混合型柔性鉸鏈研究

2014/11/28 14:48:47

1 引言

在空間激光通信和遠程激光功率傳輸系統(tǒng)中,為了保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定地工作,需要對環(huán)境微振動做出快速而精確的控制響應,工程中多采用快速傾斜反射鏡和快速變形鏡,這些光學器件都需要小范圍、高分辨率的偏轉支承。同步輻射裝置的單色器中的分光晶體投角、滾角、擺角的調節(jié),弧矢聚焦晶體壓彎的調節(jié),也需要高精度、高靈敏度的調整機構。另外,在微電子機械系統(tǒng)、微動工作臺、光學自動聚焦等工程領域,對實現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉的支承不僅提出了高分辨率的要求,而且對其尺寸和體積提出了微型化的要求。

為了滿足這些工程使用需求,人們逐步開發(fā)出體積小、無機械摩擦、無間隙的柔性鉸鏈,在各種應用領域中獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性。柔性鉸鏈用于提供繞軸作復雜運動的有限角位移,其特點是:無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高。

2 混合型柔性鉸鏈

早在1965年,J.M.Paros和L.Weisboro便給出了柔性鉸鏈的設計計算公式,避免了設計中繁瑣的積分計算,并一直沿用至今;吳鷹飛等人進一步簡化了J.M.Paros和L.Weisboro給出的直圓柔性鉸鏈計算公式。盡管如此,直圓柔性鉸鏈的計算仍然十分繁瑣;對于其它更為復雜的鉸鏈型式,例如橢圓型和導角型,解析表達就更加困難,所以工程設計中常采用有限元方法進行分析計算。

使用有限元方法對直圓、導角和橢圓這三種型式的柔性鉸鏈進行了分析計算,并比較了它們各自的優(yōu)缺點。在此基礎上,提出了一種混合型柔性鉸鏈——由半個直圓柔性鉸鏈和半個導角柔性鉸鏈組合而成。

混合型柔性鉸鏈。左端直圓部分為固定端,半徑為5mm;右端導角部分的導角半徑為r;中間最薄處厚度為1mm;鉸鏈寬為10mm。當r=0mm,鉸鏈的右端的導角退化為直角,稱其為半直圓半直角柔性鉸鏈;當r=5mm,鉸鏈就變成了直圓柔性鉸鏈。

理想鉸鏈應可以繞其中心點自由旋轉;但是,對于真實的柔性鉸鏈,要讓它作旋轉運動就必須施加變形力。然而,即使施加的力很小,也會導致鉸鏈中心點偏離其幾何中心,這就會影響柔性鉸鏈的轉動精度。為了定量地考察各個柔性鉸鏈的柔度和精度,通常用D點的位移來表征其柔度,而用中心節(jié)點C的偏移量來表征其精度。

鑒于這種柔性鉸鏈解析表達的復雜性,采用有限元方法進行分析計算。

3 分析與比較

為了考察不同導角半徑r的柔性鉸鏈變形、精度和最大應力情況,在Ansys中依次對r為0、1mm、2mm、3mm、4mm以及5mm的鉸鏈建立了有限元分析模型,單元類型選用Shell63(此單元中的每個節(jié)點均具有六個自由度)。

3.1 有限元分析結果

在鉸鏈的有限元模型中,直圓端固定,導角端D處作用F=30N的力,其靜力分析的變形(a)～(e),D點的位移量、C點的偏移量及鉸鏈的最大應力。

從數(shù)據(jù)可以看到:

(1)r越大,D處的位移就越小,即鉸鏈的柔度越小。r=0的鉸鏈具有最大的柔度,高達95.4μm;

(2)C處的偏移量幾乎不隨r的變化而改變,最大值2.69μm與最小值2.61μm之間只有不到3%的偏差;

(3)最大應力的變化并不顯著:r取4mm時,最大應力取得最大值,191MPa;取5mm時,最大應力取得最小值,176MPa;

(4)r取1mm時的D點位移幾乎是直圓鉸鏈的兩倍,而其最大應力卻與直圓鉸鏈相差不多。

3.2 柔度應力比

為了更好地比較不同導角半徑的混合柔性鉸鏈(包括半直圓半直角柔性鉸鏈和直角柔性鉸鏈兩種情況)的性能,我們定義了“柔度應力比”:D點位移與鉸鏈最大應力之比。在允許應力范圍內(nèi),柔性鉸鏈可視為線性系統(tǒng)。在此前提下,柔度應力比越大(即隨著變形力增大,最大應力每增大1MPa,對應的D點位移增加幅度越大),鉸鏈的性能就越好。

利用上述計算實例的有限元分析結果繪制的柔度應力比曲線?？梢钥闯?導角半徑為1mm的鉸鏈具有最大的柔度應力比,高出柔度應力比最差的直圓鉸鏈近0.2μm/MPa,是這組設計實例中的最佳選擇;半直圓半直角柔性鉸鏈的柔度應力比也很高,但由于直角處存在較為嚴重的應力集中,在交變應力條件下易斷裂,因此不宜采用。

4 結論

柔性鉸鏈已經(jīng)在許多要求高精度、高靈敏度的工程應用中起到了不可替代的作用。在綜合考慮直圓柔性鉸鏈和導角柔性鉸鏈各自的優(yōu)缺點的基礎上,提出了混合型柔性鉸鏈這一嶄新的柔性鉸鏈型式。有限元分析結果表明,它具有比直圓柔性鉸鏈更大的柔度。

提出了柔度應力比這一概念,為定量地比較各種柔性鉸鏈的優(yōu)劣提供了依據(jù)。

這種混合型柔性鉸鏈為面向高精度、大位移的工程應用提供了有價值的參考。

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