關(guān)于柔順機構設計的探討與研究論文
引言
相比傳統的剛體機構，柔順機構在功能、加工和維護等方面明顯具有優(yōu)勢。由于力與變形之間是耦合的，這也就使柔順機構的綜合及建模面臨著(zhù)諸多的挑戰。所以，我們需要了解柔順機構的組織形式和建模與綜合的基本信息，當然各種柔性單元、柔順裝置以及柔順系統的結構化圖庫也必不可少。用材料的特性解決疲勞壽命、應力極限、變形及其他性能需求間的平衡;用改變截面慣性矩、單元的長(cháng)度或單元串聯(lián)的方法來(lái)解決實(shí)現預期的大行程運動(dòng)。
1 設計柔順機構時(shí)的問(wèn)題
相比傳統的剛體機構，柔順機構具有很多突出的潛在優(yōu)勢。與其他工程系統一樣，在確定設計方案與設計參數時(shí)，同時(shí)也面臨著(zhù)多項性能之間的權衡。圖庫中的很多設計就是按照在某種情況下取得最佳性能的原則開(kāi)發(fā)的，也可以稱(chēng)為最小化非期望的性能而最大化期望的性能。疲勞失效問(wèn)題是我們在考慮使用柔順機構時(shí)都會(huì )關(guān)注到的一個(gè)問(wèn)題，因為我們都清楚要避免使用材料反復變形，特別是大變形。疲勞失效可以發(fā)生于拉壓、扭轉和彎曲變形，而彎曲變形才是造成疲勞失效的主要原因。剛開(kāi)始時(shí)，我們也許無(wú)法想象有何種裝備能夠通過(guò)柔性單元的變形來(lái)實(shí)現預期的運動(dòng)。但當我們看到簡(jiǎn)單的八寶粥的可折疊湯匙時(shí)，我們發(fā)現，其實(shí)在我們日常生活中，已經(jīng)使用的很多裝置都可呈現出大變形了。但是，當它反復彎曲變形時(shí)，折疊湯匙就會(huì )斷裂。
2 材料的特性和幾何參數
雖然它的疲勞壽命問(wèn)題確實(shí)值得關(guān)注，但是我們可以通過(guò)其他的辦法來(lái)減輕疲勞的同時(shí)獲得期望的性能。彎曲變形是形成疲勞失效的主要因素之一，當然也可能發(fā)生在拉壓或扭轉。謹慎的選擇相應的材料，可以使得疲勞壽命、應力極限、變形及其他性能需求之間得到平衡。通過(guò)合理的設計，柔順機構就能夠滿(mǎn)足苛刻的加載要求，在發(fā)生大變形的柔順機構也是一樣的。表 1 給出了部份材料的強度與楊氏模量比和回彈模量。作者簡(jiǎn)介： 馮劍炳(1985-)，男，浙江紹興人，工程師，碩士，研究方向為機械工程及自動(dòng)化、電子信息工程;陳文博(1987-)，男，浙江紹興人，助理工程師，學(xué)士，研究方向為機械工程及自動(dòng)化。表 1 部份材料的強度與楊氏模量比和回彈模量獲得大變形的方法有三種，第一種是獲得大變形最直接有效的方法，減小撓彎單元的截面慣性矩。這個(gè)方法雖然似顯易見(jiàn)，但有時(shí)并不直觀(guān)而且容易被忽視。第二種是增加撓彎單元的長(cháng)度，可以在給定載荷條件下不增大應力水平而增大變形量。雖然這個(gè)方法的'缺點(diǎn)就是會(huì )降低離軸剛度，但在很大程度上決定了許多柔順機構的最大變形量。第三種是通過(guò)多個(gè)柔性單元串聯(lián)的方法來(lái)解決單個(gè)柔性單元無(wú)法獲得期望的變形量。不僅如此，這個(gè)方法還可以采用不同的結構，甚至不同的變形方式。比如圖 1 中屏幕可 360 度旋轉的聯(lián)想筆記本 YOGA。
3 建模的方法
在設計方案確定之后，要對進(jìn)行建模，以及幫助我們確定柔性梁的厚度、長(cháng)度等設計參數的取值或評估設計的性能。柔性單元的期望變形量與關(guān)鍵尺寸比可以幫助我們選擇最合適的建模方法。我們知道小于柔性梁長(cháng)度的 10%是小變形，不超過(guò) 10%的為中等變形，大于 10%為大變形。通常小變形的構型就像是結構不是機構。中等變形中精度非常重要，因為它許多用于精密裝置上，比如定位和測量系統。而大變形的建模通常在柔順性和直觀(guān)性較為重要，而不是建模精度上。在精微運動(dòng)的建�；蛐枰罡叩慕＞葧r(shí)，我們可以考慮使用非線(xiàn)性梁解析模型或大撓度變形單元建模，因為它們更加適合分析單個(gè)柔性單元，對復雜的機構系統所建的模型會(huì )導常復雜。而對大變形或更為復雜的機構系統時(shí)，我們可以選擇偽剛體模型，它在對柔性機構建模時(shí)做了簡(jiǎn)化的假設，并且在很多地方還是具有足夠精度的。當然還有不可不提的有限元分析。我們應該清楚明白的知道在處理柔順機構中的大變形問(wèn)題中，需要更加謹慎地選擇建模單元類(lèi)型、施加載荷及設置邊界的條件。
4 設計自己的柔順機構
我們經(jīng)常對柔順性的變形等特性有著(zhù)不同的要求，面對這樣的問(wèn)題，我們會(huì )考慮將設計中的基本單元用圖庫中的第一部分中可替代的單元替換，這通常也是最高效的方法。很多情況下，我們會(huì )考慮把現有的完成某種任務(wù)的剛體機構或硬件替換掉，這就是所謂的剛體替換綜合法。它用于快速考察不同構型時(shí)非常有效，這種方法還充分利用了傳統機構設計中已具備的經(jīng)驗和背景。有時(shí)候，為了產(chǎn)生新的思路，獲得更加能夠滿(mǎn)足功能需求的設計，我們常常會(huì )選擇從基本需求出發(fā)來(lái)進(jìn)行柔順機構綜合。當功能需求已知的情況下綜合小變形或中等變形的柔順機構時(shí)，我們可以使用自由度 & 約束拓撲綜合法。它是一種結構化的綜合方法，以特有的幾何形狀圖譜為基礎，通過(guò)組合實(shí)現具有特定自由度并保持高離軸剛度的基本機構。這是在精密裝置開(kāi)發(fā)新機構時(shí)優(yōu)先考慮的方法。如果我們對系統的總體性能非常熟悉，也清楚的知道能夠滿(mǎn)足子問(wèn)題要求的基本模塊，那我們可以使用模塊化的思路，不過(guò)這種方法并不適合小變形的柔順機構，也就是說(shuō)它更適合中等變形或大變型的柔順機構。這種方法是將模塊與機構的基本功能關(guān)聯(lián)起來(lái)，通過(guò)不同的組合方式來(lái)實(shí)現設計的目標。這種方法的直觀(guān)性對那些習慣傳統機構開(kāi)發(fā)的人具有不小的吸引力。假設我們設計的柔順機構的輸入和輸出的定義非常明確，那我們可以使用拓撲優(yōu)化法，這是最通用的綜合方法。這種方法能夠產(chǎn)生獨特的柔順機構構型，我們通過(guò)組合已知單元幾乎不可能獲得這些機構。如果我們有明確的功能需求，且形狀不規則的設計也不在意，這個(gè)方法是非常有吸引力的。
5 總結
能夠滿(mǎn)足給定運動(dòng)和力到變形需求，這樣的機構種類(lèi)太多太多，所以在選擇或綜合柔順機構設計方案的過(guò)程總是令人生畏。對剛剛接觸柔順機構的人來(lái)說(shuō)，應該要把目標定位在尋找一個(gè)實(shí)用且能夠滿(mǎn)足要求的概念設計上，并不是追求最好的方案。當然對那些有經(jīng)驗的人來(lái)說(shuō)，可以選用更加復雜的方法來(lái)完成概念的設計。在很多情況下，我們還會(huì )將模型中的材料屬性用容易加工的材料屬性來(lái)替換，然后再用模型預測結果檢驗樣機的物理特性。通過(guò)材料的特性解決疲勞壽命、應力極限、變形及其他性能需求間的平衡;利用改變截面慣性矩、單元的長(cháng)度或單元串聯(lián)的方法來(lái)解決實(shí)現預期的大行程運動(dòng)。
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