基于动力学性能的全柔性机构优化设计

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1、Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:https://www.researchgate.net/publication/245445064OPTIMALDESIGNOFAFULLYCOMPLIANTMECHANISMBASEDONITSDYNAMICCHARACTERISTICSArticleinJournalofMechanicalEngineering·January2003DOI:10.3901/JME.2003.08.032CITATIONSREADS21241auth

2、or:JingjunYuBeihangUniversity(BUAA)116PUBLICATIONS840CITATIONSSEEPROFILESomeoftheauthorsofthispublicationarealsoworkingontheserelatedprojects:FastSteeringMirrorViewprojectTunedMassdamperViewprojectAllcontentfollowingthispagewasuploadedbyJingjunYuon22June2015.Theuserhasrequestedenh

3、ancementofthedownloadedfile.第39卷第8期机械工程学报39No.82003年8月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING2003基于动力学性能的全柔性机构优化设计’于靖军周强毕树生宗光华(北京航空航天大学机器人研究所北京100083)摘要:全柔性机构是一种新型机构，多应用在精密定位场合。为保证该机构具有很高的定位精度和较强的抗环境千扰能力，仅以静力学性能作为指标进行机构的优化设计是不足以满足要求的，还需要对机构的动力学性能进行优化。研究以一具体的全柔性机构为例，给出一种基于机构动力学性能的结构优

4、化设计方法。为此首先建立了该机构的动力学理论模型，为保证结果的准确性，还进行了有限元模拟;在设计过程中，同时考虑到了机构的静态特性与动态特性。该方法可有效地完成机构的尺度综合。关键词:柔性机构固有频率柔性铰链结构优化中图分类号:TH112.5行动力学性能优化也是很有必要的。0前言以一具体的全柔性机构为例，给出一种基于机构动力学性能的结构优化设计方法。该方法对设柔性机构是一种靠构件元素具有的柔性来输出计柔性机构具有普遍指导意义。运动或力的机构O1。本研究的全柔性机构是其中的一种类型。它主要依靠柔性铰链的变形来产生运1理论模型动，末端运动范围虽小但机构可通过免

5、装配、无间隙和无摩擦设计，实现微米甚至纳米级的高精度。以一种结构简单但应用甚广的全柔性机构(如故这类机构被作为执行元件广泛应用于精密定位领图1所示的柔性导向机构[4))为例。它包含有四个柔域，如生物工程细胞操作、MEMS(微电机系统)中性转动副，与其对应的刚性平行四杆机构的功能一的微定位、微装配以及显微外科手术等。样，可实现平动的功能，在柔性机构中还可单独作结构优化设计是全柔性机构研究中的一项重要为柔性铰链作等效的移动副应用。内容[21，其目的是根据给定的设计指标来确定机构为计算该机构的固有频率.10，图2给出了离散的拓扑结构、尺寸和形状，以达到最好的性能

6、要求。化的机构简化振动模型。由单自由度系统固有频率通常情况下，这些性能指标包括:①所需的运动(自的计算公式由度、工作空间等)。②刚度要求。③材料特性。1Ik_④应力限制。⑤尺寸、质量等方面的限制。⑥动力A=-.{一(1)n丫m。学性能。⑦驱动器特性等。实际上，将上述各个指标同时作为优化的目标是不可能的，甚至是自相矛盾的。例如，机构的刚度与工作空间通常是一对矛盾，欲获得更大的刚度一般要以牺牲其工作空间为代价，反之亦然。因此，全柔性机构的结构优化通常以上面的某一或部分指标为优化对象，而目前的结构优化仍然以优化静力学性能为主导地位[31图1机构模型图2离散化的机

7、构振动模型要保证机构具有很高的定位精度，不仅要求机械本体有较高的静刚度，还需要具备较强的抗干扰为预估机构的固有频率，首先需分别求得机构能力。而经验表明，机构的固有频率越高，它才对的等效刚度和等效质量。周围环境的振动越不敏感。因此，对全柔性机构进根据能量法，系统的势能(2)oU=44认(3)国家自然科学荃金资助项目(50075010),2001008收到初稿.20020510△二一告k.92收到修改稿2003年8月于靖军等:基于动力学性能的全柔性机构优化设计有频率同时考虑，原则上在保证后者的前提下以前u=1tp(4)者作为主要的优化指标。二是对机构的参数进行

8、优由此可得化，该阶段应以固有频率作为主要的优化目标。另k.-24U