摘要：大變形、小應(yīng)力、小中心漂移的柔性鉸鏈的研制一直是柔性鉸鏈研究的難題。本文在參考國(guó)外某款柔性鉸鏈的基礎(chǔ)上，利用Ｖ型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疊加理論和對(duì)稱布置方法設(shè)計(jì)了一種新型的柔性鉸鏈。針對(duì)這種柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)進(jìn)行了概念性研究，建立了鉸鏈的數(shù)學(xué)模型，研究了這種新型柔性鉸鏈的性能。有限元方法分析表明，該設(shè)計(jì)方法增加了鉸鏈柔性部分的長(zhǎng)度，降低了它的中心漂移和最大應(yīng)力，得到其最大轉(zhuǎn)角約為16°，最大中心漂移為3.557μｍ，最大應(yīng)力為499.8MPa，滿足了最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。結(jié)果證明該鉸鏈具有一定的實(shí)用價(jià)值。

引言

目前，空間光學(xué)遙感器主要是采用ＴＤＩＣＣＤ 交錯(cuò)拼接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線陣的。交錯(cuò)拼接 是將ＴＤＩＣＣＤ裝配成雙列交錯(cuò)式焦面形式，即第 二行的ＴＤＩＣＣＤ正好填充第一行ＴＤＩＣＣＤ所形成 的間隙，首尾的像元分別對(duì)齊，但在相機(jī)飛行方向 上（圖像積分方向）兩行錯(cuò)開(kāi)一定的位置。這種拼接方式有很多優(yōu)點(diǎn)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。 像是影響相機(jī)成像質(zhì)量的重要因素，存在使圖像分辨率明顯下降的問(wèn)題，所以必須進(jìn)行像移 補(bǔ)償。不同原因引起的像移由不同的機(jī)構(gòu)來(lái)補(bǔ)償，通常的做法分為機(jī)械像移補(bǔ)償方法和電子學(xué)補(bǔ)償法。電子學(xué)補(bǔ)償方法是利用ＴＤＩＣＣＤ行 轉(zhuǎn)移匹配能力而實(shí)現(xiàn)的一種補(bǔ)償方法。ＴＤＩＣＣＤ 采用的電荷延時(shí)積分方法是通過(guò)在像移速度方向上以像移速度同步的速度轉(zhuǎn)移電荷來(lái)保證像移的補(bǔ)償。ＴＤＩＣＣＤ只在列方向具有像移補(bǔ)償能力， 因此，這種像移補(bǔ)償方法只有在ＴＤＩＣＣＤ的積分時(shí)間與像移速度匹配，并且ＴＤＩＣＣＤ列方向與像 移速度方向一致時(shí)方可實(shí)現(xiàn)。采用電子像移補(bǔ)償法進(jìn)行像移補(bǔ)償時(shí)，需要兩個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)完成：一是實(shí)時(shí)控制相機(jī)的ＴＤＩＣＣＤ器件轉(zhuǎn)動(dòng)，保持ＴＤＩＣＣＤ列方向與像移速度方向一致；另一個(gè)是控制 ＴＤＩＣＣＤ的行轉(zhuǎn)移速度與像移速度匹配，完成像 移速度數(shù)值上的補(bǔ)償。本文的柔性鉸鏈主要是基于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制相機(jī)的ＴＤＩＣＣＤ器件轉(zhuǎn)動(dòng)而研制的。由于ＣＣＤ的精度要求很高，加之空間環(huán)境的限制，普通的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足這一要求，只有無(wú)間隙、無(wú)摩擦、免潤(rùn)滑和高分辨率的柔性鉸鏈才可能滿足要求。本鉸鏈研究是基于某型號(hào)相機(jī)設(shè)計(jì) 的，其要求的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為６～８°，中心漂移不大于１０μｍ，外型尺寸不大于４０ｍｍ×６０ｍｍ。

柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)

幾種典型的柔性鉸鏈介紹

圖１（ａ）是一種交錯(cuò)型柔性鉸鏈，由兩個(gè)相同的彈性薄簧片疊合而成，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度最大可達(dá)２６°。圖１（ｂ）是一種裂筒式柔性鉸鏈，圖１（ｃ）是 一種自由撓曲式柔性鉸鏈。上述３種柔性鉸鏈 的特點(diǎn)是柔性好、轉(zhuǎn)角范圍大，但當(dāng)有外力作用時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心有比較大的漂移是他們的致命弱點(diǎn)。

上述幾種柔性鉸鏈的一個(gè)共同特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)由多個(gè)簧片構(gòu)成。其變形都是由一個(gè)或多個(gè)簧片 共同完成，利用分布柔度來(lái)實(shí)現(xiàn)集中變形，稱之為 柔性鉸鏈的多簧片構(gòu)型。這種構(gòu)型的柔性鉸鏈比 缺口型的傳統(tǒng)柔性鉸鏈擁有較大的變形范圍，但是這種多簧片式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很難保證。空間環(huán)境對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性及強(qiáng)度的要求十分嚴(yán)格， 將以上部件應(yīng)用到空間還需要更近一步的研究。 本文根據(jù)傳統(tǒng)的車輪式柔性鉸鏈，在參考國(guó)外某 款柔性鉸鏈的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的蝶型柔性鉸鏈。如圖２所示。

 

柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)

目前現(xiàn)有的大變形柔性鉸鏈形式多樣，但多采用直線簧片作為構(gòu)成復(fù)雜大變形柔性基本單元。設(shè)計(jì)的手段無(wú)非是增加柔性部分的長(zhǎng)度和減少柔性部分的厚度，但一味的追求大長(zhǎng)度小厚度的柔性鉸鏈也會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)不緊湊，厚度過(guò)低會(huì)降低其疲勞壽命，尤其對(duì)于應(yīng)用于空間的柔性鉸鏈，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抗疲勞性等都是必須考慮的。因此，為了在有限的空間范圍內(nèi)，既能增加柔性單 元的長(zhǎng)度，又不會(huì)降低厚度便成為設(shè)計(jì)新型大變 形柔性鉸鏈的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)利用折疊的方法提高柔性部件長(zhǎng)度，同時(shí)保證其厚度不變。設(shè)計(jì)的原型來(lái)自于車輪式柔性鉸鏈，如圖３所示。

蝶型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)如圖４所示。蝶型柔性 鉸鏈采用柔性部件Ｖ字型設(shè)計(jì)，增加了柔性單元長(zhǎng)度并且保證了柔性部分的厚度。這個(gè)結(jié)構(gòu)由４ 個(gè)基本的相互連接的鉸鏈組成。第一對(duì)柔性彈板 連接著中間部件１與固定部件，使他們產(chǎn)生圍繞 著旋轉(zhuǎn)中心的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。第二對(duì)柔性彈板 連接著中間部件１與部件２，也同樣圍繞Ｏ軸旋轉(zhuǎn)。第三對(duì)柔性彈板連接部件２和部件３，作用一樣。因?yàn)椋競(jìng)€(gè)彈板都是一樣的，所以每一個(gè)單 元鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度相同。因此，當(dāng)對(duì)移動(dòng)部件施 加一個(gè)角度α時(shí)，４個(gè)鉸鏈平分這一轉(zhuǎn)角（部件１ 相對(duì)于固定部件旋轉(zhuǎn)α／４，部件２旋轉(zhuǎn)α／２，部件 ３旋轉(zhuǎn)３α／４）。 蝶型柔性鉸鏈的一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)就是它 在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候產(chǎn)生非常小的寄生中心漂移，這個(gè)結(jié)果有兩個(gè)方面的影響：

ａ）４個(gè)部件的轉(zhuǎn)角分配柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的寄生位移的數(shù)值相對(duì) 于轉(zhuǎn)角成非線性的增長(zhǎng)，這意味著一個(gè)柔性鉸鏈 轉(zhuǎn)動(dòng)α度比兩個(gè)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)α／２產(chǎn)生的寄生位移更大。因此，把角度分配給４個(gè)部件是一種十分有效降低中心漂移的方法。

ｂ）部件之間的中心漂移補(bǔ)償 按著序列連接４個(gè)柔性鉸鏈單元產(chǎn)生一個(gè)完 全的中心漂移，這個(gè)中心漂移是每一個(gè)部件的漂移的矢量和。第一對(duì)鉸鏈（連接部件１和固定部件）以一種寄生位移矢量相互補(bǔ)償?shù)奈恢梅绞桨卜?，其它也以同樣方式安放?/p>

本文使用有限元方法，對(duì)這種柔性鉸鏈的最大應(yīng)力，最大轉(zhuǎn)角、力和中心漂移關(guān)系進(jìn)行了比較深入的研究和探討。

蝶型柔性鉸鏈的分析

蝶型柔性鉸鏈的幾何模型如圖５所示。

蝶型柔性鉸鏈也是基于多簧片構(gòu)型原理設(shè)計(jì)的一種具有較大變形的柔性鉸鏈，本文利用 ＵＧ6.0的分析功能對(duì)其進(jìn)行了分析。模型采用的是六面體網(wǎng)格，材料選用的是鈦合金，彈性模量為114ＧＰａ，泊松比為0.33。網(wǎng)格模型如圖６所示。

如何在變形中降低應(yīng)力是大變形柔性鉸鏈研 制過(guò)程中非常棘手的一個(gè)問(wèn)題。通常來(lái)講，最有效的辦法就是兩個(gè)，增加柔性單元長(zhǎng)度和降低其厚度。由于還有疲勞強(qiáng)度等方面的考慮，因此降低厚度并不可取。另外，應(yīng)用在有限的空間中，這 對(duì)單純地增加其柔性單元的長(zhǎng)度也提出了非常嚴(yán)格的要求。本鉸鏈通過(guò)兩個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)增加柔性單元的長(zhǎng)度。其一，通過(guò)兩個(gè)柔性單元通過(guò)一定角度相連，即Ｖ型設(shè)計(jì)增加柔性單元的長(zhǎng)度，同時(shí)沒(méi)有大幅度的增加整個(gè)零件的長(zhǎng)度。其二，對(duì)稱式 的結(jié)構(gòu)，使力不是由單獨(dú)某一個(gè)柔性單元承擔(dān)，而是由４個(gè)部分分擔(dān)。所以，本設(shè)計(jì)有效地降低了應(yīng)力。利用ＵＧ６．０進(jìn)行有限元分析，在如圖７所示的這個(gè)位置施加５Ｎ的力，方向與柔性單元薄板的法向相同。

應(yīng)力結(jié)果如圖８所示，最大應(yīng)力如圖９所示。 得到其最大應(yīng)力約為４９９.８ＭＰａ，而Ｔｃ４的許用 應(yīng)力為８９５ＭＰａ。鉸鏈的單向轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為８°， 即其總運(yùn)動(dòng)行程可以達(dá)到16°左右。

利用有限元分析軟件，對(duì)其中心漂移進(jìn)行了分析。中心漂移是由于轉(zhuǎn)動(dòng)寄生的。由于給定的是力，而不是單純的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，中心漂移是不可避免的。但是蝶型柔性鉸鏈采用了４個(gè)部件共同分擔(dān)的設(shè)計(jì)理念和矢量抵消的柔性構(gòu)造，大大降低了中心漂移的數(shù)值。采用上面的施力大小、方向、和位置，得到如圖10所示的中心漂移，其大小為３.５５７μｍ。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在１０μｍ的范圍內(nèi)都是可以接受的。因此，這里的設(shè)計(jì)符合要求。 從半徑１４ｍｍ開(kāi)始（半徑１４ｍｍ時(shí)，要想轉(zhuǎn)到８°，最大應(yīng)力達(dá)到６００ＭＰａ），步長(zhǎng)為１ｍｍ，直到１８ｍｍ結(jié)束。轉(zhuǎn)動(dòng)角度都為８°，施加力的方向 和位置是一致的。數(shù)據(jù)如表１所示。將半徑與中 心漂移的數(shù)值之間的關(guān)系做成圖的形式，得到如圖11所示的結(jié)果。





 

表１　數(shù)據(jù)表
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柔性板的 半徑／ｍｍ	中心漂移的 數(shù)據(jù)／μｍ	轉(zhuǎn)動(dòng)８°所需 的推力／Ｎ
14 15 16 17 18	６．０６ ５．２６４ ５．０１ ４．７７ ３．９９	8．78 7．50 6．55 6.30 4.95

由圖１１可以看出，柔性板的半徑與中心漂移 數(shù)值的大小不成線性關(guān)系。根據(jù)分析和課題本身 尺寸要求，本設(shè)計(jì)采用的是１７ｍｍ柔性板半徑。另外，蝶型柔性鉸鏈設(shè)計(jì)的最主要目的是實(shí)現(xiàn)大 轉(zhuǎn)角，而有限元分析軟件無(wú)法顯示出轉(zhuǎn)角，因 此，這里利用位移與半徑的比值來(lái)近似角度值。驅(qū)動(dòng)力的方向大小與上面分析取定的一樣，結(jié)果如圖12所示。

取定點(diǎn)距離中心點(diǎn)的距離為１.７ｍｍ，取定點(diǎn)的位移為０.２３５１ｍｍ，用弧度法，得到旋轉(zhuǎn)弧度約為０.１４，換算成角度約為８°。達(dá)到最大角度后，該鉸鏈還能保持良好的應(yīng)力特性，中心漂移也 沒(méi)有超出設(shè)計(jì)范圍。因此，可以說(shuō)，該鉸鏈滿足設(shè) 計(jì)角度要求。另外，尋找到了其力與位移（即轉(zhuǎn)動(dòng)角度）之間的關(guān)系，如圖13所示。 由圖13可以看出，力與位移之間的關(guān)系接近 于線性。這樣在沒(méi)有反饋的條件下，也可以很好地調(diào)控轉(zhuǎn)角（如要實(shí)現(xiàn)精確控制，必須實(shí)行反饋， 這不在本文討論范圍）。

結(jié)　論

　本文利用有限元方法設(shè)計(jì)了一種新型的大轉(zhuǎn)角柔性鉸鏈，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。首先，利用 Ｖ型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疊加理論、對(duì)稱布置方法等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段，增加了鉸鏈柔性部分的長(zhǎng)度，降低了該鉸鏈的中心漂移和最大應(yīng)力。其次，利用有限元方法優(yōu)化該鉸鏈的柔性部分的長(zhǎng)度，得到最優(yōu)長(zhǎng)度為１７ｍｍ，此時(shí)的中心漂移為３.５５７μｍ，最大轉(zhuǎn)角可達(dá)到８°，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。最后，為了使該鉸鏈更具有實(shí)用性，利用有限元方法分析了該鉸鏈的轉(zhuǎn)角與力的關(guān)系，分析表明，該鉸鏈具有優(yōu)良的線彈性。該鉸鏈滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。