隨著現(xiàn)代機械不斷向高速、高精密方向發(fā)展，具有無間隙、耐沖擊、無磨損等優(yōu)點的柔性鉸鏈和柔順機構(gòu)越來越多的被運用于微操作機器人、精密光學(xué)儀器、航空航天器以及工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域[1-5]。根據(jù)柔性鉸鏈的運動行程，可將柔性鉸鏈分為微動型和大行程型。國內(nèi)外學(xué)者對柔性鉸鏈做了大量研究[6-7]，但現(xiàn)有的大變形大行程的柔性鉸鏈仍存在著一些不足。由于大變形大行程柔性鉸鏈在并聯(lián)機構(gòu)中的應(yīng)用越來越多，更高精度、更大離軸剛度、結(jié)構(gòu)更簡單的大變形大行程柔性鉸鏈成為了研究者不斷追求的目標(biāo)。 李宗軒等提出了利用無量綱設(shè)計圖方法設(shè)計Cartwheel型雙軸柔性鉸鏈[8]的方法；陳貴敏等提出了一種精度更高的深切口橢圓柔性鉸鏈[9]，并推導(dǎo)了這類柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動精度和最大應(yīng)力的解析計算公式；宗光華等設(shè)計了一種雙曲桿空心柔性鉸鏈[10]，具有轉(zhuǎn)角大，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸漂大等問題；Kikuchi N、畢樹生均提出一種交叉簧片轉(zhuǎn)動型柔性鉸鏈[11-12]，精度高、轉(zhuǎn)角大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；Goldfarb等提出了一種轉(zhuǎn)角達到150°的裂桶型柔性鉸鏈[13]，大大提高了柔性鉸鏈的適用范圍；Smith提出了一種軸漂極小的帶薄壁梁的桶狀回轉(zhuǎn)副[14]，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制作難度較高。

上述大部分柔性鉸鏈依然存在軸漂大、離軸剛度小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。為了解決這些問題，本文提出了一種Y型柔性鉸鏈，并借助ANSYS和ADAMS對其進行了分析研究。利用數(shù)控機床進行柔性鉸鏈的加工并完成組裝。利用光學(xué)坐標(biāo)測量儀OPTOTRAK分別進行了Y型柔性鉸鏈的軸漂測量實驗和平面3-RRR并聯(lián)平臺圓軌跡實驗。

2 Y型柔性鉸鏈設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

圖 1所示為平面3-RRR并聯(lián)實驗平臺，該平臺上的轉(zhuǎn)動副有運動間隙、易磨損、不耐沖擊，大大降低了實驗臺的精度。

余躍慶等用單片簧柔性鉸鏈替換該平臺上的轉(zhuǎn)動副并進行了軌跡跟蹤實驗。但是，由于單片簧柔性鉸鏈軸漂大、離軸剛度小等原因?qū)е缕脚_運動精度不高。為設(shè)計一種軸漂更小、離軸剛度大、結(jié)構(gòu)簡單、精度更高的柔性鉸鏈，提高并聯(lián)平臺運動精度，以對稱設(shè)計思想[15]為基礎(chǔ)，運用機械設(shè)計、材料力學(xué)等相關(guān)知識，結(jié)合并聯(lián)平臺要求提出了如圖 2所示的Y型柔性鉸鏈。圖中Y型柔性鉸鏈包括2根剛性桿和2片完全相同的圓弧形片簧，圓弧片簧的圓心角為135°，剛性桿用于固定連接柔性鉸鏈。

2.2 確定回轉(zhuǎn)中心

為了提高Y型柔性鉸鏈在實際使用中的運動精度，利用Solidworks2014進行三維建模，并借助Solidworks2014中的Simulation軟件進行簡單的應(yīng)力運動仿真。通過應(yīng)力運動仿真在運動桿的中性線上找到一合位移最小點，作為Y型柔性鉸鏈的回轉(zhuǎn)中心。圖 3所示為Y型柔性鉸鏈簡圖。圖中，圓弧片簧半徑R為20 mm，為了便于加工制造，片簧厚度b1設(shè)為0.3 mm，兩個片簧之間的夾角α為90°。為了簡化仿真模型，柔性鉸鏈上剛性桿桿長L設(shè)為100 mm。根據(jù)并聯(lián)實驗平臺的安裝要求，將柔性鉸鏈上剛性桿厚度b2設(shè)為10 mm，垂直作用于剛性桿上的力F為一個變化的力，θ為力F作用下剛性桿繞回轉(zhuǎn)中心運動的轉(zhuǎn)角，a為回轉(zhuǎn)中心點。片簧的材料為彈簧鋼 (彈性模量2.06×11″，泊松比為0.3，密度為7.85 kg/m3)。

將運動仿真數(shù)據(jù)繪制成圖 4所示的點狀圖，從圖中可以看出，Y型柔性鉸鏈的回轉(zhuǎn)中心a距離剛性桿邊緣為8 mm，且在剛性桿中性線上。

2.3 確定安裝方式及行程要求

Y型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)為非中心對稱，實際應(yīng)用時具有2種安裝方式。規(guī)定下圖 5(a)所示的安裝方式為正裝法，左側(cè)連桿作為驅(qū)動桿件，右側(cè)連桿作為從動桿件，給驅(qū)動桿施加一個扭矩輸入后，Y型柔性鉸鏈會受到一個沿著從動桿方向上的反作用力F，該反作用力F將會增大柔性鉸鏈軸漂，對柔性鉸鏈的運動精度產(chǎn)生較大影響。

對比發(fā)現(xiàn)，采用圖 5(b)所示的Y型柔性鉸鏈反裝法時機構(gòu)的運動精度比正裝法差。因此采用圖 5(a)中所示的正裝法。 借助SolidWorks2014進行并聯(lián)平臺的運動學(xué)仿真，如圖 6所示。通過仿真可得：并聯(lián)平臺進行R=100 mm的圓軌跡實驗時，柔性鉸鏈兩桿的最小夾角為52.81°，最大夾角為98.18°，因此柔性鉸鏈的最大轉(zhuǎn)角需要達到45.37°。

2.4 仿真

為了驗證Y型柔性鉸鏈?zhǔn)蔷哂羞\動精度高、回轉(zhuǎn)行程大等特點。利用Solidworks2014生成模型的IGS格式文件。將生成的IGS文件導(dǎo)入到ANSYS中，利用ANSYS進行有限元網(wǎng)格劃分并導(dǎo)出適用于ADAMS的*.mnf柔性體文件。將ANSYS中生成的*.mnf文件導(dǎo)入ADAMS，進行柔性體運動仿真。將模型左側(cè)連桿上的剛性面固定，為便于仿真柔性鉸鏈的運動，在右側(cè)連桿端面中心點處標(biāo)記一個interface node點O，在點O上添加一個方向始終垂直于連桿的瞬態(tài)力，使得柔性鉸鏈在-22.5~+22.5°內(nèi)運動。測量右側(cè)連桿上O點與柔性鉸鏈模型坐標(biāo)原點的距離，并繪制曲線。同時，觀察柔性鉸鏈片簧上的應(yīng)力分布情況。將ADAMS中的測量所得的距離曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB，利用plot工具重新繪制距離曲線圖，定義x軸變量為Time (sec)，y軸變量為Length (mm)，限制y軸坐標(biāo)為90~110 mm，x軸數(shù)據(jù)截取2個完整的波峰波谷，采用紅色曲線繪制，最終繪制曲線如圖 7所示。

通過仿真數(shù)據(jù), Y型柔性鉸鏈右側(cè)連桿上的O點與坐標(biāo)原點的距離誤差平均值為0.435 3 mm，最大峰谷差為1.090 9 mm，均方差為0.398 6 mm，誤差最大值為1.085 9 mm?？紤]到網(wǎng)格劃分精度、精度測量方式好壞等因素會影響最終結(jié)果，認(rèn)為Y型柔性鉸鏈基本滿足并聯(lián)平臺要求。

3 柔性鉸鏈制作及實驗

3.1 實物制作

為使柔性鉸鏈上的片簧具有更好的柔性，降低片簧的加工難度，將片簧與剛性桿采用不同材料加工并組裝。片簧材料采用65Mn彈簧鋼片裁剪卷制成型，并通過螺栓與剛性桿連接固定，剛性桿采用6061-T6鋁合金數(shù)控加工成型以減輕重量。Y型柔性鉸鏈實物如圖 8所示。

3.2 軸漂測量

利用3D光學(xué)坐標(biāo)測量儀OPTOTRAK進行Y型柔性鉸鏈的軸漂測量實驗。如圖 9所示，在柔性鉸鏈的運動桿上貼上一個Marker點，該點距離回轉(zhuǎn)中心100 mm。圖 9中Y型柔性鉸鏈左側(cè)固定桿通過夾具固定在平臺上，右側(cè)運動桿下方臨時安裝有一個滾動軸承以減小平臺對運動桿的摩擦力阻力。

使柔性鉸鏈運動桿在水平面內(nèi)從-45°勻速轉(zhuǎn)動至+45°，測量記錄柔性鉸鏈上Marker點的運動軌跡，并繪制圖 10所示的軌跡曲線。圖 11所示為Y型柔性鉸鏈上Marker點運動軌跡誤差曲線。從圖 11中數(shù)據(jù)可得，Y型柔性鉸鏈從-45°轉(zhuǎn)動至+45°時，回轉(zhuǎn)中心位置的誤差平均值為0.262 2 mm，最大峰谷差為0.746 1 mm，均方差為0.121 7 mm，誤差最大值為0.596 2 mm。Y型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角越大，精度越低。由于零件加工安裝誤差、Marker點安裝誤差、片簧安裝殘余應(yīng)力和儀器測量誤差導(dǎo)致回轉(zhuǎn)中心與設(shè)計值偏離0.262 2 mm。雖然加工安裝精度和實驗測量精度等因素會影響Y型柔性鉸鏈運動精度，但實際加工制作出的Y型柔性鉸鏈的運動精度、回轉(zhuǎn)行程和離軸剛度均能滿足平面并聯(lián)平臺的要求。單獨加工的片簧具有精度高、彈性大等優(yōu)點，但安裝后的片簧上的殘余應(yīng)力會降低柔性鉸鏈的精度，減小回轉(zhuǎn)行程，縮短片簧使用壽命。

3.3 實驗研究

為驗證Y型柔性鉸鏈?zhǔn)欠衲芴岣卟⒙?lián)平臺的運動精度，進行了轉(zhuǎn)動副并聯(lián)實驗臺、單片簧柔性鉸鏈并聯(lián)實驗臺和Y型柔性鉸鏈并聯(lián)實驗臺的軌跡實驗，實驗軌跡為直徑100 mm的圓。其中，單片簧厚0.5 mm，寬度30 mm，片簧圓弧半徑30 mm，中心平臺運動速度1 000 mm/min。利用3D光學(xué)坐標(biāo)測量儀OPTOTRAK進行圓軌跡測量，并利用MATLAB進行實驗數(shù)據(jù)處理，得到平臺運動軌跡誤差曲線和表 1中的平臺運動軌跡誤差數(shù)據(jù)。圖 13所示為含轉(zhuǎn)動副的并聯(lián)平臺運動軌跡誤差，圖 14所示為含單片簧柔性鉸鏈的并聯(lián)平臺運動軌跡誤差，圖 15為含Y型柔性鉸鏈的并聯(lián)平臺運動軌跡誤差。

從并聯(lián)平臺運動軌跡誤差曲線圖可以看出，Y型柔性鉸鏈能顯著提高并聯(lián)平臺的運動精度。結(jié)合表 1可以看出，相較于轉(zhuǎn)動副和單片簧柔性鉸鏈，Y型柔性鉸鏈?zhǔn)沟闷矫?-RRR并聯(lián)平臺運動軌跡均方差分別減小了42.6%和37.0%，誤差平均值分別減小了46.2%和40.0%，誤差最大值分別減小了42.7%和29.2%。

4 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)代機械對柔性鉸鏈的高精度、大離軸剛度、大轉(zhuǎn)角、結(jié)構(gòu)簡單等要求，提出了一種Y型柔性鉸鏈，并進行了仿真、制作和實驗研究。實驗結(jié)果表明：Y型柔性鉸鏈回轉(zhuǎn)誤差最大值為0.596 2 mm，Y型柔性鉸鏈并聯(lián)平臺圓軌跡實驗的誤差最大值比轉(zhuǎn)動副并聯(lián)平臺減小了42.7%。Y型柔性鉸鏈具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)角大等優(yōu)點，可以很好的替換平面并聯(lián)平臺中的轉(zhuǎn)動副，并提高平臺運動精度。