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  • 关于柔顺机构设计的探讨与研究

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2019-10-02

    0简介

    与传统的刚体机构相比,该柔性机构在功能,加工和维护方面具有明显的优势。由于力和变形之间的耦合,柔顺机构的集成和建模面临许多挑战。因此,我们需要了解合规组织的组织以及建模和综合的基本信息。当然,灵活单元,兼容设备和兼容系统的结构化库也是必不可少的。利用材料的特性解决疲劳寿命,应力极限,变形和其他性能要求之间的平衡;使用改变截面惯性矩,单元长度或单元串联的方法来解决预期的大行程运动。 1设计兼容机制时遇到的问题

    与传统的刚体机构相比,柔性机构具有许多突出的潜在优势。与其他工程系统一样,在确定设计和设计参数时需要在性能之间进行权衡。画廊中的许多设计都是根据在某些条件下获得最佳性能的原理开发的,也可以称为将不希望的性能降至最低,同时将所需性能最大化。疲劳失效的问题是我们在考虑使用顺应机构时要注意的问题,因为我们都知道避免材料的反复变形,特别是大变形。疲劳破坏会发生在拉伸,扭转和弯曲变形中,而弯曲变形是疲劳破坏的主要原因。开始时,我们可能无法想象通过柔性单元的变形,哪种设备可以实现所需的运动。但是,当我们看到八宝粥的简单勺子时,我们发现在我们的日常生活中使用的许多设备都可能显示出很大的变形。但是,当它反复弯曲变形时,折匙会折断。

    2材料特性和几何参数

    尽管其疲劳寿命问题确实值得关注,但我们可以使用其他方法来减少疲劳,同时获得所需的性能。弯曲变形是引起疲劳破坏的主要因素之一,当然,它可能会在拉力或扭曲中发生。仔细选择合适的材料可以在疲劳寿命,应力极限,变形和其他性能要求之间取得平衡。通过合理的设计,柔顺机构可以满足苛刻的载荷要求,并且可以产生较大变形的柔顺机构。表1列出了某些材料的强度和杨氏模量比以及回弹模量。作者简介:冯建兵(1985-),男,浙江绍兴人,工程师,硕士,机械工程及其自动化研究方向,电子信息工程;陈文波(1987-),男,浙江绍兴人,助理工程师,本科学历,机械工程与自动化研究方向。表1有三种方法可以使强度和杨氏模量比以及某些材料的回弹模量大变形。第一种方法是获得大变形并减小弯曲单元惯性矩的最直接,最有效的方法。尽管此方法似乎很明显,但有时它不是直观的,很容易被忽略。第二个是增加弯曲单元的长度,这可以增加变形量,而不增加给定负载条件下的应力水平。尽管此方法的缺点是降低了轴外刚度,但在很大程度上决定了许多柔顺机构的最大变形量。第三是通过将多个柔性单元串联连接的方法来解决单个柔性单元不能获得期望的变形量的问题。不仅如此,该方法还可以采用不同的结构,甚至采用不同的变形模式。例如,图1中屏幕上具有360度旋转的Lenovo笔记本YOGA。3种建模方法

    确定设计方案后,有必要进行建模并帮助我们确定设计参数(例如柔性梁的厚度和长度)或评估设计性能。预期变形与柔性元件关键尺寸的比率可以帮助我们选择最合适的建模方法。我们知道,挠性梁长度的不到10%是小变形,中等变形少于10%,大变形大于10%。通常小变形的配置就像结构不是机制一样。精度在介质变形中非常重要,因为其中很多都用于精密设备中,例如定位和测量系统。大变形的建模通常在灵活性和直觉上比精度更重要。在进行精细运动建模或需要最高建模精度的情况下,我们可以考虑使用非线性梁分析模型或大挠度可变形元素进行建模,因为它们更适合于分析单个柔性元素以及模型为复杂的机制构建的系统通常很复杂。对于大变形或更复杂的机构系统,我们可以选择伪刚体模型,该模型在进行柔性机构建模时简化了假设,并且在很多地方具有足够的精度。当然,还有一些不可忽视的有限元分析。我们应该清楚地知道,在处理顺应机构的大变形问题时,我们在选择建模单元的类型,施加载荷和设置边界条件时需要更加谨慎。

    4.设计自己的合规机制

    我们通常对柔韧性,变形和其他特征有不同的要求。面对此类问题,我们将考虑用图库第一部分中的可替换单元替换设计中的基本单元,这通常是最有效的方法。在许多情况下,我们将考虑替换现有的刚体机制或硬件以完成某些任务,这称为刚体替换综合方法。对于快速调查不同的配置非常有效。该方法还充分利用了传统机构设计的经验和背景。有时,为了产生新的想法并获得更多可以满足功能要求的设计,我们经常选择根据基本需求来合成兼容的机制。当功能要求已知时,我们可以使用自由度放大器。约束拓扑综合方法,以合成具有小或中等变形的柔性机构。它是一种结构化的合成方法,基于特殊的几何形状图,通过组合实现了具有特定自由度和高离轴刚度的基本机制。这是开发用于精密设备的新机制的首选方法。如果我们非常熟悉系统的整体性能,并且清楚地了解可以满足子问题要求的基本模块,则可以使用模块化的思想,但是这种方法不适用于小的变形兼容机制,即也就是说,它更适合于中型或大型变形柔顺机构。该方法将模块的基本功能与机构联系起来,通过不同的组合达到设计目标。这种方法的直观性对于那些习惯了传统机构发展的人们来说具有极大的吸引力。假设我们设计的兼容机制的输入和输出定义非常明确,则可以使用拓扑优化方法,这是最通用的综合方法。这种方法可以产生独特的顺应性机构配置,这几乎不可能通过组合已知元素来获得。如果我们有明确的功能要求和不规则的设计,则此方法非常有吸引力。

    5总结

    柔性机构种类繁多,能够满足给定的运动和变形力的要求,因此柔性机构设计方案的选择和综合过程一直是一个令人望而生畏的过程。对于那些刚刚接触到兼容机制的人来说,他们的目标应该是找到一个实用且令人满意的概念设计,而不是追求最佳的解决方案。当然,对于那些有经验的人来说,更复杂的方法可以用来完成概念设计。在很多情况下,模型中的材料属性会被容易处理的材料属性所代替,然后通过模型预测结果来检验原型的物理特性。通过材料特性来解决疲劳寿命、应力极限、变形等性能要求之间的平衡,通过改变截面惯性矩、单元长度或单元串联来实现预期的长程运动。

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