一种用于机载设备的高精度转动型柔性铰链

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1、航空学报Mar252013Vol34No3694．702ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11—1929／V==========================================一http：／／hkxb．buaaedu．cahkxb@buaa．edu．cn一种用于机载设备的高精度转动型柔性铰链刘承平1’*，赵宏哲2，毕树生2，徐熠21．中国电子科学研究院，北京1000412．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191摘要：传统铰链应用于机载

2、设备时会产生摩擦、磨损、接触面热梯度等问题，而利用材料变形产生运动的柔性铰链可避免此类缺陷，获得高性能的同时，降低维护成本。现阶段使用的交叉簧片柔性铰链无法满足某些超精密航空机载设备的定位精度要求，因此将交叉点推广到任意位置以改善性能。首先，考虑机械接口，建立了广义交叉簧片柔性铰链的刚度和轴漂模型，从而分析了各个参数与刚度及轴漂的关系，并评估了由于加工因素造成的簧片不等长给性能带来的影响，得到了具有等值刚度和较小轴漂特性的柔性铰链。然后，通过有限元仿真验证了所分析特性的有效性。最后，通过组合提出了一种更大行程的复合柔性铰链，当转角

3、为15。时，且在垂直力作用下，轴漂小于3扯m，精度优于在国外已得到应用的蝶形铰链。关键词：柔性铰链；刚度；轴漂；精密机械；机载设备中图分类号：V229一．4；THll2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)03—0694—09由于具有无间隙、无摩擦、无磨损、免润滑、易维护、分辨率高等诸多优点u‘2]，柔性铰链与柔性机构已被广泛应用于航空航天中精密[3“]、超精密传动和定位场合口。8j。同时，簧片型的柔性铰链在一定程度上弥补了缺口型铰链行程较小的缺陷[9]，进一步扩展了其应用空间。因此，柔性机构的权威专家Howell

4、教授撰文指出，柔性空间机构将是一个前沿的研究领域[1⋯。作为一种典型的分布柔度转动副，交叉簧片柔性铰链已被众多学者研究[】1。1“。同时，以Riv—erhawk为代表的一些研发机构已将这类铰链开发为应用于多种领域的商业产品[13I。然而，交叉点位于簧片长度中点的柔性铰链轴心漂移较大。典型的机载设备要求铰链的转角范围在10。左右，10。时的轴心漂移应控制在10“m以内。因此，文献[14]通过移动交叉点的位置来改善轴漂性能，得到了一种高精度的广义交叉簧片柔性铰链，但其所建模型的精度不足。另一方面，在实际应用中，驱动端的机械实现方式将影

5、响铰链的各种性能，而研究交叉簧片的机械接口的文献较少见。本文研究将这类高精度的柔性铰链应用于航空机载设备的精密定位机构中。出于应用考虑，研究采用Riverhawk产品的机械接口，通过建立数学模型来研究其刚度和精度特性，同时对加工误差的敏感性进行评估。最后，将这种广义交叉簧片柔性铰链进行组合，来进一步提高机载设备的定位精度，同时增大转动行程。1簧片的变形模型首先，根据模块化理念，来分析构成广义交叉收稿日期：2012—03—23；退修日期：2012—05—22；录用日期：2012—06—27；网络出版时间：2012—12·2111：2

6、2网络出版地址：WWW、cnkinet／kcms／detail／111929V201212211122001htmI基金项目：国家自然科学基金(50975007，51105014)*通讯作者Tel：010-68893170E-mail：liuchengping@foxmailcom萌耀榕武：L铂CP，ZhaoHZ．BisS．etal?Apreciserotationalflexurepivotforairborneequipment．ActaAeronauticaetAstronautica，2013．34(3)：694．702劫

7、承平．赵宏哲．毕橱生．等一种竭f机载设备的高精度转动型柔性铰链．航空学报。2013，34(3)：694—702刘承平等：一种用于机载设备的高精度转动型柔性铰链簧片柔性铰链的基本柔性单元——簧片。如图1所示，每根簧片均可视为处于平面应变状态的悬臂梁，其中，A和B分别表示梁的自由端和固定端。从而根据材料力学的弯曲变形理论，可建立悬臂梁自由端位移和外部载荷之间的变形模型。然而，不同于材料力学中梁的小变形理论，这里的大变形簧片需要考虑轴向变形和轴向载荷。虽然已有学者建立了相应的变形模型，但比较复杂，各个参数的物理涵义不易理解。因此，Awt

8、ar等[15]对这种模型进行了简化，方便了簧片型铰链的设计，下面给出此模型。o爿B一～～、／l。F

9、＼一‘尸图1单根簧片的变形模型Fig．1Deformationmodelofasingleleaf[三]一[二之一6][夸]+户，广El‰／兹／。埘