哈工大《机械机构创新设计及应用》大作业DOC.docx
《哈工大《机械机构创新设计及应用》大作业DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工大《机械机构创新设计及应用》大作业DOC.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
哈工大《机械机构创新设计及应用》大作业DOC
《机械机构创新设计及应用》大作业
（2014年春季学期）
大作业一题目：
两个齿条机构串联组合的位移机构原理及结构设计1
大作业二题目：
柔性铰链及其应用
姓名
崔晓蒙
学号
1110811005
班级
1108110班
专业
机械设计制造及其自动化
报告提交日期
2014.6.11
哈尔滨工业大学机电工程学院
大作业要求
1.完成课堂布置的2道大作业题，拒绝雷同和抄袭，否则均为零分；
2.大作业最好包含自己的体会等；
3.大作业统一用该模板撰写，字数不限，表达清晰完整即可；
4.正文格式：
小四号字体，行距为1.25倍行距；
5.用A4纸双面打印（节约用纸）；左侧装订，1枚钉；
6.大作业需同时提交打印稿和电子文档予以存档，电子文档由班长收齐（缺电子文档得零分），统一发送至：
shanxiaobiao@；
7.此页不得删除。
评语：
大作业一
成绩（10分，占10%）：
教师签名：
大作业二
成绩（10分，占10%）：
总成绩（20分，占20%）：
年月日
题目一
设计题目5——两个齿条机构串联组合的位移机构原理及结构设计1（2人）
1设计要求
1）两个齿条串联的位移机构如图1所示
1、2-齿条r1、r2—双联齿轮的节圆半径S1、S2—位移量
图1两个齿条串联的位移机构原理图
说明：
图1中，气缸活塞推动齿条1运动，双联齿轮位置不变
2）齿条2需产生不小于1000N的推力
3）运动的最大速度0.1m/s
4）往复运动行程±300mm
2需完成工作
1）论述其原理，给出上齿条（齿条2）的位移S2与气缸位移为S1之间的关系。
2）给出大致的结构设计（必须给出齿条的支承、导向、齿轮的支承，气缸不需要设计）
1.该机构的工作原理及应用场合
1.1结构分析
由结构简图分析可知，这种两个齿条机构串联组合的位移机构由两个齿条及其对应的导轨，节圆半径分别为r1、r2的双联齿轮及其固定轴和一个气缸组合而成。
气缸是它的动力源，最终所需要的运动或者动力由上面的齿条2输出，所以它属于执行件，而中间固定的齿轮则属于传动件。
该机构属于扩大位移机构，细分的话属于齿轮齿条行程放大机构，通过双联齿轮的节圆半径不同，可以实现位移的扩大或者缩小（本例子属于扩大）或者输出力的扩大或缩小（本例属于缩小），以实现实际生产应用中对于位移和力的要求。
如题目简图所示，本机构可以分解成两个齿轮-齿条构成的直线-回转和回转-直线机构。
气缸带动下面的齿条1，齿条1又将运动和动力传给了双联齿轮，双联齿轮又将运动和动力传给了齿条2，显然，这是一种机构的演化，属于机构的倒置。
可见，机构的运用和定义是比较灵活多变的，不是那么死板。
1.2应用场合
在机械的工作过程中，完成一个动作需要多方面的协调。
比如，对于一些测量仪表，要检测出微量位移，必须进行放大以提高识别精度。
在这种情形下，还需要以其他手段来增大位移量，除了检测系统中需要将微量位移扩大以外，在机械加工、装配、搬运、码垛等系统中同样需要利用适当的机构将原动机的位移进行不同形式的变换和不同程度的扩大以实现其目的。
2.机构的运动动力分析
2.1上齿条的位移S2与气缸位移（下齿条位移）S1之间的关系。
假设气缸输入一个位移
，则对于双联齿轮，两个齿轮的角位移都是相同的，可以表示为：
则输出端齿条2的位移为
，上述关系式即为上齿条的位移S2与气缸位移（下齿条位移）S1之间的关系。
2.2机构部件的受力分析
齿轮-齿条间传递效率较高，经查阅资料，一般是0.94-0.98，在本例中，取传递效率
。
齿条2需产生不小于1000N的推力，则在传动过程中，双联齿轮所受转矩相同，都可以用下式表示：
齿条1在水平方向上的受力（气缸的输出动力）：
2.3机构的运动分析
输出的最大运动速度是0.1m/s,则原动件齿条1（气缸）的最大运动速度是：
2.4机构的行程分析
输出的运动行程为
300mm。
则输入行程为：
3.结构设计
3.1部件的材料和尺寸
3.1.1输出齿条2
选择齿条的长度为700mm，略大于行程总长600mm,模数选择m=3，底面
与齿底的距离选择为10mm。
材料选择45号钢。
其齿形采用直齿。
3.1.2双联齿轮
根据齿条2的模数，拟定小齿轮的齿数
，分度圆直径为51mm，齿轮厚度50mm。
大齿轮的齿数
，分度圆直径为102mm，齿轮厚度30mm。
材料选择45号钢，调制处理。
则可以确定齿条2的宽度是30mm。
为了保证
3.1.3齿条1
其宽度为45mm，底面与齿底的厚度为10mm。
由大小齿轮直径确定的传动比而选择齿条1的长度为250mm。
材料为45钢。
3.2
强度校核略，此过程繁琐。
3.3齿条的支承、导向
齿条输出的是平面上单自由度的运动，即一个方向上的水平运动。
齿条的运动必须保证平稳性和精确性，不能有震动，在其他自由度上的平动或者在其他自由度上的旋转都必须避免，这样才能达到传动的精确性。
结合这样的要求和齿条本身的形状，我们可以选用直线滚动导轨，可以保证良好的静刚度和动特性，导轨摩擦系数并不大，而且本例中齿轮齿条运动速度都不快，所以摩擦生热量很小，故而其热特性良好。
采用好的制造和热处理工艺可以有效的减小它的内应力，获得好的导向精度和支承刚度。
具体的导轨设计如下图所示，导轨是在齿条上方的，所以要采用一个如下图所示的倒立的结构。
导轨安放的支承架或者箱体可以用铸铁铸造而成。
导轨参数如下表（mm）
部件
长
宽
高
齿条1导轨
500
40
40
齿条2导轨
1000
60
40
3.4齿轮的支承
根据惯例，齿轮必然要用到阶梯轴，由于小齿轮的直径比较小，所以应该加工成齿轮轴，大齿轮照常加工即可。
其支承方式为轴承。
阶梯轴的具体尺寸见下图，轴承所受的力以径向力为主，采用深沟球轴承。
根据阶梯轴的尺寸，选择轴承的型号为6206（GB/T276-1994）其安装轴径为30mm。
校核过程较为复杂，粗略估算，余量非常大，故而略去。
安放轴承的支架可以采用铸铁铸造节约成本。
4.本次大作业的catia模型展示
5.大作业的感想以及课程感悟
4.1大作业的感想
结合本次大作业的完成，让我对于书本上的知识运用更加熟练，对于各种机构有了更深的理解和认识，在今后乃至参加工作后，我相信我能更好的运用本门课程的知识。
在本次大作业中，我用到了三维建模的软件，让自己对于这类软件的运用更加熟练，而为了确定齿轮齿条参数而查阅资料，复习了机械原理和机械设计以及机械系统设计的知识，可谓是获益良多。
大作业是一个对于自身综合能力的提升，是一个对于本门课程知识的综合运用就我认为，能完成一个大作业更加考验学生的统筹运用能力，从某种意义来讲，大作业比考试还要重要。
4.2对于本门课程的建议
首先必须说刘老师是我见过的最负责任的专业课老师了，建立QQ群，和学生互动答疑，即使是考试过后还亲自联系学生通过电话指导我们做大作业，在大学三年中，我头一次遇到，在此感谢老师的无私奉献。
对于本门课程，我也有一些小小的建议，我希望老师在制作PPT时候能够加一些机构的实物的图片，这样我们在上课时候就能更加直观的理解课堂的内容，我很明显的感觉到，上课时候，如果某个机构后面有图片或者动画，我会很容易的就理解了它的工作原理，对于一些复杂的机构，要是只有一张原理图，知识的消化和接受则要慢很多了。
本门课程是为数不多的没有实验的课程，所以我希望老师以后能给适当在教学计划中添加一些实验，可以做一些机构的模型，就算是认识性实验我想对于学生学习课堂知识都是非常有帮助的。
5.参考文献
[1]宋宝玉，王黎钦.机械设计.北京.高等教育出版社.2010
[2]宋宝玉.机械设计课程设计指导书.北京.高等教育出版社.2010
[3]侯珍秀.机械系统设计.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社.2003
[4]部分资料来自XX百科
题目二
机械机构创新设计及应用大作业
柔性铰链及其应用
1110811005崔晓蒙
声明：
自己编写，从未交流，如有雷同，不胜荣幸。
摘要：
柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用。
通过对柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的应用,以及柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位的典型例子,对柔性铰链的应用作全面介绍。
总结柔性铰链及柔性铰链并联结构的概念、类型、特点的基础上，分析该领域国内外的最新动态及其关键技术。
关键词：
柔性铰链，种类，特点，加工，应用
1.柔性铰链的发展
二十世纪六十年代前后，由于航空航天技术的发展，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。
人们在经过对各类型的弹性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活的柔性铰链。
柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械擦，能获得超高的位移分辨率。
随后，柔性铰链被广泛的应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。
2.柔性铰链的概念、种类、特点与选择
2.1柔性铰链的概念
在柔性铰链应用过程中，一般可以描述为：
在两部分刚体之间薄弱的柔顺机构，通常可以实现两端刚体之间相对微小的转动。
对柔性铰链的定义最初还一定程度上沿袭了铰链的概念，即绕固定轴可实现一定量的转动，随着新型柔性铰链不断的出现，柔性铰链不仅仅限于实现绕单一轴线转动，柔性铰链的概念外沿已经逐步扩大。
2.2柔性铰链的种类
2.2.1圆弧型柔性铰链
对柔性铰链的研究最初集中于圆弧型柔性铰链，如图1所示。
其基本的特征是基体切去部分边缘为圆弧形，这种柔性铰链的运动形式可以近似认为绕着固定轴转动。
如果考虑区别切去部分边缘的形状，圆弧型柔性铰链又可以衍生出下面几种转动柔性铰链：
抛物线型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、双曲线型柔性铰链，各种衍生类型的运动学模型是各不相同的。
图1圆弧型柔性铰链结构图
2.2.2板梁型柔性铰链
解决了用圆弧型柔性铰链实现微小转动后，考虑如何采用柔性铰链实现平动，起初采用多个圆弧型柔性铰链组合的形式完成微位移平动，如图2所示。
但由于圆弧型柔性铰链的位移极为有限，并且在垂直于运动方向存在着明显的耦合位移。
后来在圆弧型柔性铰链处采用了板梁型柔性铰链，并且采取对称结构，使位移有明显的增加并且消除了耦合位移，该种结构在后来的设计中不断沿用。
图2板梁型柔性铰链结构图
2.2.3球副型柔性铰链
从柔性铰链加工的角度来看，球副型柔性铰链可以看成是转动副柔性铰链中半圆切口绕着转动轴扫掠切除而成的结构，可以绕着三个轴转动，其运动形式类似刚性机构中的球副。
球副型柔性铰链多用于空间柔性结构中，其运动范围相对前两种柔性铰链要小得多，如图3所示。
图3球副型柔性铰链结构图
2.3柔性铰链的特点
1）末端位移完全由自身弹性变形提供，故运动范围极其微小，一般仅在立方微米级。
2）可单片设计以简化结构、免于装配，易于实现小型化。
3）无间隙和摩擦，可以在一定程度上提高系统的重复定位精度。
4）易于与现代驱动器集成，能够实现高运动灵敏度、高运动分辨率。
5）免于磨损，减小了精度损失，可靠性高，使用寿命长。
6）免于润滑、避免污染，适合于高精密作业．在工程应用中为实现上述特点，柔性铰链需采用与常规铰链不同的材质和加工方法。
2.4柔性铰链的材质与加工方法的选择
2.4.1柔性铰链材质的选择
一般希望柔性铰链在功能方向的变形量尽量的大。
一般柔性铰链的变形量
与该种柔性铰链所用材料的
成正比，即材料的强度一刚度比越大柔性铰链的变形量越大，该种材料就越适于作柔性铰链，可以理解为易于变形但不易于破坏的材料是柔性铰链的理想材料。
通常选用铍青铜、钛合金、聚丙烯、铝青铜、锡青铜、硅青铜、黄铜、弹簧钢等材料作柔性铰链。
在对柔性铰链的强度、刚度方面考虑的同时，还要兼顾柔性铰链的疲劳寿命和应力状况。
2.4.2柔性铰链加工方法的选择
由于柔性铰链的形状不同、材料各异，所采用的加工方法也不同。
对于一般的圆弧型柔性铰链采用铣削加工、激光加工的方法即可实现，甚至可以采用冲压的加工方法。
而对于柔性铰链切去边缘有严格的轨迹要求的情况，采用上述方法有很多困难。
这种情况适于采用电火花加工技术，容易加工出较为复杂的柔性铰链。
此外光刻技术、半导体加工技术、电解复合方法、水切割等很多方法也可进行柔性铰链的加工。
3.典型柔性铰链的应用
3.1柔性铰链用于支撑、联接、调整和测量
3.1.1柔性铰链轴承
柔性铰链轴承在现代机器中出现得越来越多。
图4是典型的柔性铰链轴承。
它可以将轴瓦设计为一体,简化了装配过程并降低了加工的尺寸公差要求。
与固定形状的轴承相比,柔性铰链轴承可降低液体滑动摩擦轴承的半速涡动,防止颤振。
图4 柔性铰链轴承图5柔性联接器图6 柔性结合器图
3.1.2柔性铰链联接件
图5是由柔性铰链组成的柔性联接器。
它只传递垂直于纸面方向的推力,在水平方向和垂直方向移动的刚度很低。
利用柔性铰链还可设计具有2个转动自由度的弹性万向节有结构紧凑、传动精密的特点。
柔性铰链可以使V型槽的表面能自我调节,避免球与V型槽表面在作用力变化时产生相对运动,见图6。
将其运用于由3个球和3个V型槽组成的结合器中,力和位移之间的迟滞现象减少了95%。
3.1.3柔性铰链调整结构
图7是基于柔性铰链的光学元件座子。
在平台的任一边加上调整螺钉,可使水平表面精密地偏转。
它成本低,在小的运动范围内具有很高的分辨率。
还可设计2个转动自由度的柔性铰链调整机构用于透镜装配。
如将来的光盘有更大的存储密度和更高的读取速度,光盘的转速也应随之提高,则要求DVD/CD拾音头的驱动有更大的加速度和更好的线性度。
利用柔性铰链机构可以很好地解决这些问题。
图7 光学元件座子
3.1.4测量和标定
近10年来出现了许多具有亚纳米级灵敏度的线性位移测量传感器。
它们很多都使用了光学干涉仪,然而,条纹细分是建立在理想形态干涉信号的基础上的,实际的干涉条纹同理想形态还有差距。
利用X射线干涉测量来线性内插光学干涉仪的条纹可以准确地测量亚条纹级的位移。
英国国家物理实验所的组合式光学和X射线干涉仪（COXI）结合了光学干涉仪的大行程和X射线干涉仪的高分辨率,光学干涉仪以间隔为158.25nm的整数条纹步进,X射线干涉仪以0.192nm的硅（200）晶格步进。
为了实现硅晶薄片之间纳米级运动,采用了柔性铰链平行四杆机构传递位移,见图8。
利用该仪器可对亚纳米级灵敏度的线性位移传感器进行标定。
美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构,以联接X射线干涉仪和光学干涉仪。
它采用3级杠杆,从驱动点到工作台面的位移缩小比达到1000∶1,由此降低了对驱动元件的要求,但柔性铰链机构较为复杂。
他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1微角秒的调节精度。
图8 柔性铰链平行四杆机构图9 对称结构的柔性铰链传动机构
为了加大X射线干涉仪的测量范围,德国设计了对称结构的柔性铰链传动机构,见图9。
该机构消除了在主运动垂直方向上的干涉运动,测量范围达到了200
m。
3.2柔性铰链与压电致动结合的应用
压电致动器具有运动平稳、分辨率高、刚度大和能量转换效率高等特点，是精密定位的理想驱动元件。
但压电致动器一般只有几至几十微米的位移,而在许多工程应用中需要更大的运动范围。
柔性铰链具有运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦、高精度等优点。
因利用柔性铰链机构是传递和放大压电致动器位移最适宜的方法。
以下是一些压电元件驱动、柔性铰链机构传动的典型例子。
3.2.1超精密定位工作台
1978年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量。
为了能在光学和电子显微镜中使用,要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。
如图10所示,工作台采用了压电元件驱动,柔性铰链机构进行位移放大的方案。
压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源。
工作台可在50
m的工作范围内,以1nm或更高的分辨率将物体线性定位。
工作台还被用于其它显微物体,如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。
图10 压电驱动高精度工作台
2.2超精密机械加工
由压电元件、柔性铰链机构和电容传感器组成的微定位刀架用于超精密金刚石切削。
刀架的行程为5
m。
微定位刀架自身的分辨率小于1nm,但由位移传感器决定了其闭环系统的定位分辨率约为5nm。
实验测得刀具切深控制的分辨率小于25nm。
在精密联接工艺,如激光焊接中,需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。
因此设计了如图11所示运动的微动台,水平内置式压电块推动杆1和杆2,通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。
该微动台的运动范围为200
m,垂直刚度为6.0N/
m,频响为364Hz。
图11 垂直运动的微动台
2.3打印头
压电驱动,柔性铰链机构传动的原理被用于冲击式点阵打印机的打印头。
柔性铰链机构将压电块的位移放大30倍,驱动打印针运动。
同样的7组打印针组成打印头。
一个字符可由7×6的点阵组成,由7针阵列的打印头连续冲击色带进行打印。
2.4光学自动聚焦
在自动化生产中,显微镜结合图像处理作为传感器得到广泛应用。
为了获得高质量的图像而需要高精度的自动聚焦系统。
采用压电驱动,柔性铰链机构传动的自动聚焦系统的重复精度达到0.035
m,能对放大倍率为100的物镜聚焦。
而用传统的步进马达驱动、滚珠丝杠传动来定位,精度仅为1
m左右,物镜的放大倍率也被限制在40左右。
2.5压电马达
利用压电驱动,柔性铰链机构传动实现动子和静子间的夹紧和步进转动,可以得到压电马达。
以同样的运动原理,还可设计成直线马达。
利用了柔性铰链机构放大压电元件的位移还制成了径向谐波马达。
压电马达与常规马达相比,在低速情况下可获得高定位精度,并能承受一定的力矩或力,掉电时可通过较高的摩擦力将转子固定,因此适用于直接驱动。
但压电马达的能量转换效率较低,寿命有限,价格高,功率不大。
2.6主动式径向空气轴承
空气轴承具有高精度和低摩擦力而在精密工程领域被广泛采用,然而由于低的刚度和阻尼使其容易振动,轴和轴承的形状误差也会使转轴的运动精度降低。
如图12所示,利用柔性铰链机构配以压电驱动调整空气垫位置的主动式径向空气轴承可精密控制轴的径向位移。
实验表明,主动式径向空气轴承具有近乎无限的静态刚度,并提高了阻尼值，在750r/min的转速下,轴的运动精度优于21nm。
图12 主动式径向空气轴承
2.7微夹持器
在微型仪器的装配、生物细胞的操作和微细外科手术等领域需要使用微型夹持器。
如图13所示微夹持器通过柔性铰链杠杆机构将压电驱动器的位移放大70倍,使其2个手指合拢以抓取微小物体。
图13 微夹持器
4.结论
柔性铰链的无间隙、无摩擦、结构紧凑、高分辨率和高运动精度的特点得到了越来越多的设计者的认可,在精密工程领域中得到不断的应用。
本文列举了柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的典型应用。
利用柔性铰链机构传递和放大压电致动器位移是实现超精密位移和定位的重要方法,对其典型例子作了介绍。
有助于全面了解和使用柔性铰链及其机构。
对柔性铰链及柔性铰链并联结构的相关技术做出详尽的阐述和分析。
说明了在要求调整范围较大且操作精度要求较高的应用场合，如军事工程、精密机械工程、精密光学工程、生物工程等领域，柔性铰链将会有十分广阔的应用前景。
参考文献
[1]孙立宁,安辉,张涛,等.微动机器人运动学分析的基础研究[J].仪器仪表学报，1998,19（5）：
465—470．
[2]于靖军,宗光华,毕树生等．纳米级精度柔性机器人的设计方法及实现研究[J]．中国机械工程，2002，
13（18）:
1577—1580．
[3]吴鹰飞,李勇,周兆英等.蠕动式X-Y微动工作台的设计实现.中国机械工程,2001,12（3）:
263～265
[4]SmithST,BadamiVG,DaleJSetal.EllipticalFlexureHinges.ReviewofScientificInstruments,1997,68（3）:
1474～1483
升级会员 