关于柔顺机构设计的探讨与研究论文

　　引言

　　相比传统的刚体机构，柔顺机构在功能、加工和维护等方面明显具有优势。由于力与变形之间是耦合的，这也就使柔顺机构的综合及建模面临着诸多的挑战。所以，我们需要了解柔顺机构的组织形式和建模与综合的基本信息，当然各种柔性单元、柔顺装置以及柔顺系统的结构化图库也必不可少。用材料的特性解决疲劳寿命、应力极限、变形及其他性能需求间的平衡;用改变截面惯性矩、单元的长度或单元串联的方法来解决实现预期的大行程运动。

　　1 设计柔顺机构时的问题

　　相比传统的刚体机构，柔顺机构具有很多突出的潜在优势。与其他工程系统一样，在确定设计方案与设计参数时，同时也面临着多项性能之间的权衡。图库中的很多设计就是按照在某种情况下取得最佳性能的原则开发的，也可以称为最小化非期望的性能而最大化期望的性能。疲劳失效问题是我们在考虑使用柔顺机构时都会关注到的一个问题，因为我们都清楚要避免使用材料反复变形，特别是大变形。疲劳失效可以发生于拉压、扭转和弯曲变形，而弯曲变形才是造成疲劳失效的主要原因。刚开始时，我们也许无法想象有何种装备能够通过柔性单元的变形来实现预期的运动。但当我们看到简单的八宝粥的可折叠汤匙时，我们发现，其实在我们日常生活中，已经使用的很多装置都可呈现出大变形了。但是，当它反复弯曲变形时，折叠汤匙就会断裂。

　　2 材料的特性和几何参数

　　虽然它的疲劳寿命问题确实值得关注，但是我们可以通过其他的办法来减轻疲劳的同时获得期望的性能。弯曲变形是形成疲劳失效的主要因素之一，当然也可能发生在拉压或扭转。谨慎的选择相应的材料，可以使得疲劳寿命、应力极限、变形及其他性能需求之间得到平衡。通过合理的设计，柔顺机构就能够满足苛刻的加载要求，在发生大变形的柔顺机构也是一样的。表 1 给出了部份材料的强度与杨氏模量比和回弹模量。作者简介： 冯剑炳(1985-)，男，浙江绍兴人，工程师，硕士，研究方向为机械工程及自动化、电子信息工程;陈文博(1987-)，男，浙江绍兴人，助理工程师，学士，研究方向为机械工程及自动化。表 1 部份材料的强度与杨氏模量比和回弹模量获得大变形的方法有三种，第一种是获得大变形最直接有效的方法，减小挠弯单元的截面惯性矩。这个方法虽然似显易见，但有时并不直观而且容易被忽视。第二种是增加挠弯单元的长度，可以在给定载荷条件下不增大应力水平而增大变形量。虽然这个方法的缺点就是会降低离轴刚度，但在很大程度上决定了许多柔顺机构的最大变形量。第三种是通过多个柔性单元串联的方法来解决单个柔性单元无法获得期望的变形量。不仅如此，这个方法还可以采用不同的结构，甚至不同的变形方式。比如图 1 中屏幕可 360 度旋转的联想笔记本 YOGA。

　　3 建模的方法

　　在设计方案确定之后，要对进行建模，以及帮助我们确定柔性梁的厚度、长度等设计参数的取值或评估设计的性能。柔性单元的期望变形量与关键尺寸比可以帮助我们选择最合适的建模方法。我们知道小于柔性梁长度的 10%是小变形，不超过 10%的为中等变形，大于 10%为大变形。通常小变形的构型就像是结构不是机构。中等变形中精度非常重要，因为它许多用于精密装置上，比如定位和测量系统。而大变形的建模通常在柔顺性和直观性较为重要，而不是建模精度上。在精微运动的建模或需要最高的建模精度时，我们可以考虑使用非线性梁解析模型或大挠度变形单元建模，因为它们更加适合分析单个柔性单元，对复杂的机构系统所建的模型会导常复杂。而对大变形或更为复杂的机构系统时，我们可以选择伪刚体模型，它在对柔性机构建模时做了简化的假设，并且在很多地方还是具有足够精度的。当然还有不可不提的有限元分析。我们应该清楚明白的知道在处理柔顺机构中的大变形问题中，需要更加谨慎地选择建模单元类型、施加载荷及设置边界的条件。

　　4 设计自己的柔顺机构

　　我们经常对柔顺性的变形等特性有着不同的要求，面对这样的问题，我们会考虑将设计中的基本单元用图库中的第一部分中可替代的单元替换，这通常也是最高效的方法。很多情况下，我们会考虑把现有的完成某种任务的刚体机构或硬件替换掉，这就是所谓的刚体替换综合法。它用于快速考察不同构型时非常有效，这种方法还充分利用了传统机构设计中已具备的经验和背景。有时候，为了产生新的思路，获得更加能够满足功能需求的设计，我们常常会选择从基本需求出发来进行柔顺机构综合。当功能需求已知的情况下综合小变形或中等变形的柔顺机构时，我们可以使用自由度 & 约束拓扑综合法。它是一种结构化的综合方法，以特有的几何形状图谱为基础，通过组合实现具有特定自由度并保持高离轴刚度的基本机构。这是在精密装置开发新机构时优先考虑的方法。如果我们对系统的总体性能非常熟悉，也清楚的知道能够满足子问题要求的基本模块，那我们可以使用模块化的思路，不过这种方法并不适合小变形的柔顺机构，也就是说它更适合中等变形或大变型的柔顺机构。这种方法是将模块与机构的基本功能关联起来，通过不同的组合方式来实现设计的目标。这种方法的直观性对那些习惯传统机构开发的人具有不小的吸引力。假设我们设计的柔顺机构的输入和输出的定义非常明确，那我们可以使用拓扑优化法，这是最通用的综合方法。这种方法能够产生独特的柔顺机构构型，我们通过组合已知单元几乎不可能获得这些机构。如果我们有明确的功能需求，且形状不规则的设计也不在意，这个方法是非常有吸引力的。

　　5 总结

　　能够满足给定运动和力到变形需求，这样的机构种类太多太多，所以在选择或综合柔顺机构设计方案的过程总是令人生畏。对刚刚接触柔顺机构的人来说，应该要把目标定位在寻找一个实用且能够满足要求的概念设计上，并不是追求最好的方案。当然对那些有经验的人来说，可以选用更加复杂的方法来完成概念的设计。在很多情况下，我们还会将模型中的材料属性用容易加工的材料属性来替换，然后再用模型预测结果检验样机的物理特性。通过材料的特性解决疲劳寿命、应力极限、变形及其他性能需求间的平衡;利用改变截面惯性矩、单元的长度或单元串联的方法来解决实现预期的大行程运动。