同軸度的調整是微小工件幾何精度、尺寸精度保證的關鍵.

(a) 實物圖 (b) 裝配圖圖1 微位移工作平臺Fig.1 Micro-displacement worktable

微位移工作平臺示意圖，如圖1所示.圖1中：a為雙平行四桿微位移結構；b,c為和兩個角位移調整結構1,2[11-12]，通過調整圖1中各結構的線位移及角位移，保證微小工件柄部與螺旋槽加工部分的同軸度.

雙平行四桿微位移結構、角位移調整結構1,2的結構原理，分別如圖2～4所示.

(a) 結構圖 (b) 原理圖 圖2 雙平行四桿微位移結構Fig.2 Double parallel four-pole micro-displacement structure

由圖2可知：柔性鉸鏈的布置使機構的中間部分無響應，也就是輸入X和Z向位移，中間部分的垂直水平位置不會起到變化，而外環部分是輸出響應部分；施加X方向輸入位移，支撐V形塊(V形塊固定于柔性鉸鏈塊固上方，微小工件的柄部用V形塊進行定位)的支撐面能實現X方向輸出位移；施加Z方向輸入位移，支撐V形塊的支撐面能實現Z方向輸出位移，且當輸入X向位移時，不影響支撐面的Z方向位移.在使用時可以先加載Z方向的位移，測量后，再加載X方向，這樣就可以保證X方向和Z方向上的定位精度.

(a) 結構圖 (b) 原理圖 (a) 結構圖 (b) 原理圖圖3 角位移調整結構1 圖4 角位移調整結構2Fig.3 Angular displacement adjustment structure 1 Fig.4 Angular displacement adjustment structure 2

為了保證整個機構安全有效地工作，通過設置柔性鉸鏈與定位部分之間的間隙，設置柔性鉸鏈的最大輸出位移.這樣避免在工作臺工作過程中因為機器故障或操作人員操作不正確，使得輸出位移與本身設定的位移差距過大，導致加工事故的發生，從而達到對零件整個加工過程的保護作用.

2 柔性鉸鏈材料的選擇及其性能分析

柔性鉸鏈材料選擇是整個機構設計的關鍵.采用柔性鉸鏈作為機構的運動副，靠材料的彈性變形來實現微小的位移，如果柔性鉸鏈材料發生塑形變形就會造成功能失效.在柔性鉸鏈材料的選擇上，柔性鉸鏈的運動范圍與所用材料的屈服強度成正比.

在零件設計的過程中，通過仿真分析可以發現：角位移調整結構1在凸臺底部會發生一個較大的應力集中.根據等壽命設計思想理念，在綜合成本、加工難度及柔性鉸鏈等各個方面的原因，決定雙平行四桿微位移結構和角位移調整結構2選用較為普通的40Cr作為其原材料，而結構b則使用屈服強度較高的60Si2CrA作為其原材料，使得整個工作機構各部分之間的安全系數相對平均.40Cr和60Si2CrA的化學成分(w)和物理特性，分別如表1,2所示.表2中：E為彈性模量;μ為泊松比；σb為抗拉強度；σs為屈服強度；δ為伸長率；ψ為斷面收縮率；HB為硬度.

表1 原材料的化學成分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 柔性鉸鏈應力和最大加載位移分析

根據材料的力學特性、柔性鉸鏈的工作環境及受力情況等方面因素，選擇柔性鉸鏈機構的最小安全系數為1.3[13].由此可以得出，柔性鉸鏈a,c的最大工作應力不得超出273 MPa，而柔性鉸鏈b的最大工作應力不得超過1 230 MPa.在ANSYS軟件里建立3個柔性鉸鏈模型，分別對3個零件的工作及裝配情況進行分析;然后，在ANSYS軟件中對3個鉸鏈的定位孔進行完全定位.鉸鏈輸入位移都是通過曲面，所以加載過程中對3個鉸鏈的位移輸入面施加均布位移載荷，并分別計算得出各個鉸鏈應力隨加載位移的變化情況.

對于柔性鉸鏈a，在零件設計過程中，結合有限元軟件的簡單分析，Z方向的輸出輸入位移比約為X方向的兩倍.為了使柔性鉸鏈兩個方向的性能相接近，且都能達到一個較好的性能，所以在應力分析的位移加載過程中，設定X方向的加載位移是Z方向的兩倍，應力(σ)隨著加載位移(ΔL)的變化關系，如圖5(a)所示.柔性鉸鏈b，c的應力隨著加載位移的變化關系，分別如圖5(b),(c)所示.

根據圖5的分析結果，對3個柔性鉸鏈選擇最大的加載位移.即柔性鉸鏈a在Z向的最大輸入位移為8 μm，在Z軸已加載的情況下X向的最大輸入位移為16 μm；柔性鉸鏈b在Y向的最大輸入位移為85 μm；柔性鉸鏈c在Y向的最大輸入位移為30 μm .

(a) 柔性鉸鏈a (b) 柔性鉸鏈b (c) 柔性鉸鏈c圖5 柔性鉸鏈結構應力與加載位移的對應關系Fig.5 Corresponding relationship between stress and load displacement of flexible hinge structure

柔性鉸鏈a在X向，Z向均為最大輸入位移，以及柔性鉸鏈b，c在Y向最大輸入位移下的應力分布，分別如圖6 所示.

由圖6的應力分布的結果及應力大小分析可知：柔性鉸鏈a在加載過程中，最大應力約為260 MPa，出現在X向位移加載位置；柔性鉸鏈b在加載過程中，最大應力約為1 158 MPa，出現在與柔性鉸鏈a連接的凸臺處；柔性鉸鏈c在加載過程中，最大應力約為279 MPa，出現在位移加載位置.此外，構件的安全系數均滿足最初設定的值且互相接近，符合壽命設計需求.

(a) 柔性鉸鏈a

(b) 柔性鉸鏈b

(c) 柔性鉸鏈c圖6 最大輸入位移下的應力分布Fig.6 Stress distribution under maximum input displacement

4 各構件輸入輸出比的計算

在ANSYS軟件中，分別對3個零件進行位移加載，計算隨著輸入位移變化，輸出響應的變化情況，如圖7所示.圖7中：ΔO，θO分別為輸出位移、輸出角度；ΔL為加載位移.

由圖7可知：3個柔性鉸鏈機構在其最大輸出位移范圍內，輸出位移(角度)和輸入位移呈現良好的線性比.對于柔性鉸鏈a而言，其X方向上的輸出輸入位移比約為0.137 μm·μm-1，Z方向上的輸出輸入位移比約為0.286 μm·μm-1；柔性鉸鏈b的輸出輸入位移比約為6.516×10-4(°)·μm-1；柔性鉸鏈c的輸出輸入位移比約為2.180×10-3(°)·μm-1.

(a) 柔性鉸鏈aZ向 (b) 柔性鉸鏈aX向

(c) 柔性鉸鏈b (d) 柔性鉸鏈c圖7 柔性鉸鏈機構輸出響應隨著輸入位移的變化Fig.7 Flexible hinge mechanism outputs response as input displacement changes

3個機構組合而成的工作臺在理想狀態下,可以安全有效地在高精密加工過程中起到精密定位的作用，提高了零件的定位精度.但在實際使用中，柔性鉸鏈的加工精度等因素將對工作臺的性能造成一定的影響，這將是下一步所要進行的研究內容.

5 結論

運用有限元模擬軟件，對微位移調整機構的平動和轉動單元進行分析，研究了輸入位移與輸出位移、角位移之間的響應關系，驗證了所設計柔性鉸鏈的性能，得到如下3點主要結論.

2) 通過有限元仿真軟件確定了3個零件在彈性變形范圍內所能承載的最大加載位移，以及零件各個位置應力分布情況.

3) 計算出3個零件在4個不同自由度上的輸出輸入位移比，并驗證了輸出響應與輸入位移之間線性關系.結果表明，在零件最大加載位移以內，3個零件的輸出響應與輸入位移之間都呈現了良好的線性關系，其誤差均小于0.1%.

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(責任編輯： 陳志賢英文審校： 崔長彩)

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，主要從事精密加工過程的材料去除機理和工藝方法的研究.E-mail:jiangfeng@hqu.edu.cn.

國家自然科學基金面上基金資助項目(51475173)； 福建省高校杰出科研人才培育計劃項目(JA14013)； 華僑大學中青年教師科研提升資助計劃項目(13J0521)

TH 112

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1000-5013(2017)05-0608-06