空间曲线切口式柔性铰的设计

　　1　引　言

　　在一般机械结构中,人们多用球铰实现两个部件的转动连接,但球铰是刚性铰,球与球壳之间存在间隙,会在工作过程中产生摩擦、碰撞,甚至出现卡死等现象,而且球与球壳之间的间隙一般在微米量级上,难以满足精密仪器的要求。柔性铰是一种通过切口方式使局部刚性削弱,在力矩的作用下容易产生明显弯曲变形的构件,能在机械结构中起到铰链的作用。柔性铰利用材料的弯曲变形来代替刚性球铰中两个接触曲面之间的滑动和绕动,与球铰相比,它由于自身没有机械结构上的间隙,不需要润滑,运动平稳,具有无摩擦和碰撞的优势等而被广泛应用于陀螺仪、精密微动平台、激光焊接、主动振动控制平台等装置中[1-2]。

　　常用的柔性铰根据其工作能力可分为3种类型,即单轴、双轴和万向柔性铰链。这些柔性铰的共同特点是其切口曲线均为平面曲线(万向铰切口的母线为平面曲线)。显然,柔性铰的特性与切口曲线的形式密切相关。针对不的功能、精度以及运动范围需求,研究人员分别研究了单轴功能的(平面)直圆切口柔性铰[3]、椭圆切口柔性铰[4-5]、正割曲线切口[6]以及混合型曲线切口柔性铰[7],以及具有双轴功能的圆柱型柔性铰[8]、直圆双轴柔性铰[9]、双轴椭圆柔性铰[10-11]以及复合型柔性铰[12]等。为了与理想的转动连接结构—球铰的功能尽可能接近,柔性铰的转动刚度应该设计得尽可能低(理想铰的转动刚度为0),但是其在轴线方向的线刚度应尽可能高(理想铰在任意一个轴线方向的线刚度为无穷大)。这种尽可能低的转动刚度和尽可能高的轴线刚度的要求从结构设计上来说很难得到统一。鉴于铰的主要功能是使连接的构件能够相对转动,一般为了最大限度地满足转动功能,在单轴、双轴和万向柔性铰设计中均把产生弹性变形的部分设计得非常薄细,但这种设计也同时降低了线刚度且易引起稳定性问题。文献[13]给出了一种空间曲线切口式的柔性铰方案,将空心圆柱体在正交的两个方向上分别对称圆面切割,形成在两个正交方向上具有相同柔性的柔性铰,针对这种空间圆弧曲线切口式柔性铰进行了有限元分析并总结了其优越性,主要为:(1)各项弯曲刚度相等;(2)具有较高的轴向刚度和较低的弯曲刚度和扭转刚度;(3)具有限位功能,不会出现因变形过大而损坏的现象。

　　本文对更一般的空间曲线切口式柔性铰的设计方法进行了研究,在此基础上给出了一个设计实例,并通过有限元分析以及实验模态参数识别方法验证了设计方法的正确性。

　　2　空间曲线切口式柔性铰的柔度

　　如前所述,柔性铰是通过切口方式使局部刚性削弱,在力矩的作用下产生明显弯曲变形的构件,它的变形集中在最薄弱的切口处,这也是决定柔性铰柔度的部位。对于空间曲线切口式柔性铰,由于其两个正交方向上的柔度可视为相互独立互不耦合,因此可以进行解耦分析。