教材教辅
柔性设计 柔性机构的分析与综合

本书基于作者对柔性机构学基础理论长达20多年的研究和积累,密切结合精密工程、仿生机器人等应用需求,系统地总结了面向柔性设计的理论与方法

  • 作者于靖军,毕树生,裴旭,赵宏哲,宗光华
  • 出版社高等教育出版社
  • 发行日期2018.01
  • ISBN9787040487770
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简介:

全书总共分为三篇:分析建模篇、设计综合篇与设计实例篇。
第1~6章为分析建模篇,是全书的理论基础。第1章为绪论,系统介绍了柔性设计与应用研究进展,以及主流柔性设计方法;第2章对与柔性设计主题相关的基本概念进行了全面概述;第3、4章分别对基本柔性单元和柔性模块(简单柔性机构)进行了分析建模;第5章针对柔性机构特有的主运动与寄生运动问题进行了研究;第6章则对柔性机构的动力学问题进行了初步探讨。
第7~12章为设计综合篇,是全书精华所在,分别从自由度、刚度、精度、强度、能效等多维度对柔性设计方法进行了探索。第7章系统介绍了柔性机构的图谱化构型综合方法;第8章从刚度综合的角度,利用参数化思想,实现了柔性机构构型与尺度的统一综合;第9章则从胞元结构与胞元式设计方法两个层面来探索柔性机构的创新设计问题;第10章基于大行程、高精度的柔性设计需求,提出了寄生运动误差补偿与对称设计方法;第11章借助结构屈曲理论构建了大转角柔性铰链的强度设计方法;第12章则从能效的角度,对柔性系统的驱动/传动、静平衡问题进行了初步探索,是对柔性设计理论及方法的有益补充。
第13-~15章为设计实例篇,是对前两篇理论方法的综合应用。第13章介绍了一种大行程柔性轴承的设计过程,借助的是胞元与精度设计方法;第14章给出了一种两自由度柔性移动平台的设计,借助的是图谱、胞元与刚度设计方法;第15章从系统的角度给出了多轴并/混联柔性机构在微操作机器人系统中的成功应用。

部分内容:

这是一个非常复杂的微分方程。当变形限定在一定范围内时,可将此表达式的分母简化为1;而变形足够大时,这种简化将带来一定的误差。这给簧片型柔性机构的变形特性分析带来了困难。
(2)载荷。当有力载荷作用于簧片自由端时,式(3.101)中的内弯矩将沿长度方向变化。同时考虑完整的挠曲线曲率半径,末端位移的表达式可整理为椭圆积分形式。而这类椭圆积分表达式在数学上不可积,由此带来了复杂的数值算法。
(3)载荷一位移关系。即使对挠曲线曲率半径表达式进行简化而避免了椭圆积分,即使纯弯矩作用下得到了解析解,但载荷一位移表达式依然为三角函数或双曲函数等复杂的超越方程。设计参数的作用效果和物理意义很难体现,这也是簧片分析理论方面的囹圈所在
3.41 Awtar模型
Awtar的提出的梁约束模型(简称 Awtar模型)中,将挠曲线表达式的分母简化为1。对金属材料,柔性机构中簧片的末端转角一般小于15°,如此简化不会产生较大的误差,这也是学者们基本都认可的处理办法。从而可以避免繁琐的椭圆积分,得到解析表达式。但是,这些超越表达式阻碍了簧片柔性单元特性的揭示,Awtar模型最重要的贡献就在于对这些超越方程的处理。这里,简单回顾建模的过程。

书签:

第一篇 分析建模 3
第1章 绪论 3
1.1 历史沿革 3
1.2 柔性机构的优缺点 5
1.3 柔性机构的应用 7
1.3.1 柔性机构与精密工程 7
1.3.2 柔性机构与仿生机器人 10
1.3.3 柔性智能结构 14
1.3.4 几种颇具应用前景的新型柔性机构 17
1.4 分析与综合方法概述 20
1.5 本书内容 28
参考文献 30
第2章 基本概念 39
2.1 柔性单元、柔性铰链、柔性机构与柔性模块 39
2.1.1 柔性单元 39
2.1.2 柔性铰链 40
2.1.3 柔性机构 47
2.1.4 柔性模块 48
2.1.5 典型的柔性系统——柔性工作台 50
2.2 线性变形与非线性变形 54
2.3 行程与载荷 54
2.4 强度与应力 54
2.5 刚度与柔度 55
2.6 自由度与约束 55
2.7 精度:轴漂与寄生运动 56
2.8 材料选择 56
2.9 加工方法概述 58
参考文献 59
第3章 柔性单元的柔度建模 61
3.1 小变形条件下柔性梁的一般力学模型 61
3.1.1 均质梁 61
3.1.2 变截面梁 68
3.2 基于旋量理论的柔度建模 75
3.2.1 Von Mises的梁变形理论 75
3.2.2 柔度的坐标变换 78
3.3 大变形柔性单元的伪刚体模型 80
3.3.1 经典伪刚体模型 80
3.3.2 基于瞬心概念的簧片伪刚体模型 83
3.4 大变形柔性单元的约束模型 87
3.4.1 Awtar模型 88
3.4.2 改进的Awtar模型 92
3.4.3 簧片的特性评估 95
3.4.4 模型验证 99
3.5 有关柔度概念的分类思考 100
3.6 本章小结 101
参考文献 102
第4章 柔性模块的建模与性能评价 105
4.1 主要性能参数 105
4.2 基于旋量理论的柔度建模与性能评价 107
4.2.1 全局柔度矩阵的建模公式 107
4.2.2 实例分析 108
4.3 等效伪刚体建模与性能评价 124
4.3.1 平行双簧片型柔性模块 125
4.3.2 LITFP 126
4.3.3 交叉簧片型柔性铰链 138
4.3.4 车轮形柔性铰链 141
4.3.5 蝶形柔性铰链 145
4.4 基于梁约束模型的柔性模块性能分析与评价 147
4.4.1 建模 149
4.4.2 特性分析 155
4.4.3 设计实例:高精度、常值刚度的柔性铰链设计 166
4.5 本章小结 171
参考文献 171
第5章 柔性机构的主运动与寄生运动分析 175
5.1 柔性单元的等效自由度与约束模型 175
5.2 基于图谱法的自由度与过约束分析 180
5.2.1 一般分析方法 180
5.2.2 柔性机构中的冗余约束 185
5.2.3 一种用于验证自由度分析结果的模块化、可重构柔性教具 187
5.3 基于特征柔度矩阵的自由度分析 189
5.3.1 一般分析方法 189
5.3.2 实例分析 190
5.4 柔性机构的寄生运动分析 195
5.4.1 梯形柔性模块 197
5.4.2 平行双簧片型柔性模块 199
5.5 本章小结 199
参考文献 199
第6章 柔性机构动力学基础 201
6.1 柔性动力学建模方法简介 201
6.2 单自由度柔性机构的动力学建模 202
6.2.1 基于集中参数法的柔性机构动力学建模 202
6.2.2 基于瞬心的大行程柔性铰链动力学建模 209
6.2.3 基于梁约束模型的大行程柔性铰链动力学建模 212
6.2.4 3种动力学建模方法的有限元模态验证与对比 216
6.3 多自由度柔性机构的动力学建模 217
6.3.1 简化模型 217
6.3.2 考虑阻尼的动力学建模 221
6.4 柔性动力学实验 224
6.4.1 基本原理 224
6.4.2 实验设备与方案 225
6.4.3 实验过程与结果分析 226
6.5 本章小结 229
参考文献 229
第二篇 设计综合 233
第7章 图谱化构型综合 233
7.1 图谱化构型综合的基本思路 234
7.2 子空间 236
7.2.1 同维子空间 236
7.2.2 约束空间的分解 238
7.3 常见柔性铰链及柔性机构的分类综合 242
7.3.1 柔性铰链的分类与枚举 242
7.3.2 常用的多轴柔性机构 245
7.4 多轴柔性机构的图谱化构型综合 248
7.4.1 并联式柔性机构的图谱化构型综合 248
7.4.2 串/混联式柔性机构的构型综合 254
7.5 并/混联柔性机构构型综合的深层考虑 255
7.5.1 简单全并联的实现条件 255
7.5.2 柔性机构的串/混联实现 264
7.6 柔性机构的驱动空间 271
7.7 本章小结 274
参考文献 274
第8章 参数化刚度综合 277
8.1 刚度与自由度之间的映射关系 278
8.1.1 基本思想 278
8.1.2 柔性单元结构参数对自由度的影响 278
8.2 刚度综合流程 279
8.3 综合实例 281
8.3.1 串联式柔性机构 281
8.3.2 并联式柔性机构 286
8.3.3 混联式柔性机构 292
8.3.4 仿真验证 297
8.4 应用实例:一种2-DOF重力梯度敏感机构的刚度设计 298
8.4.1 构型综合 299
8.4.2 基于刚度的构型优选 299
8.4.3 刚度综合与优化设计 305
8.4.4 仿真分析与验证 308
8.5 本章小结 309
参考文献 309
第9章 胞元设计 311
9.1 胞元设计的基本思想 311
9.2 基于模块分层的构型设计 314
9.3 基于特殊柔性胞元的大行程柔性机构设计 317
9.3.1 复合型柔性机构的优势 317
9.3.2 基于VCM胞元的大行程柔性铰链设计 318
9.3.3 基于GCSFM胞元的大行程柔性铰链设计 330
9.4 胞元结构与柔性设计 338
9.4.1 常见胞元结构的分类 338
9.4.2 常见大应变胞元结构的特性分析 340
9.4.3 基于不同特性的胞元式柔性机构设计 341
9.5 本章小结 358
参考文献 359
第10章 基于误差补偿的精度设计 361
10.1 柔性机构的误差源 361
10.1.1 柔性单元的误差源分析 362
10.1.2 外围元件及外部因素的误差源分析 365
10.2 基于刚柔寄生运动相互补偿的单轴柔性机构精度设计 366
10.2.1 寄生运动分析 366
10.2.2 基于刚柔寄生运动补偿的柔性直线导向机构设计方法 368
10.2.3 设计实例——基于LITFP模块的柔性直线导向机构设计 371
10.3 基于约束特性的误差补偿原理与单轴柔性直线机构设计 377
10.3.1 基于约束特性的误差补偿原理 377
10.3.2 高精度柔性直线导向机构的设计 380
10.4 基于寄生运动补偿的多轴柔性机构设计 391
10.4.1 寄生运动补偿原理 391
10.4.2 设计过程 392
10.4.3 设计实例 395
10.5 对称设计提高精度的原理性论证 402
10.5.1 对称串联设计 402
10.5.2 对称并联设计 404
10.6 本章小结 405
参考文献 406
第11章 屈曲设计 409
11.1 屈曲设计的灵感来源 409
11.2 基于屈曲理论的挠曲线构型法 412
11.2.1 压杆稳定的概念 412
11.2.2 轴心受压杆件的大挠度弹性理论 415
11.2.3 挠曲线构型法 424
11.3 DC型柔性铰链的设计与性能分析 427
11.3.1 构型设计 427
11.3.2 挠曲线形状对铰链性能的影响 431
11.3.3 实验 440
11.4 本章小结 443
参考文献 444
第12章 考虑能效的柔性设计 445
12.1 驱动器选择 445
12.2 柔性运放机构的设计 448
12.2.1 运动缩放的必要性 448
12.2.2 柔性运放机构的选型与设计考虑 449
12.2.3 新型大行程、高精度运放机构的设计方法 456
12.3 柔性静平衡机构的设计 457
12.3.1 零刚度柔性机构的一般设计思想 458
12.3.2 负刚度柔性模块的设计 458
12.3.3 零刚度柔性设计 471
12.3.4 模型制作与性能测试 483
12.4 本章小结 484
参考文献 485
第三篇 设计实例 489
第13章 大行程柔性轴承 489
13.1 柔性轴承及其应用 489
13.2 广义三交叉簧片型柔性轴承的设计、分析与测试 494
13.2.1 构型设计与优选 494
13.2.2 刚度与精度建模 496
13.2.3 样机模型与测试 504
13.3 内外环柔性轴承的设计、分析与测试 514
13.3.1 构型设计 514
13.3.2 刚度特性分析 516
13.3.3 实验测试 521
13.4 本章小结 524
参考文献 525
第14章 大行程XY柔性工作台 527
14.1 构型设计 527
14.1.1 拓扑结构演化 527
14.1.2 柔性模块的构型设计 528
14.1.3 柔性XY工作台的构型设计 531
14.2 参数设计 535
14.2.1 参数化刚度设计 535
14.2.2 基于误差补偿的精度设计 542
14.2.3 不同类型平台的柔度矩阵比较 544
14.2.4 有限元分析与改进设计 547
14.3 原型设计与性能测试 552
14.3.1 样机组成 552
14.3.2 性能测试 555
14.4 本章小结 559
参考文献 559
第15章 柔性微操作机器人 561
15.1 典型的微操作机器人系统 561
15.1.1 面向生物工程显微操作的机器人系统 562
15.1.2 面向光波导器件耦合对接的微操作机器人系统 565
15.2 典型的微操作机器人机构 569
15.3 3维平动柔性微操作机构的构型综合 573
15.4 混联式柔性微操作机构的参数设计 575
15.4.1 平面3-RRR并联柔性平台的结构一体化设计 576
15.4.2 空间3-RPS并联柔性平台的参数设计 579
15.4.3 6-DOF柔性微操作机器人的性能指标 581
15.5 微操作机器人系统自动对接实验 583
15.6 本章小结 585
参考文献 585
附录 旋量理论基础及图谱表达 587
A.1 旋量理论基础 587
A.1.1 旋量 587
A.1.2 运动旋量与力旋量 588
A.1.3 旋量的互易积与约束旋量 590
A.1.4 旋量系与旋量空间 591
A.1.5 运动旋量系与约束旋量系 592
A.2 旋量理论的图谱化表达 593
A.2.1 基本概念 593
A.2.2 自由度(约束)等价线 595
A.2.3 冗余线 597
A.2.4 对偶法则 599
A.2.5 自由度与对偶约束空间图谱 600
参考文献 600
索引 607

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