1 石家庄铁道大学 河北省交通安全与控制重点实验室, 河北 石家庄 050043
2 石家庄铁道大学 交通运输学院, 河北 石家庄 050043
3 石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 河北 石家庄 050043
4 石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043
5 石家庄铁道大学 材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
为实现中高频振动信号的测量，本文设计了一种基于轴承和柔性铰链结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。首先，基于理论力学模型推导出其固有频率、灵敏度与结构参数的数学模型，然后进行结构优化设计，并制作了传感器实物。在此基础上，对所设计传感器动态特性进行有限元仿真和实验测试。研究结果表明：传感器工作频率为10～1200 Hz，加速度灵敏度达17.25 pm/g，测量误差小于0.3 g，线性度大于0.99，重复性误差为2.33%，且能实现温度补偿。
传感器 加速度传感器 光纤布拉格光栅 中高频 轴承 柔性铰链 sensor accelerometer fiber Bragg grating mid-high frequency bearing flexure hinge
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了减轻大尺寸（740 mm×480 mm）矩形扫描反射镜的质量并保证反射镜的面形精度，结合二维和三维等效刚度模型设计了背部开口、以三角形轻量化孔为主、轻量化率为81.4%的轻量化结构。基于球头万向节与柔性铰链原理，设计了两种背部三点支撑方式的SiC扫描反射镜组件。有限元分析结果表明，在Y方向重力及40 ℃均匀温差耦合工况下，球头万向节与柔性铰链支撑方式的反射镜面形误差均方根（RMS）值满足小于等于0.025λ（波长λ=632.8 nm）的设计要求，分别为12.3 nm和12.9 nm，一阶固有频率分别为68.1 Hz和85.5 Hz，且柔性铰链结构的刚度更好。采用自准直法测量扫描反射镜组件的面形误差，结果表明，面形误差的RMS值为0.025λ，满足实际要求，为大口径矩形扫描反射镜组件的设计提供了参考依据。
光学设计 扫描反射镜 球头万向节 柔性铰链 面形误差 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0522001
1 浙大宁波理工学院 机电与能源工程学院, 浙江 宁波 315100
2 浙江大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310027
3 宁波市博尔法液压有限公司, 浙江 宁波 315502
压电陶瓷材料具有优良的力学性能和响应特性, 将其作为智能执行器应用于液压阀中, 是持续多年的研究热点。但压电驱动器输出仅为微米级, 难以直接满足液压阀的使用要求, 因此需要设计相应的微位移放大机构。首先, 重点介绍了柔性铰链放大机构及其在压电阀中的典型应用, 根据原理可分为杠杆、三角、桥式等放大形式; 其次, 归纳了基于液压放大和晶片放大机构的两类压电阀的代表性结构和性能特点; 最后, 分析对比了三类放大机构应用于压电阀中的优缺点。结果表明, 铰链放大结构简单, 再现性好; 液压放大占用空间小, 频带宽, 倍数高; 晶片放大频响高, 只适用于伺服和先导控制。
压电阀 放大机构 柔性铰链 液压放大 压电晶片 piezoelectric valve amplification mechanism flexure hinge hydraulic amplification piezoelectric bimorph
红外与激光工程
2021, 50(10): 20210118
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
在二自由度快速控制反射镜系统设计中，为提高系统的控制带宽，应尽量降低工作方向上的低阶固有频率，提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象，首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析，并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题，重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式；其次，利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导，并进行了非线性拟合化简，得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%，证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性；然后，将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式，并进行有限元验证，结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%，证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法，对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计，到达设计要求，所求出的优化结构较初始结构有明显优化，工作方向刚度减小19.04%，非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证，结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%，三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高，能有效提高系统控制带宽。
快速控制反射镜 控制带宽 优化设计 固有频率 柔性铰链刚度 fast steering mirror control bandwidth optimal design natural frequency the stiffness of flexure hinge 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200450
江西理工大学 能源与机械工程学院, 江西 南昌 330013
为了实现对微纳尺度下物件的精密夹持, 建立了柔性微夹钳系统。并对该系统柔性夹钳设计、运动学、动力学和控制方法等进行研究。首先, 利用柔性铰链设计方法设计了柔性微夹钳, 利用伪刚体法建立了机械的伪刚体模型。接着, 以伪刚体模型法建立了系统的运动学模型, 即机械放大比和输入刚度等数学模型。然后, 利用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程, 得出系统的自然振动频率。最后, 通过ANSYS有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析和验证, 此外, 利用PID控制算法对微夹钳系统进行实验控制。实验结果表明: 跟踪控制结果误差为2.4%; 放大比为9.12倍。基本满足微纳尺度下的微夹持工作, 其工作精度可达微米级别甚至纳米级别, 符合设计要求。
柔性铰链 微夹钳 压电陶瓷 精密驱动 伪刚体模型 flexure hinge micro-gripper piezoelectric ceramics precision motion pseudo rigid body
武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室, 武汉 430070
为实现对待测表面两个方向的振动监测, 基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先, 推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式, 然后基于圆形铰链刚度的理论公式, 推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计, 得到在满足工作要求时, 传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明, 该传感器的谐振频率约为368 Hz, 灵敏度约为107.3 pm/g, 横向抗干扰度为4.8%, 谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.
传感器 光纤光栅 加速度传感器 优化设计 柔性铰链 振动测量 Sensor Fiber Bragg grating Accelerometers Optimization design Flexure hinge Vibration measurement
1 中国科学院 高能物理研究所， 北京 100049
2 中国科学院大学， 北京 100049
Laue晶体单色器常用于单色化高能X射线（＞50 keV），通过对其晶片压弯可以实现高能光束聚焦。晶片压弯过程中会不可避免地产生扭曲，从而影响单色器的工作效率。利用波动光学仿真的方法，分析弯晶面形扭曲对Laue晶体单色器性能的影响，并提出一种角位移微调轴角装置，用来消除这种扭曲。该装置基于直梁型柔性铰链，利用叠加原理和对称结构。利用有限元方法分析了该装置的力学性能。分析结果表明，轴角装置的转角范围为±2°时，其转动中心最大偏移为20 μm，实现了角位移分辨率好于1″，动态范围达到104，达到设计目标。
Laue晶体单色器 光学仿真 轴角装置 柔性铰链 压弯机构 Laue crystal monochromator optical simulation rotary mechanism flexure hinge bending mechanism 强激光与粒子束
2019, 31(9): 091003
在高能激光**系统中, 快速反射镜作为光束指向控制的核心器件, 对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光**系统光束指向范围的战术需求, 设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素, 分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据, 进行参数设计, 推导了万向柔性铰链的柔度表达方程, 并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明, 快速反射镜系统具有±3.3°的运动行程, 一阶谐振频率达到了231.04 Hz, 满足了大行程、高带宽的设计要求。
高能激光 快速反射镜 光束指向控制 万向柔性铰链 high energy laser fast steering mirror beam steering control universal flexure hinge 红外与激光工程
2019, 48(2): 0218002
1 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 安徽工程大学 机械与汽车工程学院, 安徽 芜湖 241000
为实现精密机械装置的快速定位, 增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力, 提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先, 对电机的作动原理进行分析, 推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能, 对直圆型柔性铰链的参数进行了优化, 得到最佳铰链参数为厚度th=0.2 mm、切割半径Rh=1 mm和宽度bh=10 mm。最后, 制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试, 基于正交试验方法对电机速度进行了分析, 得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明, 驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75 μm和63 μm附近波动, 差值约为12 μm; 在120 V、110 Hz的信号激励下速度达16.163 mm/s, 最大负载能力为1.7 N。与现有的压电直线电机相比较, 该电机结构简单, 易于安装调试, 具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。
双足压电直线电机 压电叠堆 二级杠杆 柔性铰链 正交试验 double-foot piezoelectric linear motor piezoelectric stack secondary lever flexure hinge orthogonal test
