關(guān)于柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討與研究論文
引言
相比傳統(tǒng)的剛體機(jī)構(gòu)，柔順機(jī)構(gòu)在功能、加工和維護(hù)等方面明顯具有優(yōu)勢(shì)。由于力與變形之間是耦合的，這也就使柔順機(jī)構(gòu)的綜合及建模面臨著諸多的挑戰(zhàn)。所以，我們需要了解柔順機(jī)構(gòu)的組織形式和建模與綜合的基本信息，當(dāng)然各種柔性單元、柔順裝置以及柔順系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化圖庫(kù)也必不可少。用材料的特性解決疲勞壽命、應(yīng)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(zhǎng)度或單元串聯(lián)的方法來(lái)解決實(shí)現(xiàn)預(yù)期的大行程運(yùn)動(dòng)。
1 設(shè)計(jì)柔順機(jī)構(gòu)時(shí)的問(wèn)題
相比傳統(tǒng)的剛體機(jī)構(gòu)，柔順機(jī)構(gòu)具有很多突出的潛在優(yōu)勢(shì)。與其他工程系統(tǒng)一樣，在確定設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，同時(shí)也面臨著多項(xiàng)性能之間的權(quán)衡。圖庫(kù)中的很多設(shè)計(jì)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?cè)诳紤]使用柔順機(jī)構(gòu)時(shí)都會(huì)關(guān)注到的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲覀兌记宄苊馐褂貌牧戏磸?fù)變形，特別是大變形。疲勞失效可以發(fā)生于拉壓、扭轉(zhuǎn)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(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)我們看到簡(jiǎn)單的八寶粥的可折疊湯匙時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)在我們?nèi)粘Ｉ钪校呀?jīng)使用的很多裝置都可呈現(xiàn)出大變形了。但是，當(dāng)它反復(fù)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(shù)
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(dāng)然也可能發(fā)生在拉壓或扭轉(zhuǎn)。謹(jǐn)慎的選擇相應(yīng)的材料，可以使得疲勞壽命、應(yīng)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(shè)計(jì)，柔順機(jī)構(gòu)就能夠滿(mǎn)足苛刻的加載要求，在發(fā)生大變形的柔順機(jī)構(gòu)也是一樣的。表 1 給出了部份材料的強(qiáng)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?yàn)闄C(jī)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?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化。表 1 部份材料的強(qiáng)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(zhǎng)度，可以在給定載荷條件下不增大應(yīng)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(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)，甚至不同的變形方式。比如圖 1 中屏幕可 360 度旋轉(zhuǎn)的聯(lián)想筆記本 YOGA。
3 建模的方法
在設(shè)計(jì)方案確定之后，要對(duì)進(jìn)行建模，以及幫助我們確定柔性梁的厚度、長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)的取值或評(píng)估設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(gòu)型就像是結(jié)構(gòu)不是機(jī)構(gòu)。中等變形中精度非常重要，因?yàn)樗S多用于精密裝置上，比如定位和測(cè)量系統(tǒng)。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(yùn)動(dòng)的建模或需要最高的建模精度時(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?yàn)樗鼈兏舆m合分析單個(gè)柔性單元，對(duì)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)所建的模型會(huì)導(dǎo)常復(fù)雜。而對(duì)大變形或更為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，我們可以選擇偽剛體模型，它在對(duì)柔性機(jī)構(gòu)建模時(shí)做了簡(jiǎn)化的假設(shè)，并且在很多地方還是具有足夠精度的。當(dāng)然還有不可不提的有限元分析。我們應(yīng)該清楚明白的知道在處理柔順機(jī)構(gòu)中的大變形問(wèn)題中，需要更加謹(jǐn)慎地選擇建模單元類(lèi)型、施加載荷及設(shè)置邊界的條件。
4 設(shè)計(jì)自己的柔順機(jī)構(gòu)
我們經(jīng)常對(duì)柔順性的變形等特性有著不同的要求，面對(duì)這樣的問(wèn)題，我們會(huì)考慮將設(shè)計(jì)中的基本單元用圖庫(kù)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(xiàn)有的完成某種任務(wù)的剛體機(jī)構(gòu)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(gòu)型時(shí)非常有效，這種方法還充分利用了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中已具備的經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)，我們常常會(huì)選擇從基本需求出發(fā)來(lái)進(jìn)行柔順機(jī)構(gòu)綜合。當(dāng)功能需求已知的情況下綜合小變形或中等變形的柔順機(jī)構(gòu)時(shí)，我們可以使用自由度 & 約束拓?fù)渚C合法。它是一種結(jié)構(gòu)化的綜合方法，以特有的幾何形狀圖譜為基礎(chǔ)，通過(guò)組合實(shí)現(xiàn)具有特定自由度并保持高離軸剛度的基本機(jī)構(gòu)。這是在精密裝置開(kāi)發(fā)新機(jī)構(gòu)時(shí)優(yōu)先考慮的方法。如果我們對(duì)系統(tǒng)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(jī)構(gòu)，也就是說(shuō)它更適合中等變形或大變型的柔順機(jī)構(gòu)。這種方法是將模塊與機(jī)構(gòu)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(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。這種方法的直觀(guān)性對(duì)那些習(xí)慣傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的人具有不小的吸引力。假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)的柔順機(jī)構(gòu)的輸入和輸出的定義非常明確，那我們可以使用拓?fù)鋬?yōu)化法，這是最通用的綜合方法。這種方法能夠產(chǎn)生獨(dú)特的柔順機(jī)構(gòu)構(gòu)型，我們通過(guò)組合已知單元幾乎不可能獲得這些機(jī)構(gòu)。如果我們有明確的功能需求，且形狀不規(guī)則的設(shè)計(jì)也不在意，這個(gè)方法是非常有吸引力的。
5 總結(jié)
能夠滿(mǎn)足給定運(yùn)動(dòng)和力到變形需求，這樣的機(jī)構(gòu)種類(lèi)太多太多，所以在選擇或綜合柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的過(guò)程總是令人生畏。對(duì)剛剛接觸柔順機(jī)構(gòu)的人來(lái)說(shuō)，應(yīng)該要把目標(biāo)定位在尋找一個(gè)實(shí)用且能夠滿(mǎn)足要求的概念設(shè)計(jì)上，并不是追求最好的方案。當(dāng)然對(duì)那些有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，可以選用更加復(fù)雜的方法來(lái)完成概念的設(shè)計(jì)。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(yù)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)樣機(jī)的物理特性。通過(guò)材料的特性解決疲勞壽命、應(yīng)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(zhǎng)度或單元串聯(lián)的方法來(lái)解決實(shí)現(xiàn)預(yù)期的大行程運(yùn)動(dòng)。
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