柔性机构优缺点与关键技术介绍.pptx

_ _Given by Given by Leslie Lu,Leslie Lu,2013 2013 6-1 6-1柔性机构柔性机构柔性机构柔性机构 优优缺点缺点 与与与与 关关键键技技术术 介介介介绍绍绍绍2024/5/22 周三1【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）柔性机构概柔性机构概论的的简单回回顾柔性机构的柔性机构的优缺点缺点的的介介绍柔性机构的部分关柔性机构的部分关键技技术的介的介绍2024/5/22 周三21 1简简 要要 回回 顾顾定定义：利用材料的利用材料的变形来形来传递力或运力或运动起源与理起源与理论基基础优缺点：缺点：免装配免装配轴漂漂柔性柔性铰链：形式、分形式、分类、性能指性能指标应用用领域：域：机器人、机器人、MEMS等等关关键技技术：设计、加工、加工、驱动等等典型典型实例：例：蝴蝶蝴蝶铰链、Robots等等2024/5/22 周三32 2优优缺缺点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，传统运运动副与构件数目副与构件数目大大减少，从而减少了机构的重量、加工、装配的时间和和费用用，同时也减少了机构中的间隙、摩擦、磨损、润滑等问题，提高了机构机构精度和可靠性精度和可靠性，也减少了维护的成本。2 2优优缺缺点点 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，导致其行程有限行程有限2.轴漂与寄生漂与寄生误差差3.刚度度较差差4.长时间经受应力或高温的柔性构件可能会出现蠕蠕变和和应力松弛力松弛现象5.能量能量存存储3 3关关 键键 技技 术术材料设计加工飞机发动机研制的三大难题：材料驱动运放机构并联机构设计综合分析加工封装检测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 3关关 键键 技技 术术矩形梁自由端在力矩形梁自由端在力F作用下的作用下的变形：形：最大最大应力力：由此可以求出当达到材料的由此可以求出当达到材料的弹性极限性极限时自由自由端的最大受力端的最大受力F：梁在失效前所承受的最大梁在失效前所承受的最大变形形为：可以看出，最大可以看出，最大变形与几何尺寸形与几何尺寸和材料参数和材料参数有关。有关。2024/5/22 周三73 3关关 键键 技技 术术【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2024/5/22 周三83 3关关 键键 技技 术术【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。2024/5/22 周三9TIPS：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;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 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三103 3关关 键键 技技 术术其他驱动器：尺蠖电机直流电机步进电机音圈电机超声波电机等等2024/5/22 周三11TIPS：3个原则：1.高高精度原精度原则：欲保欲保证运运动输出端的高精度，出端的高精度，除了除了选择类似高精度似高精度驱动器外，运放机构也需器外，运放机构也需要有高精度作保要有高精度作保证；2.功效功效损耗最小原耗最小原则：运运计机构作机构作为传动系系统，总要造成要造成输入端一定程度的功率入端一定程度的功率损耗，原耗，原则上，上，这种功率种功率损耗耗应该越小越好；越小越好；3.运运放倍数决定运放机构拓扑放倍数决定运放机构拓扑结构原构原则：一般一般情况下，情况下，结构越构越简单，性能越性能越稳定，但是定，但是放大放大倍数倍数也也越越小小。3 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三12简单的并的并联机构：机构：提升刚度提高精度提高自然频率减小寄生误差降低惯性结构紧凑更平衡的机械结构，补偿铰链由于加工或温度变化所产生的变形误差并并联机构的机构的优点点3 3关关 键键 技技 术术缺点：在提升刚度的同时，会减小功能方向的行程2024/5/22 周三13【1】柔性铰链的选择(1)限制范围柔性柔性铰链的运的运动范范围应限制在材料的残余限制在材料的残余应力区以外。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需尽量保证变形形轴方向的方向的刚度尽可能小度尽可能小,而非而非变形方向的形方向的刚度尽可能大度尽可能大。(3)改变变形处的形状和尺寸参数变形的大小与形的大小与铰链的的长度度l 和和铰链细颈处的厚度的厚度t 有关有关,但加工工但加工工艺限制了限制了t 的最小厚度。的最小厚度。(4)开发新型柔性铰链尽管柔性尽管柔性铰链优点很多点很多,同同时也存在着一些弱点也存在着一些弱点,如有限的运如有限的运动范范围、非固定的非固定的转动中心等中心等,开开发新型柔性新型柔性铰链是一条解决途径。是一条解决途径。3 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三14【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 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三15机构设计的一般流程(1)从从设计的要求或指的要求或指标出出发，首先，首先完成机构的构完成机构的构型型综合及合及优选，以确定合适的，以确定合适的结构型构型式式；(2)通通过机构运机构运动学、学、动力学及其特性分析，完成力学及其特性分析，完成机构运机构运动尺度尺度综合及合及优选，(3)还要要进行行动力学参数的力学参数的综合与合与优选，最，最终以完以完成新机构的成新机构的设计.3 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三16【刚度分析】3 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三17电火花加工法（WEDM）：利用工件和工具利用工件和工具电极之极之间的脉的脉冲性火花放冲性火花放电,产生瞬生瞬时高温使高温使工件材料局部熔化和汽化工件材料局部熔化和汽化,从而从而达到达到蚀除加工的目的。除加工的目的。电火花火花加工由于其非机械接触加工的加工由于其非机械接触加工的特点特点,很适合很适合MEMS制造的要求制造的要求。LIGA:LIGA是德文是德文Lithographie，Galanoformung和和Abformung三个三个词，即光刻、，即光刻、电铸和注塑的和注塑的缩写写.是一种基于是一种基于X射射线光刻技光刻技术的的MEMS加工技加工技术.与其它微与其它微细加工方法相比，加工方法相比，LIGA技技术具有如下具有如下特点：特点：(1)可制造可制造较大高大高宽比的比的结构；构；(2)取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；璃等；(3)可制作任意截面形状可制作任意截面形状图形形结构，加工精度高；构，加工精度高；(4)可重复复制，符合工可重复复制，符合工业上大批量生上大批量生产要求，要求，制造成本相制造成本相对较低等低等。被被视为微微纳米制造技米制造技术中最有生命力、最有前中最有生命力、最有前途的加工技途的加工技术。3 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三183 3关关 键键 技技 术术其他加工方法：半导体加工技术电火花与电解加工复合方法SPM技术ECDM光刻技术等等2024/5/22 周三193 3关关 键键 技技 术术2024/5/22 周三20优缺点优缺点 关键技术关键技术4 4小小结结Thats all,thank you!