四自由度組合柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)及性能分析

徐佳祿， 姜峰， 言蘭

(1. 華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021；2. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021)

四自由度組合柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)及性能分析

徐佳祿1， 姜峰1， 言蘭2

(1. 華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021；2. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)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(diào)整支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微小工件柄部和螺旋槽部分直徑大小不同，呈階梯狀.針對(duì)大徑比的微小工件剛度小的特點(diǎn)，在磨槽過程中，微小工件的柄部和螺旋槽部分均應(yīng)設(shè)有支撐結(jié)構(gòu).由于在加工過程中的定位精度是產(chǎn)品精度保證的關(guān)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(diào)整是微小工件幾何精度、尺寸精度保證的關(guān)鍵.

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

微位移工作平臺(tái)示意圖，如圖1所示.圖1中：a為雙平行四桿微位移結(jié)構(gòu)；b,c為和兩個(gè)角位移調(diào)整結(jié)構(gòu)1,2[11-12]，通過調(diào)整圖1中各結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、角位移調(diào)整結(jié)構(gòu)1,2的結(jié)構(gòu)原理，分別如圖2～4所示.

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

由圖2可知：柔性鉸鏈的布置使機(jī)構(gòu)的中間部分無響應(yīng)，也就是輸入X和Z向位移，中間部分的垂直水平位置不會(huì)起到變化，而外環(huán)部分是輸出響應(yīng)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(jìn)行定位)的支撐面能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)Z方向輸出位移，且當(dāng)輸入X向位移時(shí)，不影響支撐面的Z方向位移.在使用時(shí)可以先加載Z方向的位移，測(cè)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(jié)構(gòu)圖 (b) 原理圖 (a) 結(jié)構(gòu)圖 (b) 原理圖圖3 角位移調(diào)整結(jié)構(gòu)1 圖4 角位移調(diào)整結(jié)構(gòu)2Fig.3 Angular displacement adjustment structure 1 Fig.4 Angular displacement adjustment structure 2

為了保證整個(gè)機(jī)構(gòu)安全有效地工作，通過設(shè)置柔性鉸鏈與定位部分之間的間隙，設(shè)置柔性鉸鏈的最大輸出位移.這樣避免在工作臺(tái)工作過程中因?yàn)闄C(jī)器故障或操作人員操作不正確，使得輸出位移與本身設(shè)定的位移差距過大，導(dǎo)致加工事故的發(fā)生，從而達(dá)到對(duì)零件整個(gè)加工過程的保護(hù)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(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.采用柔性鉸鏈作為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副，靠材料的彈性變形來實(shí)現(xiàn)微小的位移，如果柔性鉸鏈材料發(fā)生塑形變形就會(huì)造成功能失效.在柔性鉸鏈材料的選擇上，柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)范圍與所用材料的屈服強(qiáng)度成正比.

在零件設(shè)計(jì)的過程中，通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)：角位移調(diào)整結(jié)構(gòu)1在凸臺(tái)底部會(huì)發(fā)生一個(gè)較大的應(yīng)力集中.根據(jù)等壽命設(shè)計(jì)思想理念，在綜合成本、加工難度及柔性鉸鏈等各個(gè)方面的原因，決定雙平行四桿微位移結(jié)構(gòu)和角位移調(diào)整結(jié)構(gòu)2選用較為普通的40Cr作為其原材料，而結(jié)構(gòu)b則使用屈服強(qiáng)度較高的60Si2CrA作為其原材料，使得整個(gè)工作機(jī)構(gòu)各部分之間的安全系數(shù)相對(duì)平均.40Cr和60Si2CrA的化學(xué)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(qiáng)度；σs為屈服強(qiáng)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(xué)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(yīng)力和最大加載位移分析

根據(jù)材料的力學(xué)特性、柔性鉸鏈的工作環(huán)境及受力情況等方面因素，選擇柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的最小安全系數(shù)為1.3[13].由此可以得出，柔性鉸鏈a,c的最大工作應(yīng)力不得超出273 MPa，而柔性鉸鏈b的最大工作應(yīng)力不得超過1 230 MPa.在ANSYS軟件里建立3個(gè)柔性鉸鏈模型，分別對(duì)3個(gè)零件的工作及裝配情況進(jìn)行分析;然后，在ANSYS軟件中對(duì)3個(gè)鉸鏈的定位孔進(jìn)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(duì)3個(gè)鉸鏈的位移輸入面施加均布位移載荷，并分別計(jì)算得出各個(gè)鉸鏈應(yīng)力隨加載位移的變化情況.

對(duì)于柔性鉸鏈a，在零件設(shè)計(jì)過程中，結(jié)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(gè)方向的性能相接近，且都能達(dá)到一個(gè)較好的性能，所以在應(yīng)力分析的位移加載過程中，設(shè)定X方向的加載位移是Z方向的兩倍，應(yīng)力(σ)隨著加載位移(ΔL)的變化關(guān)系，如圖5(a)所示.柔性鉸鏈b，c的應(yīng)力隨著加載位移的變化關(guān)系，分別如圖5(b),(c)所示.

根據(jù)圖5的分析結(jié)果，對(duì)3個(gè)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(jié)構(gòu)應(yīng)力與加載位移的對(duì)應(yīng)關(guān)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(yīng)力分布，分別如圖6 所示.

由圖6的應(yīng)力分布的結(jié)果及應(yīng)力大小分析可知：柔性鉸鏈a在加載過程中，最大應(yīng)力約為260 MPa，出現(xiàn)在X向位移加載位置；柔性鉸鏈b在加載過程中，最大應(yīng)力約為1 158 MPa，出現(xiàn)在與柔性鉸鏈a連接的凸臺(tái)處；柔性鉸鏈c在加載過程中，最大應(yīng)力約為279 MPa，出現(xiàn)在位移加載位置.此外，構(gòu)件的安全系數(shù)均滿足最初設(shè)定的值且互相接近，符合壽命設(shè)計(jì)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(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution under maximum input displacement

4 各構(gòu)件輸入輸出比的計(jì)算

在ANSYS軟件中，分別對(duì)3個(gè)零件進(jìn)行位移加載，計(jì)算隨著輸入位移變化，輸出響應(yīng)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(gè)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)在其最大輸出位移范圍內(nèi)，輸出位移(角度)和輸入位移呈現(xiàn)良好的線性比.對(duì)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(jī)構(gòu)輸出響應(yīng)隨著輸入位移的變化Fig.7 Flexible hinge mechanism outputs response as input displacement changes

3個(gè)機(jī)構(gòu)組合而成的工作臺(tái)在理想狀態(tài)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(shí)際使用中，柔性鉸鏈的加工精度等因素將對(duì)工作臺(tái)的性能造成一定的影響，這將是下一步所要進(jìn)行的研究內(nèi)容.

5 結(jié)論

運(yùn)用有限元模擬軟件，對(duì)微位移調(diào)整機(jī)構(gòu)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)單元進(jìn)行分析，研究了輸入位移與輸出位移、角位移之間的響應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)柔性鉸鏈的性能，得到如下3點(diǎn)主要結(jié)論.

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

3) 計(jì)算出3個(gè)零件在4個(gè)不同自由度上的輸出輸入位移比，并驗(yàn)證了輸出響應(yīng)與輸入位移之間線性關(guān)系.結(jié)果表明，在零件最大加載位移以內(nèi)，3個(gè)零件的輸出響應(yīng)與輸入位移之間都呈現(xiàn)了良好的線性關(guān)系，其誤差均小于0.1%.

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(責(zé)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(jī)理和工藝方法的研究.E-mail:jiangfeng@hqu.edu.cn.

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

TH 112

A

1000-5013(2017)05-0608-06