题目：大行程簧片式 柔性轴承的设计与研究

随着精密仪器和精密定位设备的快速发展，对系统的分辨率和定位精度要求越来越高。传统的刚性铰链或轴承由于具有摩擦和间隙等，已经难以满足精密定位的要求。柔性轴承借助材料变形实现运动，无摩擦、无回差、无需润滑以及高分辨率等优点，使得柔性轴承越来越成为精密仪器中的关键器件。

由于卓越的性能，广义交叉簧片柔性轴承已在精密仪器领域中广泛应用。然而对一些超精密仪器而言，广义交叉簧片柔性轴承的精度特性难以满足要求，特别是大转角下，其轴漂的大小不容忽视。而理论上零轴漂的环形柔性轴承却因约束过强使得运动范围极为有限。因此，研究同时具有高精度和大行程的柔性轴承构型成为了柔性轴承研究的迫切任务。本文针对大行程簧片式柔性轴承展开研究，通过改变拓扑构型，构造新型大行程高精度柔性轴承，并对其特性进行理论分析和实验测试。具体研究内容为：

（1）构造了一种新型柔性轴承——广义三交叉簧片柔性轴承。仿真分析了其轴漂特性，并基于Atwar梁变形理论建立了刚度模型。通过测试平台对广义三交叉簧片柔性轴承多项特性进行了实验测量，包括旋转刚度、径向刚度、轴向刚度、轴漂、温漂以及寿命等。仿真与实验结果表明，这类柔性轴承具有低轴漂、高寿命、大行程等特点，综合性能优良，在精密定位和精密仪器领域中具有很好的应用前景。

（2）建立了交叉簧片柔性轴承的翘曲模型。揭示了柔性轴承的翘曲变形机理，对簧片交叉角为90°和径向载荷为零时的两种特例情况进行了分析。结果表明：翘曲力偶大小与载荷M、F、P、簧片交叉角α以及簧片间距D有关；当簧片正交时，翘曲力偶只受径向载荷P影响，此时，切向力和弯矩作用时无翘曲变形。提出了一种可消除交叉簧片柔性轴承翘曲问题的可行方法，即采用簧片对称交叉布局。仿真和实验均表明，这类对称柔性轴承翘曲变形得到了完全抑制。

（3）通过对交叉簧片型柔性轴承拓扑构型的研究，详细总结对比了几何参数λ、簧片交叉角α以及簧片个数N对柔性轴承性能的影响，得到了一种综合性能相对最佳的簧片型柔性轴承——内外环柔性轴承。基于簧片的位移约束假设，通过梁约束模型应变能理论，建立了内外环柔性轴承的旋转刚度解析模型，给出了模型的适用范围。搭建了多套不同尺寸和材料的内外环柔性轴承样机，并对其旋转刚度进行了实验测试，测量结果与仿真分析结果基本一致。

（4）研究了“曲柄弹簧机构”的力矩特性，给出了用于构造零刚度柔性轴承的负刚度模块，详细讨论了零刚度柔性轴承的构造机理，构造了三种零刚度柔性轴承，并对其刚度特性和零刚度品质进行了研究和对比。

（5）建立了菱形片簧和矩形片簧的载荷位移关系。基于这两种片簧分别设计并构造了两种零刚度柔性轴承物理样机，通过实验测试了两套零刚度柔性轴承的刚度特性，并对产生误差的原因进行了分析。