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北京航空航天大学学报 2024年

作者：李立建唐守乾姚建涛王迎佳华北水利水电大学机械学院燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室

双连孔力传感器在航空航天和工业计量等领域中应用广泛，但因其结构中存在变截面设计，导致其载荷位移特性和应变载荷关系较难解析描述，进而影响含双连孔结构的多维力传感器设计与性能优化。基于此，基于弹性梁理论，推导得到变截面力... 详细信息

双连孔力传感器在航空航天和工业计量等领域中应用广泛，但因其结构中存在变截面设计，导致其载荷位移特性和应变载荷关系较难解析描述，进而影响含双连孔结构的多维力传感器设计与性能优化。基于此，基于弹性梁理论，推导得到变截面力敏单元的柔度矩阵和应变载荷关系，进而通过柔度矩阵建模方法构建出双连孔力传感器的整体柔度模型，并以此为桥梁，获得双连孔结构上力敏单元应变片感知应变与传感器测力端作用载荷间的解析映射关系。通过有限元和实验分别对所构建的模型和应变解析关系进行验证，结果表明，期望维解析柔度相对有限元结果误差控制在3%以内，桥路输出电压理论相对于实验结果误差控制在5%以内，说明推导得到的解析公式可用于正确评价双连孔力传感器载荷位移特性和桥路输出应变与测力载荷间的映射，进而为含双连孔结构的多维力传感器优化设计提供可靠的理论技术支持。

关键词：力传感器双连孔结构柔度建模应变解析标定实验

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混合型柔性铰链构型设计与柔度建模

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机械工程学报 2022年第21期58卷 78-91页

作者：李立建姚建涛郭飞王迎佳王丽君华北水利水电大学机械学院郑州450045 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室秦皇岛066004

通过将对称型柔性铰链进行分段和命名,提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理,将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段... 详细信息

通过将对称型柔性铰链进行分段和命名,提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理,将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段基段的柔度矩阵,进而构建出形式统一的两段混合型柔性铰链通用柔度和精度模型。选取圆锥曲线、矩形梁和棱台型基段类型,基于组合设计共获得96种新型混合型柔性铰链。结合具体算例和借助有限元验证理论模型的正确性,并对所设计和现有的柔性铰链构型性能统一进行评价分析。研究工作可为柔性铰链构型优选和特性评价提供理论指导。

关键词：混合型柔性铰链构型设计柔度建模基段镜像段

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一种轴孔装配用混联柔性机构构型综合与柔度建模研究

一种轴孔装配用混联柔性机构构型综合与柔度建模研究

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作者：郭振天津大学

学位级别：硕士

面向高效高精度轴孔装配的需求,本文提出以混联柔性机构实现被动轴孔装配的方案,开展混联柔性机构的构型综合、柔度建模与轴孔装配实验研究。全文的主要研究成果如下:1.基于混联柔性机构的轴孔装配方案设计。分析轴孔装配过程中轴件的... 详细信息

面向高效高精度轴孔装配的需求,本文提出以混联柔性机构实现被动轴孔装配的方案,开展混联柔性机构的构型综合、柔度建模与轴孔装配实验研究。全文的主要研究成果如下:1.基于混联柔性机构的轴孔装配方案设计。分析轴孔装配过程中轴件的受力变化情况,提炼出装配系统与误差补偿机构的设计要求。结合并联机构与柔性机构的优势,提出一种基于新型混联柔性机构的轴孔装配系统总体方案。选取片弹簧作为并联柔性机构的基本柔性单元,提出由刚性铰链结合片弹簧组成柔性支链,构造并联柔性机构的方法。2.混联柔性机构构型综合。以瞬时旋量作为数学工具,描述基本柔性单元的自由度与约束,提出并联柔性机构的构型综合方法,形成混联柔性机构的构型综合一般流程。根据轴孔装配设计需求,分别进行具备n R2T、3Rn T自由度的并联柔性机构构型综合,借助瞬时旋量理论分别生成n R2T和3Rn T并联柔性机构的四自由度及五自由度柔性支链。按照机构约束条件装配柔性支链获得并联柔性机构,优选1R2T和3R并联柔性机构组合2R3T混联柔性机构。3.混联柔性机构柔度建模与优化设计。借助仿真实验分析混联机构柔度与片弹簧尺度参数的映射关系,获得机构柔度与片弹簧的长度、宽度、厚度的指数映射规律。构建混联柔性机构线柔度、角柔度与片弹簧尺度参数的映射模型,利用遗传优化算法拟合模型系数。将混联柔性机构的质量、体积及轴向承载能力作为优化目标,机构线柔度及角柔度作为约束条件,构造多目标优化模型,优选出使混联柔性机构质量轻、体积小、轴向承载能力高的片弹簧尺度参数。4.混联柔性机构样机制造与实验研究。制造混联柔性机构物理样机,开展样机自由度实验,证明该机构具备3R2T五自由度。进行线柔度模型验证实验,实验结果与柔度拟合模型计算结果误差小于7%。测试混联柔性机构的轴向承载能力,样机可承受不大于50 N的轴向压力与不大于100 N的轴向拉力。基于混联柔性机构搭建轴孔装配系统,开展R10与R5轴孔装配实验,给定轴孔直径偏差0.1mm时轴孔装配系统可实现?5?与?2 mm误差范围内的调整,装配总体成功率在90%以上,表明混联柔性机构可大幅提高轴孔装配成功率、减少装配时间。本文从轴孔装配的特点入手,系统研究混联柔性机构的构型综合与柔度建模方法,通过实验验证基于混联柔性机构轴孔装配系统的有效性,奠定轴孔装配机构理论基础并突破关键建模分析技术,对高效高精度轴孔装配具有重要意义。

关键词：轴孔装配混联柔性机构构型综合柔度建模被动柔顺

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机床导轨运动误差的在线检测方法研究及实验验证

机床导轨运动误差的在线检测方法研究及实验验证

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作者：孙雪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高端数控机床不仅在航天航空、军工核工等国家安全战略领域内发挥着重要作用,而且在惯性约束核聚变、微电子、高性能零件/构件的精密制造等重大领域起着关键作用。直线导轨是实现高端数控机床平移运动的根本,快速准确地在线检测直线导... 详细信息

高端数控机床不仅在航天航空、军工核工等国家安全战略领域内发挥着重要作用,而且在惯性约束核聚变、微电子、高性能零件/构件的精密制造等重大领域起着关键作用。直线导轨是实现高端数控机床平移运动的根本,快速准确地在线检测直线导轨的运动误差,进而将其进行误差补偿,不仅能够提高机床的加工精度,而且还可监测机床的运行状态,因此相关研究具有重大的工程意义和科学价值。针对该问题,本文提出了一种直线导轨运动误差的在线检测方法—集成了误差分离算法和误差检测系统,从理论推导、仿真分析和实验研究三方面对其中关键性技术开展了深入研究。针对现有多探头扫描法的局限性,提出一种改进型四点算法以同时在线测量导轨的直线度误差和偏摆误差。将探头以特定方式布置,基于探头测量值建立满秩的线性方程组;针对方程组的病态特性所引起的解不稳定问题,引入Tikhonov正则化方法。基于Matlab的仿真分析表明改进型四点法具有理想的计算精度。系统分析测量噪声、采样间隔、采样点数目等参数对改进型四点法的影响规律,仿真结果显示测量噪声对算法精度影响最大。依据改进型四点法的功能需求,设计相匹配的柔性误差检测机构并对其进行特性分析。首先,在典型柔性机构的基础上,对误差检测机构进行构型设计。其次,基于柔性铰链的柔度矩阵,采用柔度矩阵法推导串/并联型柔性机构的柔度模型,进而对误差检测机构中导向模块和放大模块进行柔度建模。随后,依据上述模型,仿真分析输出位移、输入刚度等关键指标随机构几何尺寸的变化规律。最后,采用有限元法对误差检测机构进行动静态特性分析,从而得到机构的放大倍数、固有频率等性能指标。实验研究本文所提的运动误差在线检测方法,从而验证该方法的可行性和有效性。首先,基于柔性误差检测机构和线性光栅系统构建误差检测系统;其次,对误差检测系统放大倍数、输入刚度及固有频率进行测定。最后,应用所提的误差在线检测方法和激光干涉仪分别对机床导轨直线度误差和偏摆误差进行测定,并建立二者测量坐标系间的空间位姿变换关系。实验结果表明,在线检测方法能够较好地分离出机床导轨各项运动误差。

关键词：误差分离四点法柔度建模柔性机构误差在线检测

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