针对传统微纳测量装置在测量过程中测头支撑机构刚度不可变化的问题, 设计了一种基于悬丝约束支撑的变刚度微纳测头。利用压电装置驱动柔顺导向机构产生位移, 以改变悬丝所受的轴向张紧力。基于应力刚化原理改变悬丝的横向刚度, 进而改变测头支撑机构的整体刚度, 以获得具有变刚度性能的新型微纳测头。根据测头支撑机构在测量过程中刚度的变化, 分别建立刚性和柔性模式下微纳测头Z向和横向的刚度理论模型。根据有限元仿真和刚度理论模型, 分别得到测头刚度随悬丝端面受力的变化曲线。对比测头刚度的仿真值和理论值, 得到测头Z向和横向刚度的平均相对误差分别为2.41%和4.72%, 结果表明理论模型具有较高的准确性。研究成果为该类型测头的变刚度控制奠定了前期理论基础。

为了在保持转动刚度变化不大的情况下, 使得LET (Lamina Emergent Torsion)柔性铰链能够适用于存在轴向载荷的场合, 即拥有较大的轴向刚度, 本文对LET的结构进行了适当改进, 设计了一种新型柔性铰链——抗拉LET柔性铰链。基于抗拉LEMs (Lamina Emergent Mechanisms)柔性铰链结构, 将整个抗拉LET柔性铰链等效为弹簧刚度模型, 并对该弹簧刚度模型进行理论建模, 得到封闭解。之后采用ANSYS软件, 建立其有限元模型, 分析其在转动载荷和轴向载荷两种不同场合下的形变, 并同之前的理论模型进行比较。结果表明, 采用弹簧刚度模型得到的等效刚度解与仿真分析结果较为一致, 抗拉LET柔性铰链的弯曲刚度仅是传统LET柔性铰链的1.12倍, 而拉伸刚度却是它的76.43倍。在弯曲刚度没有大幅变化情况下, 抗拉LET柔性铰链的抗拉刚度明显增大, 抗拉能力大大提高, 表明抗拉LET柔性铰链的结构设计符合预期要求。

基于全雅可比矩阵和虚功原理建立了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床的完整刚度模型。首先基于螺旋理论推导出约束分支中的约束雅可比矩阵; 然后锁定分支中的主动副并利用互易积原理求得驱动雅可比矩阵，最后提出了冗余驱动雅可比矩阵。利用约束力、驱动力和冗余驱动力与外力的映射关系，结合虚功原理，得到系统整体刚度矩阵。考虑虎克铰、轴承等传动部件的轴向变形对分支轴向刚度的影响，构造了各个分支的轴向刚度模型。借助激光跟踪仪对所建立的刚度模型进行了实验测试。结果表明: 该刚度模型的误差为2%~5%，验证了理论分析的可靠性。在此基础上，以机床的线刚度和角刚度的最小值为刚度性能指标，分析了其在工作空间内的分布情况。分析显示: 机床线刚度的最小值主要分布在Y轴两侧，角刚度的最小值则主要分布在-0.05≤z≤0.05 m和-0.11≤y≤-0.05 m，因此，在进行并联机床工具规划时应该尽量避免该区域。文中内容可为并联机床刀具运动轨迹的优化提供参考依据。

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构, 本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型, 探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵, 利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算, 在此基础上构建了多目标加权优化模型, 利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明: 绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示: 经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高, 同时抑制了其他方向上的运动能力, 从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度, 可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。

为了研究调焦镜组件中环形胶层对系统的影响，分析了胶层的建模方法即详细模型和等效刚度模型。采用等效刚度模型对调焦镜组件进行均匀温度变化分析，把计算的面形误差和实际检测结果对比。综合考虑结构粘合剂泊松比、粘结位置、胶层宽度和胶层厚度等因素对面形误差的影响，提出改进的优化设计方案，并对调焦镜组件进行尺寸稳定性分析，同时考察粘结安装过程中可能出现的偏心现象对系统的影响。计算结果表明：对胶层使用等效刚度模型可以准确反映结构粘合剂的材料属性，优化的粘结方案不仅满足设计要求而且有效防止了偏心粘结造成的胶层分布不均匀对系统的影响。