基於約束行為的柔性精微機構設計方法研究

《基於約束行為的柔性精微機構設計方法研究》是依託北京航空航天大學，由畢樹生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於約束行為的柔性精微機構設計方法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：畢樹生
• 項目類別：面上項目

項目摘要

鑒於目前柔性機構在很大程度上還是一種剛性替換的設計理念，而其所採用的理想約束假設是制約柔性機構設計的瓶頸所在。本申請旨在研究基於約束行為的設計方法，利用約束在設計參數和性能要求之間建立聯繫，通過參數化的約束指標來探討單方向的約束特性，進而研究各方向約束之間的內部抑制和耦合機理，以此簡化過去各方向設計變數直接決定性能而導致的錯綜複雜的關係。同時，利用冗餘約束理念來提高現有柔性模組和柔性機構的性能，並擴展設計空間。進而開展柔性精微機構參數化的分析和綜合，以及實驗研究。本項目的研究成果對豐富和完善柔性機構學理論，指導柔性機構的創新設計及工程套用具有重要的意義。

結題摘要

本項目研究了基於約束行為的設計方法，通過對約束特性的分析和評估，來設計柔性鉸鏈；利用約束之間的耦合與抑制機理，來組合柔性精密機構。本研究實現了柔性機構性能的改善，並揭示若干具有特殊套用背景的屬性，同時，完善和補充現有的設計方法。本項目主要取得了以下創新成果： (1) 建立了非等值厚度廣義簧片的模型，對簧片柔性單元的剛度約束和位移約束進行了分析。基於簧片的位移約束假設，在一般性載荷情況下，提出了廣義交叉簧片柔性鉸鏈的運動靜力學模型。基於此模型，分別分析了幾何參數、垂直力載荷對柔性鉸鏈剛度、應力及精度特性的影響。揭示了等值剛度特性；評估了失穩特性，簧片上的應力分布特性，以及加工誤差對性能的影響特性。並分析了兩種強約束作用下廣義交叉簧片柔性鉸鏈及初始預彎曲柔性鉸鏈的特性。 (2) 基於約束，組合了轉動型複合柔性鉸鏈。為了採用模組化設計理念，提出了一種約束等效模型，藉此可較為方便地對複合柔性鉸鏈進行建模。由此分析了幾種特殊轉動型複合柔性鉸鏈的特性，並通過比較，表明了其在性能方面的顯著優勢。同時，通過多簧片串聯組合，設計了柔性關節，並研究了利用冗餘約束理念來提高柔性關節性能的方法。 (3) 基於誤差補償原理，通過轉動柔性鉸鏈綜合得到了六種柔性平行四桿直線運動機構的構型，並對各種構型的幾何參數，給出了誤差補償的條件。同時，在推廣約束等效模型的基礎上，建立了這類高精度直線移動機構的運動模型，來實現其性能的準確預測。最後，研究了這種串、並混聯組合方式的載荷分配機理。