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Y型柔性铰链的制作与研究

www.sdfriendship.com 发布时间:2020/10/28

随着现代机械不断向高速、高精密方向发展,具有无间隙、耐冲击、无磨损等优点的柔性铰链和柔顺机构越来越多的被运用于微操作机器人、精密光学仪器、航空航天器以及工业设备等领域[1-5]。根据柔性铰链的运动行程,可将柔性铰链分为微动型和大行程型。国内外学者对柔性铰链做了大量研究[6-7],但现有的大变形大行程的柔性铰链仍存在着一些不足。由于大变形大行程柔性铰链在并联机构中的应用越来越多,更高精度、更大离轴刚度、结构更简单的大变形大行程柔性铰链成为了研究者不断追求的目标。 李宗轩等提出了利用无量纲设计图方法设计Cartwheel型双轴柔性铰链[8]的方法;陈贵敏等提出了一种精度更高的深切口椭圆柔性铰链[9],并推导了这类柔性铰链的转角、转动精度和最大应力的解析计算公式;宗光华等设计了一种双曲杆空心柔性铰链[10],具有转角大,稳定性高等优点,但也存在结构复杂、轴漂大等问题;Kikuchi N、毕树生均提出一种交叉簧片转动型柔性铰链[11-12],精度高、转角大,但结构复杂;Goldfarb等提出了一种转角达到150°的裂桶型柔性铰链[13],大大提高了柔性铰链的适用范围;Smith提出了一种轴漂极小的带薄壁梁的桶状回转副[14],但是结构较为复杂,制作难度较高。

上述大部分柔性铰链依然存在轴漂大、离轴刚度小、结构复杂等问题。为了解决这些问题,本文提出了一种Y型柔性铰链,并借助ANSYS和ADAMS对其进行了分析研究。利用数控机床进行柔性铰链的加工并完成组装。利用光学坐标测量仪OPTOTRAK分别进行了Y型柔性铰链的轴漂测量实验和平面3-RRR并联平台圆轨迹实验。

2 Y型柔性铰链设计

2.1 方案设计

图 1所示为平面3-RRR并联实验平台,该平台上的转动副有运动间隙、易磨损、不耐冲击,大大降低了实验台的精度。
图 1 平面3-RRR并联平台

余跃庆等用单片簧柔性铰链替换该平台上的转动副并进行了轨迹跟踪实验。但是,由于单片簧柔性铰链轴漂大、离轴刚度小等原因导致平台运动精度不高。为设计一种轴漂更小、离轴刚度大、结构简单、精度更高的柔性铰链,提高并联平台运动精度,以对称设计思想[15]为基础,运用机械设计、材料力学等相关知识,结合并联平台要求提出了如图 2所示的Y型柔性铰链。图中Y型柔性铰链包括2根刚性杆和2片完全相同的圆弧形片簧,圆弧片簧的圆心角为135°,刚性杆用于固定连接柔性铰链。
图 2 Y型柔性铰链

2.2 确定回转中心

为了提高Y型柔性铰链在实际使用中的运动精度,利用Solidworks2014进行三维建模,并借助Solidworks2014中的Simulation软件进行简单的应力运动仿真。通过应力运动仿真在运动杆的中性线上找到一合位移最小点,作为Y型柔性铰链的回转中心。图 3所示为Y型柔性铰链简图。图中,圆弧片簧半径R为20 mm,为了便于加工制造,片簧厚度b1设为0.3 mm,两个片簧之间的夹角α为90°。为了简化仿真模型,柔性铰链上刚性杆杆长L设为100 mm。根据并联实验平台的安装要求,将柔性铰链上刚性杆厚度b2设为10 mm,垂直作用于刚性杆上的力F为一个变化的力,θ为力F作用下刚性杆绕回转中心运动的转角,a为回转中心点。片簧的材料为弹簧钢 (弹性模量2.06×11″,泊松比为0.3,密度为7.85 kg/m3)。
图 3 Y型柔性铰链简图

将运动仿真数据绘制成图 4所示的点状图,从图中可以看出,Y型柔性铰链的回转中心a距离刚性杆边缘为8 mm,且在刚性杆中性线上。
图 4 柔性铰链连杆中轴线上各点位移

2.3 确定安装方式及行程要求

Y型柔性铰链的结构为非中心对称,实际应用时具有2种安装方式。规定下图 5(a)所示的安装方式为正装法,左侧连杆作为驱动杆件,右侧连杆作为从动杆件,给驱动杆施加一个扭矩输入后,Y型柔性铰链会受到一个沿着从动杆方向上的反作用力F,该反作用力F将会增大柔性铰链轴漂,对柔性铰链的运动精度产生较大影响。
图 5 Y型柔性铰链两种安装方式
图 6 并联平台上铰链的最小、最大夹角位形图

对比发现,采用图 5(b)所示的Y型柔性铰链反装法时机构的运动精度比正装法差。因此采用图 5(a)中所示的正装法。 借助SolidWorks2014进行并联平台的运动学仿真,如图 6所示。通过仿真可得:并联平台进行R=100 mm的圆轨迹实验时,柔性铰链两杆的最小夹角为52.81°,最大夹角为98.18°,因此柔性铰链的最大转角需要达到45.37°。

2.4 仿真

为了验证Y型柔性铰链是具有运动精度高、回转行程大等特点。利用Solidworks2014生成模型的IGS格式文件。将生成的IGS文件导入到ANSYS中,利用ANSYS进行有限元网格划分并导出适用于ADAMS的*.mnf柔性体文件。将ANSYS中生成的*.mnf文件导入ADAMS,进行柔性体运动仿真。将模型左侧连杆上的刚性面固定,为便于仿真柔性铰链的运动,在右侧连杆端面中心点处标记一个interface node点O,在点O上添加一个方向始终垂直于连杆的瞬态力,使得柔性铰链在-22.5~+22.5°内运动。测量右侧连杆上O点与柔性铰链模型坐标原点的距离,并绘制曲线。同时,观察柔性铰链片簧上的应力分布情况。将ADAMS中的测量所得的距离曲线数据导入到MATLAB,利用plot工具重新绘制距离曲线图,定义x轴变量为Time (sec),y轴变量为Length (mm),限制y轴坐标为90~110 mm,x轴数据截取2个完整的波峰波谷,采用红色曲线绘制,最终绘制曲线如图 7所示。
图 7 柔性铰链上O点到坐标原点的距离

通过仿真数据, Y型柔性铰链右侧连杆上的O点与坐标原点的距离误差平均值为0.435 3 mm,最大峰谷差为1.090 9 mm,均方差为0.398 6 mm,误差最大值为1.085 9 mm。考虑到网格划分精度、精度测量方式好坏等因素会影响最终结果,认为Y型柔性铰链基本满足并联平台要求。

3 柔性铰链制作及实验

3.1 实物制作

为使柔性铰链上的片簧具有更好的柔性,降低片簧的加工难度,将片簧与刚性杆采用不同材料加工并组装。片簧材料采用65Mn弹簧钢片裁剪卷制成型,并通过螺栓与刚性杆连接固定,刚性杆采用6061-T6铝合金数控加工成型以减轻重量。Y型柔性铰链实物如图 8所示。
图 8 Y型柔性铰链实物

3.2 轴漂测量

利用3D光学坐标测量仪OPTOTRAK进行Y型柔性铰链的轴漂测量实验。如图 9所示,在柔性铰链的运动杆上贴上一个Marker点,该点距离回转中心100 mm。图 9中Y型柔性铰链左侧固定杆通过夹具固定在平台上,右侧运动杆下方临时安装有一个滚动轴承以减小平台对运动杆的摩擦力阻力。
图 9 Y型柔性铰链轴漂测量实验

使柔性铰链运动杆在水平面内从-45°匀速转动至+45°,测量记录柔性铰链上Marker点的运动轨迹,并绘制图 10所示的轨迹曲线。图 11所示为Y型柔性铰链上Marker点运动轨迹误差曲线。从图 11中数据可得,Y型柔性铰链从-45°转动至+45°时,回转中心位置的误差平均值为0.262 2 mm,最大峰谷差为0.746 1 mm,均方差为0.121 7 mm,误差最大值为0.596 2 mm。Y型柔性铰链转角越大,精度越低。由于零件加工安装误差、Marker点安装误差、片簧安装残余应力和仪器测量误差导致回转中心与设计值偏离0.262 2 mm。虽然加工安装精度和实验测量精度等因素会影响Y型柔性铰链运动精度,但实际加工制作出的Y型柔性铰链的运动精度、回转行程和离轴刚度均能满足平面并联平台的要求。单独加工的片簧具有精度高、弹性大等优点,但安装后的片簧上的残余应力会降低柔性铰链的精度,减小回转行程,缩短片簧使用寿命。
图 10 Y型柔性铰链上mark点运动轨迹曲线
图 11 Y型柔性铰链上mark点运动轨迹误差
图 12 3-RRR平面并联平台实验系统

3.3 实验研究

为验证Y型柔性铰链是否能提高并联平台的运动精度,进行了转动副并联实验台、单片簧柔性铰链并联实验台和Y型柔性铰链并联实验台的轨迹实验,实验轨迹为直径100 mm的圆。其中,单片簧厚0.5 mm,宽度30 mm,片簧圆弧半径30 mm,中心平台运动速度1 000 mm/min。利用3D光学坐标测量仪OPTOTRAK进行圆轨迹测量,并利用MATLAB进行实验数据处理,得到平台运动轨迹误差曲线和表 1中的平台运动轨迹误差数据。图 13所示为含转动副的并联平台运动轨迹误差,图 14所示为含单片簧柔性铰链的并联平台运动轨迹误差,图 15为含Y型柔性铰链的并联平台运动轨迹误差。
图 13 含转动副的并联平台运动轨迹误差
图 14 含单片簧柔性铰链的并联平台运动轨迹误差
图 15 含Y型柔性铰链的并联平台运动轨迹误差

从并联平台运动轨迹误差曲线图可以看出,Y型柔性铰链能显著提高并联平台的运动精度。结合表 1可以看出,相较于转动副和单片簧柔性铰链,Y型柔性铰链使得平面3-RRR并联平台运动轨迹均方差分别减小了42.6%和37.0%,误差平均值分别减小了46.2%和40.0%,误差最大值分别减小了42.7%和29.2%。

4 结论

本文根据现代机械对柔性铰链的高精度、大离轴刚度、大转角、结构简单等要求,提出了一种Y型柔性铰链,并进行了仿真、制作和实验研究。实验结果表明:Y型柔性铰链回转误差最大值为0.596 2 mm,Y型柔性铰链并联平台圆轨迹实验的误差最大值比转动副并联平台减小了42.7%。Y型柔性铰链具有精度高、结构简单、转角大等优点,可以很好的替换平面并联平台中的转动副,并提高平台运动精度。

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