柔順機構設計的探討與研究

馮劍炳

摘要：在柔順機構的設計過程中，經常會面臨多項性能之間的權衡。我們可以在材料的選擇上、減小撓彎單元的截面慣性矩、增加撓彎或氛圍單元的長度和將若干個柔性單元串聯(lián)起來來解決這個權衡，最終綜合出自己的柔順機構。

Abstract： In the design process of compliant mechanism， there is often a trade-off between multiple performance. We can select better material， reduce the bending moment of the unit moment of inertia， increase the length of the bending or atmosphere unit and connect a number of flexible units in series to solve this trade-off， and ultimately integrate a proper compliant mechanism.

關鍵詞：柔順機構；機構建模；機械變形

Key words： compliant mechanism；mechanism modeling；mechanical deformation

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0133-02

0 引言

相比傳統(tǒng)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諸多的挑戰(zhàn)。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(tǒng)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、單元的長度或單元串聯(lián)的方法來解決實現(xiàn)預期的大行程運動。

1 設計柔順機構時的問題

相比傳統(tǒng)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(tǒng)一樣，在確定設計方案與設計參數(shù)時，同時也面臨著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發(fā)的，也可以稱為最小化非期望的性能而最大化期望的性能。

疲勞失效問題是我們在考慮使用柔順機構時都會關注到的一個問題，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。剛開始時，我們也許無法想象有何種裝備能夠通過柔性單元的變形來實現(xiàn)預期的運動。但當我們看到簡單的八寶粥的可折疊湯匙時，我們發(fā)現(xiàn)，其實在我們日常生活中，已經使用的很多裝置都可呈現(xiàn)出大變形了。但是，當它反復彎曲變形時，折疊湯匙就會斷裂。

2 材料的特性和幾何參數(shù)

雖然它的疲勞壽命問題確實值得關注，但是我們可以通過其他的辦法來減輕疲勞的同時獲得期望的性能。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。通過合理的設計，柔順機構就能夠滿足苛刻的加載要求，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。

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。這個方法雖然似顯易見，但有時并不直觀而且容易被忽視。第二種是增加撓彎單元的長度，可以在給定載荷條件下不增大應力水平而增大變形量。雖然這個方法的缺點就是會降低離軸剛度，但在很大程度上決定了許多柔順機構的最大變形量。第三種是通過多個柔性單元串聯(lián)的方法來解決單個柔性單元無法獲得期望的變形量。不僅如此，這個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，要對進行建模，以及幫助我們確定柔性梁的厚度、長度等設計參數(shù)的取值或評估設計的性能。柔性單元的期望變形量與關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度的10%是小變形，不超過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(tǒng)。而大變形的建模通常在柔順性和直觀性較為重要，而不是建模精度上。

在精微運動的建模或需要最高的建模精度時，我們可以考慮使用非線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柔性單元，對復雜的機構系統(tǒng)所建的模型會導常復雜。而對大變形或更為復雜的機構系統(tǒng)時，我們可以選擇偽剛體模型，它在對柔性機構建模時做了簡化的假設，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題中，需要更加謹慎地選擇建模單元類型、施加載荷及設置邊界的條件。

4 設計自己的柔順機構

我們經常對柔順性的變形等特性有著不同的要求，面對這樣的問題，我們會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，我們會考慮把現(xiàn)有的完成某種任務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非常有效，這種方法還充分利用了傳統(tǒng)機構設計中已具備的經驗和背景。有時候，為了產生新的思路，獲得更加能夠滿足功能需求的設計，我們常常會選擇從基本需求出發(fā)來進行柔順機構綜合。

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，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，通過組合實現(xiàn)具有特定自由度并保持高離軸剛度的基本機構。這是在精密裝置開發(fā)新機構時優(yōu)先考慮的方法。

如果我們對系統(tǒng)的總體性能非常熟悉，也清楚的知道能夠滿足子問題要求的基本模塊，那我們可以使用模塊化的思路，不過這種方法并不適合小變形的柔順機構，也就是說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聯(lián)起來，通過不同的組合方式來實現(xiàn)設計的目標。這種方法的直觀性對那些習慣傳統(tǒng)機構開發(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。這種方法能夠產生獨特的柔順機構構型，我們通過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(guī)則的設計也不在意，這個方法是非常有吸引力的。

5 總結

能夠滿足給定運動和力到變形需求，這樣的機構種類太多太多，所以在選擇或綜合柔順機構設計方案的過程總是令人生畏。對剛剛接觸柔順機構的人來說，應該要把目標定位在尋找一個實用且能夠滿足要求的概念設計上，并不是追求最好的方案。當然對那些有經驗的人來說，可以選用更加復雜的方法來完成概念的設計。在很多情況下，我們還會將模型中的材料屬性用容易加工的材料屬性來替換，然后再用模型預測結果檢驗樣機的物理特性。通過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、單元的長度或單元串聯(lián)的方法來解決實現(xiàn)預期的大行程運動。

參考文獻：

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