柔性鉸鏈?zhǔn)且环N特殊的機(jī)構(gòu)形式，它用材料可逆的彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，在宇航、制造、光學(xué)、生物工程等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，尤其是近幾年，在微位移、微定位、測(cè)量、光學(xué)平臺(tái)、微調(diào)整機(jī)構(gòu)、大型天線空間展開機(jī)構(gòu)等工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多．柔性鉸鏈因在結(jié)構(gòu)上的一體化設(shè)計(jì)和利用彈性形變產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和傳遞能量，它具有無(wú)空回、無(wú)摩擦、無(wú)間隙、無(wú)噪聲、無(wú)磨損、運(yùn)動(dòng)靈敏度高等 特點(diǎn)．平面柔性鉸鏈?zhǔn)侨嵝糟q鏈中的一種，一般采用普通的片簧加工而成，加工成本低，結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)單，特別適合于精密機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域．采用平面柔性 鉸鏈設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、零部件少、導(dǎo)向精度高、不需要潤(rùn)滑等。

柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基本形式

采用柔性機(jī)構(gòu)作為導(dǎo)軌，用以實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)向，其常用結(jié)構(gòu)形式如圖1所示的四種平行四邊形平動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，按照順序分別命名為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型．其中Ⅰ型是一種典型的半直圓柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)接湊，穩(wěn)定性好，但鉸鏈部分易疲勞；Ⅱ型是帶加強(qiáng)板的平行簧片導(dǎo)向機(jī)構(gòu)．該機(jī)構(gòu)用簧片代替加工成型的柔性鉸鏈，其抗疲勞能力要好于Ⅰ型，但零件較多；Ⅲ型為平行簧片導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但整體的穩(wěn)定性不如Ⅰ型和Ⅱ型；Ⅳ型為平面柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)克服了Ⅰ型易疲勞的弱點(diǎn)，在穩(wěn)定性上又優(yōu)于Ⅲ型，是一種很有應(yīng)用潛力的一種柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

四種柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中的前三種機(jī)構(gòu)有文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的分析和論述，而平面柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（Ⅳ型）在實(shí)踐中應(yīng)用較少，從目前的文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)的設(shè)計(jì)理論．文中以材料力學(xué)的彎矩方程為基礎(chǔ)，通過(guò)理論推導(dǎo)給出了平面柔性鉸鏈的抗 彎剛度和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的剛度解析公式；設(shè)計(jì)加工實(shí)驗(yàn) 樣件，并在彈簧拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比分析解析公式計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果，用來(lái)驗(yàn)證解析公式的正確性。

平面柔性鉸鏈的抗彎剛度

如圖１（ｄ）所示的由平面柔性鉸鏈構(gòu)成的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，其平面鉸鏈部分的結(jié)構(gòu)如圖２所示，由厚度為ｈ的不銹鋼板切割而成半徑為Ｒ 的平面鉸鏈， 其中最窄處的寬度為ｔ，Ｏ點(diǎn)為鉸鏈的對(duì)稱中心，Ｏ′ 點(diǎn)為所切割的半圓的圓心，設(shè)沿坐標(biāo)軸ｘ 方向任意一點(diǎn)處鉸鏈的寬度為ｂ（ｘ），ｚ 軸垂直于鉸鏈表面，在沿ｙ軸方向?yàn)殂q鏈?zhǔn)┘恿兀停q鏈處將產(chǎn)生垂直于鉸鏈平面方向的彎曲變形，如圖２（ｂ）

在力矩Ｍｙ的作用下，鉸鏈產(chǎn)生轉(zhuǎn)角為α，根據(jù)材料力學(xué)彎矩公式有

為了實(shí)現(xiàn)精密導(dǎo)向功能，采用如圖１（ｄ）所示 的平行四邊形機(jī)構(gòu)做為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)．當(dāng)該機(jī)構(gòu)在力Ｆ的作用下產(chǎn)生位移δ，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)變形示意圖如圖３ 所示，則鉸鏈處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角α與δ 的關(guān)系為

根據(jù)能守恒關(guān)系，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在力Ｆ作用下產(chǎn)生位移δ所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)殂q鏈變形的彈性勢(shì)能，有

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)剛度測(cè)試

為了驗(yàn)證平面柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的剛度解析式（８）的正確性，設(shè)計(jì)了一套如圖１（ｄ）所示的平行 四邊型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，圖４是設(shè)計(jì)加工的樣件照片．該機(jī)構(gòu)主要由兩片平面柔性鉸鏈和兩塊剛性支撐板構(gòu)成．平面柔性鉸鏈采用了硬化后的３０４不銹鋼薄板線切割加工而成，為減輕重量，支撐塊由硬鋁合金材料加工，簧片的參數(shù)見表１.

　

用彈簧拉壓儀對(duì)該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，該儀器 的力測(cè)量分辨率為０.００２Ｎ，位移分辨率為０.０１ｍｍ．通過(guò)手動(dòng)進(jìn)給，記錄進(jìn)給的位移和對(duì)應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)彈性力，得到力和位移關(guān)系曲線如圖5所示．采用最小二乘法做直線擬合，得到該機(jī)構(gòu)的剛度為１．０１Ｎ／ｍｍ，按照理論式（７）計(jì)算剛度為１．０６Ｎ／ｍｍ，相對(duì)誤差為４.７％，測(cè)試結(jié)果小于理論 計(jì)算結(jié)果，其誤差來(lái)源主要在于式（７）中只考慮了簧片鉸鏈部分的變形，沒考慮整個(gè)簧片的變形．

采用平面柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了ＣＮＣ齒輪測(cè)量中心一維測(cè)頭防撞裝置，如圖６所示．該裝置主要由一維ＴＥＳＡ 測(cè)頭、平面柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和 位置傳感器等構(gòu)成．當(dāng)測(cè)針受到撞擊后，推動(dòng)ＴＥＳＡ測(cè)頭后退，位置傳感器感測(cè)到測(cè)頭位移的變 化后將信息傳送到控制系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)將整個(gè)測(cè)頭向后退到安全位置，實(shí)現(xiàn)了ＴＥＳＡ 測(cè)頭的安全保護(hù)．

結(jié)論

由材料力學(xué)的撓曲線微分方程推導(dǎo)出平面柔性鉸鏈的抗彎剛度解析式，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用能量守恒關(guān)系得到了平面柔性鉸鏈的剛度公式，通過(guò)加工樣件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證導(dǎo)向機(jī)構(gòu)剛度解析式的正確性．
（１）實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，平面柔性鉸鏈解析公式與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的誤差為4.7％，理論計(jì)算剛度大于測(cè)試結(jié)果；
（２）產(chǎn)生誤差的原因在于解析公式中只考慮了鉸鏈部分變形，沒有考慮簧片其他部分的變形．此外，材料的彈性模量、簧片加工尺寸的不確定性等對(duì)測(cè)量結(jié)果均有一定的影響.

為了提高平面柔性鉸鏈剛度計(jì)算精度，剛度計(jì)算解析公式中應(yīng)將整個(gè)簧片的變形考慮進(jìn)去，另外，需要將簧片材料的彈性模量、簧片加工尺寸的不確定性等影響因素加以考慮，以形成完善的平面 柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分析理論。

本文摘自《西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》，原文作者：王艷波、白朝輝、王洪喜等，本站編輯：趙小剛