为了实现高精度的运动学支撑结构的设计, 研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式, 推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法, 对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明: 解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致, 且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响, 得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比, 与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较; 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件, 建立了放大机构的有限元模型, 验证了位移放大比的理论推导, 并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示: 基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率, 且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后, 采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明: 基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2, 显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。

基于线弹性和小变形假设理论, 通过引入比例系数(直圆柔性球铰槽口间距与切割半径倍数之比)并利用其结构对称的特点, 推导得到了形式较为简洁的直圆柔性球铰柔度矩阵各子元素的解析柔度计算公式。利用有限元仿真软件验证了所推公式的正确性, 并绘制了相应的误差曲线。结果表明: 当比例系数小于0.2时, 直圆柔性球铰各柔度计算公式的相对误差限均在11%以内; 随着比例系数的增加, 除沿x向的拉压柔度C11误差较小外, 其他柔度计算公式的误差均呈增加的趋势, 最大误差为30%。实验结果显示理论分析与仿真结果基本趋于一致, 验证了直圆柔性球铰各柔度解析式的正确性。本文的研究内容为直圆柔性球铰在实际应用中的结构设计和参数优化奠定了理论基础。