一种基于贝壳形单胞的柔性结构

1.本发明属于柔性结构（机构）设计技术领域，具体涉及一种基于贝壳形单胞的柔性结构。


背景技术：

2.目前常规的结构或机构在空间位置或者形状需要改变的时候，通常是通过刚性结构来实现力和位移的传递的，在面对不同的空间位置或者形状改变情况时，需要通过生产多种不同的传动部件，并将它们装配连接成刚性机构，装配连接过程耗费很多成本。并且刚性机构在反复不断的运动过程中会产生摩擦和磨损，进而导致结构的使用寿命减少，并且多个刚性结构的复杂组装也会使得结构的可靠性降低。
3.相比于刚性机构，柔性结构可以进行一体化设计，减少构件的数量，利用组成柔性结构的某些或全部柔性单元的变形来实现力和位移的传递，并且没有传动间隙和磨损，因此本发明提出一种基于贝壳形单胞的柔性结构，并且可以将贝壳形柔性结构单胞和工程应用中的柔性结构进行不同的组合，进而组合成多种柔性机构，解决刚性结构在一些应用方面的缺陷和不足。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种基于贝壳形单胞的柔性结构，该柔性结构整体化免装配，重量轻，体积小，节约了装配成本和加工成本，且在力和位移传递的过程中不会产生磨损，进一步保证了结构的可靠性。
5.本发明是这样实现的：本发明所提出的基于贝壳形单胞的柔性结构是由连接装置、加强板，以及多个贝壳形柔性结构单胞组合而成的整体式结构。贝壳形柔性结构单胞是由两个柔性单元组合而成，其中柔性单元为圆形薄板，分为支撑板、弯曲板、连接区三部分。柔性单元上的弯曲板区域沿圆周方向均匀分成偶数个弯曲板，单数的向左弯曲，双数的向右弯曲，相邻柔性单元上的弯曲板奇偶组合，并在相应的连接区焊接，组成贝壳形单胞，贝壳形单胞上空余的弯曲板与再相邻的柔性单元上的弯曲板再进行奇偶组合，构成多个贝壳形柔性结构单胞。所述的加强板为圆形板，尺寸和支撑板相匹配，加强板上开方形的第二连接孔以及圆形铆钉孔，首个和末个支撑板上开同样的连接孔以及铆钉孔，支撑板上为第一连接孔，加强板与首个和末个支撑板通过铆钉连接。连接装置的一端为圆形，作为与外部结构连接的接口，另一端为方形，中间有翻边，翻边上有铆钉孔，连接装置通过方形连接孔穿插在加强板和支撑板上，并通过铆钉固定连接在加强板上。
6.柔性单元在其径向尺度上分三个区域，圆心区域为支撑板区域，中间区域是弯曲板区域，外边缘区域是连接区域。在圆周方向上将弯曲板区域和连接区域分成偶数个倒梯形区域，单数区域的弯曲板叫做左偏弯曲板，双数区域的弯曲板叫做右偏弯曲板。弯曲板具备初始弯曲形状，相邻两个支撑板的距离为2h，相邻两个柔性单元上的单数弯曲板和双数
弯曲板偏转距离为h，连接区域与支撑板所在平面平行。
7.在相邻弯曲板之间进行切割，切缝宽度为0.2mm，并在弯曲板与支撑板交界的地方（弯曲板的根部）打止裂孔，止裂孔的直径是切缝宽度的三倍以上，可以根据弯曲板与支撑板交界的地方（弯曲板的根部）实际弧长将止裂孔适当扩大。柔性单元的外边缘区域，即连接区域，由于需要进行焊接，其径向的实际长度不得小于3mm，并且可视弯曲板的实际径向长度进行适当的扩大。
8.按以下步骤将柔性单元组合成多个贝壳形单胞，以两个相邻的柔性单元为例，左边柔性单元上向右弯曲的弯曲板，与右边柔性单元上向左弯曲的弯曲板构成贝壳形单胞；而左边柔性单元上向左弯曲的弯曲板，又与其左边柔性单元上向右弯曲的弯曲板构成贝壳形单胞，右边柔性单元上向右弯曲的弯曲板，又与其右边柔性单元上向左弯曲的弯曲板构成贝壳形单胞，将其连接区域进行奇偶组合，并将首个和末个柔性单元上剩余的弯曲板切割掉，组合成多个贝壳形单胞结构。再将加强板与首个和末个支撑板通过铆钉连接，连接装置通过方形连接孔连接在加强板和支撑板上，进而组成基于贝壳形单胞的柔性结构。
9.本发明所提出的基于贝壳形单胞的柔性结构由于结构体积小，对于切割和焊接的技术水平要求较为严格。焊接过程中采用稀有气体对其进行焊接保护，并加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，保护防止焊接材料的氧化，可以获得冷却后的优质焊缝。可以在每个支撑板上开减重孔，来减少整体结构的重量。
10.本发明与现有技术的有益效果在于：本发明所提出的基于贝壳形单胞的柔性结构重量轻，体积小，加工成本低；单胞厚度可变，可直接实现整体结构空间位置变化；结构一体化设计，无需铰链或轴承等运动副，无磨损，可靠性高。
附图说明
11.图1是本发明基于贝壳形单胞的柔性结构示意图；图2是本发明基于贝壳形单胞的柔性结构中的柔性单元示意图；图3是本发明基于贝壳形单胞的柔性结构中的加强板示意图；图4是本发明基于贝壳形单胞的柔性结构中的连接装置示意图；其中1-左偏弯曲板，2-右偏弯曲板，3-连接区，4-支撑板，5-第一连接孔，6-连接装置，7-切缝，8-止裂孔，9-第二连接孔，10-加强板，11铆钉孔。
具体实施方式
12.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
13.如图1~4所示，本发明所提出的基于贝壳形单胞的柔性结构是由连接装置、加强板，以及多个贝壳形柔性结构单胞组合而成的整体式结构。所述的柔性结构包括多个贝壳形柔性结构单胞；贝壳形柔性结构单胞是由两个柔性单元组合而成，其中柔性单元为圆形薄板；所述的柔性单元在其径向尺度上分三个区域，圆心区域为支撑板区域，中间区域是弯曲板区域，外边缘区域是连接区域；在圆周方向上将弯曲板区域和连接区域分成偶数个倒梯形区域，单数区域的弯曲板为左偏弯曲板1，双数区域的弯曲板为右偏弯曲板2；弯曲板具
备初始弯曲形状，相邻两个支撑板4的距离为2h，相邻两个柔性单元上的单数弯曲板和双数弯曲板偏转距离为h，连接区域与支撑板所在平面平行；所述的左偏弯曲板1向左弯曲，右偏弯曲板2向右弯曲，相邻柔性单元上的弯曲板奇偶组合，并在相应的连接区焊接，组成贝壳形单胞；贝壳形单胞上空余的弯曲板与再相邻的柔性单元上的弯曲板再进行奇偶组合，构成多个贝壳形柔性结构单胞。以下列举具体数据实例说明。
14.本实例中输入轴的扭矩大小为200n
·
m，输出轴和输入轴在同一轴线上，两轴的直径都为15mm，因工程需求需要两种工作状态，两种工作状态中的输入轴和输出轴之间的距离不同，分别为相距160mm和200mm，安全系数为2.0。下面将按照实例中的要求，对各部分参数的设计进行详细的介绍。本发明所提出的基于贝壳形单胞的柔性结构中的加强板和连接装置采用钢材料，柔性单元采用铝合金材料，为满足工作强度要求，柔性单元的厚度为1.2mm，半径为40mm。为使扭矩安全传递，对柔性单元上支撑板区域，弯曲板区域以及连接区域进行设计合适的尺寸。支撑板4的半径大小为20mm；弯曲板区域径向长度为16mm，每个弯曲板的圆周角度为22.5
°
；连接区域径向长度为4mm。连接装置6圆形端口直径为15mm，以便和输入轴以及输出轴相连接，方形端口边长为15mm。加强板厚度为1.5mm，加强板10以及首个和末个支撑板4上的方形连接孔边长为15mm，以便和连接装置组装，加强板以及首个和末个支撑板上的铆钉孔直径为4mm。
15.对柔性单元画线后进行切割，在相邻的左偏弯曲板和右偏弯曲板之间进行切缝，切缝宽度为0.2mm，进而把每个柔性单元的弯曲板区域等距分割为16份弯曲板。为满足其输入轴和输出轴的距离变化要求，选取11个柔性单元，并采用冲压技术制作初始弯曲形状，左偏弯曲板1和右偏弯曲板2相对支撑板3向两侧偏转，连接区域与支撑板4所在平面平行。并且在支撑板4和左偏弯曲板1和右偏弯曲板2的每一个连接处打一个直径大小为切缝宽度5倍的止裂孔，直径大小为1mm。除首个和末个支撑板外，对剩余的每一个柔性单元上的支撑板也进行开孔处理，基于上述的柔性单元的厚度以及支撑板的半径选择，在每一个支撑板上开直径大小为20mm的减重孔。
16.在连接区采用焊接方式将相邻的柔性单元上的连接区奇偶组合，组成多个贝壳形柔性结构单胞，在焊接时采用he和ar二元混合保护气体，来减少接头气孔的数目和尺寸，最后把连接装置和加强板与多个贝壳形柔性结构单胞进行组装成基于贝壳形单胞的柔性结构。
17.把实例中的输入轴和输出轴与连接装置进行连接，当输出轴空间位置需要改变时，两两相连接的左偏弯曲板和右偏弯曲板之间相互协调变形，柔性单元之间的距离发生变化，实现输入轴和输出轴之间的距离从160mm到200mm的转变，从而实现整个系统的两种工作方式运转。
18.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。