混合型柔性铰链研究

2014/11/28 14:48:47

1 引言

在空间激光通信和远程激光功率传输系统中,为了保证系统正常、稳定地工作,需要对环境微振动做出快速而精确的控制响应,工程中多采用快速倾斜反射镜和快速变形镜,这些光学器件都需要小范围、高分辨率的偏转支承。同步辐射装置的单色器中的分光晶体投角、滚角、摆角的调节,弧矢聚焦晶体压弯的调节,也需要高精度、高灵敏度的调整机构。另外,在微电子机械系统、微动工作台、光学自动聚焦等工程领域,对实现小范围内偏转的支承不仅提出了高分辨率的要求,而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

为了满足这些工程使用需求,人们逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链,在各种应用领域中获得了前所未有的高精度和稳定性。柔性铰链用于提供绕轴作复杂运动的有限角位移,其特点是:无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。

2 混合型柔性铰链

早在1965年,J.M.Paros和L.Weisboro便给出了柔性铰链的设计计算公式,避免了设计中繁琐的积分计算,并一直沿用至今;吴鹰飞等人进一步简化了J.M.Paros和L.Weisboro给出的直圆柔性铰链计算公式。尽管如此,直圆柔性铰链的计算仍然十分繁琐;对于其它更为复杂的铰链型式,例如椭圆型和导角型,解析表达就更加困难,所以工程设计中常采用有限元方法进行分析计算。

使用有限元方法对直圆、导角和椭圆这三种型式的柔性铰链进行了分析计算,并比较了它们各自的优缺点。在此基础上,提出了一种混合型柔性铰链——由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链组合而成。

混合型柔性铰链。左端直圆部分为固定端,半径为5mm;右端导角部分的导角半径为r;中间最薄处厚度为1mm;铰链宽为10mm。当r=0mm,铰链的右端的导角退化为直角,称其为半直圆半直角柔性铰链;当r=5mm,铰链就变成了直圆柔性铰链。

理想铰链应可以绕其中心点自由旋转;但是,对于真实的柔性铰链,要让它作旋转运动就必须施加变形力。然而,即使施加的力很小,也会导致铰链中心点偏离其几何中心,这就会影响柔性铰链的转动精度。为了定量地考察各个柔性铰链的柔度和精度,通常用D点的位移来表征其柔度,而用中心节点C的偏移量来表征其精度。

鉴于这种柔性铰链解析表达的复杂性,采用有限元方法进行分析计算。

3 分析与比较

为了考察不同导角半径r的柔性铰链变形、精度和最大应力情况,在Ansys中依次对r为0、1mm、2mm、3mm、4mm以及5mm的铰链建立了有限元分析模型,单元类型选用Shell63(此单元中的每个节点均具有六个自由度)。

3.1 有限元分析结果

在铰链的有限元模型中,直圆端固定,导角端D处作用F=30N的力,其静力分析的变形(a)～(e),D点的位移量、C点的偏移量及铰链的最大应力。

从数据可以看到:

(1)r越大,D处的位移就越小,即铰链的柔度越小。r=0的铰链具有最大的柔度,高达95.4μm;

(2)C处的偏移量几乎不随r的变化而改变,最大值2.69μm与最小值2.61μm之间只有不到3%的偏差;

(3)最大应力的变化并不显著:r取4mm时,最大应力取得最大值,191MPa;取5mm时,最大应力取得最小值,176MPa;

(4)r取1mm时的D点位移几乎是直圆铰链的两倍,而其最大应力却与直圆铰链相差不多。

3.2 柔度应力比

为了更好地比较不同导角半径的混合柔性铰链(包括半直圆半直角柔性铰链和直角柔性铰链两种情况)的性能,我们定义了“柔度应力比”:D点位移与铰链最大应力之比。在允许应力范围内,柔性铰链可视为线性系统。在此前提下,柔度应力比越大(即随着变形力增大,最大应力每增大1MPa,对应的D点位移增加幅度越大),铰链的性能就越好。

利用上述计算实例的有限元分析结果绘制的柔度应力比曲线。可以看出,导角半径为1mm的铰链具有最大的柔度应力比,高出柔度应力比最差的直圆铰链近0.2μm/MPa,是这组设计实例中的最佳选择;半直圆半直角柔性铰链的柔度应力比也很高,但由于直角处存在较为严重的应力集中,在交变应力条件下易断裂,因此不宜采用。

4 结论

柔性铰链已经在许多要求高精度、高灵敏度的工程应用中起到了不可替代的作用。在综合考虑直圆柔性铰链和导角柔性铰链各自的优缺点的基础上,提出了混合型柔性铰链这一崭新的柔性铰链型式。有限元分析结果表明,它具有比直圆柔性铰链更大的柔度。

提出了柔度应力比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链的优劣提供了依据。

这种混合型柔性铰链为面向高精度、大位移的工程应用提供了有价值的参考。

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