广义三交叉簧片柔性轴承的旋转刚度特性研究

doi:10.3901/JME.2015.13.189

机械工程学报 ›› 2015, Vol. 51 ›› Issue (13): 189-195.doi: 10.3901/JME.2015.13.189

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广义三交叉簧片柔性轴承的旋转刚度特性研究

杨其资, 刘浪, 毕树生, 赵宏哲

北京航空航天大学机器人研究所

出版日期:2015-07-05 发布日期:2015-07-05
基金资助:
国家自然科学基金(51105014, 51275017)和北京航空航天大学研究生创新实践基金资助项目

Rotational Stiffness Characterization of Generalized Triple-cross-spring Flexure Pivots

YANG Qizi, LIU Lang, BI Shusheng, ZHAO Hongzhe

Robotics Institute, Beihang University

Online:2015-07-05 Published:2015-07-05

摘要/Abstract

摘要： 广义三交叉簧片柔性轴承(Generalized triple-cross-spring flexure pivots, GTCSFP)具有较大运动行程和较高精度特性，综合性能优良，可广泛应用于各类精密仪器。在小角度近似和无轴漂假设的前提下，利用梁约束模型应变能理论，建立GTCSFP的旋转刚度解析模型，并给出模型的适用范围和误差估算方法。模型分析结果表明：① 当簧片交叉点位置参数λ=0.127 3时，扭矩与转角呈线性关系；② 扭矩m和切向力f对柔性轴承具有驱动作用，径向力p会影响柔性轴承的旋转刚度；③ 在给定的适用范围内，特别是当λ∈[0.1, 0.2]时，刚度模型准确性较高。GTCSFP的非线性有限元分析结果验证了旋转刚度模型及其分析结论的准确性。对实际加工的GTCSFP进行试验测试，试验结果与有限元分析和刚度模型的结果基本一致，模型准确性得到试验验证。所建立的GTCSFP旋转刚度模型，对其参数设计和优化具有指导意义和参考价值。

关键词: 大行程, 刚度模型, 柔性铰链, 柔性轴承, 三交叉簧片

Abstract: Owing to excellent performances such as large movement range and high precision, the generalized triple-cross-spring flexure pivots (GTCSFP) can be widely used in precision instruments. Based on the strain energy formulation of a beam flexure, a rotational stiffness model of GTCSFP is derived, and the applicable scope and error estimation method are given. In the process of establishing the simplified model, zero axis drift is assumed and trigonometric functions are approximately treated. The following conclusions can be drawn. When the intersection point locates at 12.73% length of the spring ,the moment-rotation relationship of GTCSFP is linear. Bending moment and tangential force are the driving loads, while the radial force affects the rotational stiffness of GTCSFP. In the applicable scope, the rotational stiffness model is accurate. The accuracy of the analytical model is verified by finite element analysis and the rotational stiffness test of GTCSFP. The model has guiding significance and reference value to the design and optimization of GTCSFP.

Key words: flexure bearing, flexure pivots, large stroke, stiffness model, triple cross-spring

中图分类号:

TH112

杨其资, 刘浪, 毕树生, 赵宏哲. 广义三交叉簧片柔性轴承的旋转刚度特性研究[J]. 机械工程学报, 2015, 51(13): 189-195.

YANG Qizi, LIU Lang, BI Shusheng, ZHAO Hongzhe. Rotational Stiffness Characterization of Generalized Triple-cross-spring Flexure Pivots[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(13): 189-195.

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Rotational Stiffness Characterization of Generalized Triple-cross-spring Flexure Pivots

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