柔顺机构概述-李乐Word格式.docx
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学位类别
硕士
任课教师
王念峰老师
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年月日
1.柔顺机构的概念
柔顺机构(CompliantMechanism)是一种依靠构件自身弹性变形来输出全部(或部分)运动、力和能量的新型装置,相对于刚性机构的设计而言,柔顺机构的设计分析是一个新兴的研究领域。
柔顺机构最早可以追溯到公元8000年前人类应用弓箭开始,那可以认为是最原始的柔顺机构。
从20世纪80年代后期开始,柔顺机构就开始引起了机械科学家和工程师们的高度重视,其研究成果已经在一些日常和有特殊要求的行业上开始应用。
柔顺机构既不同于传统的刚性机构也不同于传统的结构。
传统刚性机构是由多个刚性构件通过刚性运动副联结组合而成的系统,其运动来自于运动副,而柔顺机构可以是多个柔性构件或刚性构件组合而成系统,也可以是单片的连续体,且其运动至少有部分来自其柔性构件的弹性变形而不是全部来自运动副。
传统机构的运动轨迹取决于运动链的拓扑结构和各构件的长度尺寸,而柔顺机构不仅与这些因素有关,还与构件的材料属性、截面尺寸和载荷性质、作用位置等有关。
传统刚性结构一般都是设计成高刚度,不允许有变形,所以也就不能传递能量,而柔顺机构是为了获得某一特定的运动而设计成柔性的,可以传递运动、力和能量。
在设计刚性机构和结构时应尽可能减小或避免构件的柔性,构件的柔性过大·
容易致振动冲击、疲劳破坏、误差较大和稳定性较差,但是构件的柔性是存在的,不可避免;
而对柔顺机构的研究无疑大大前进了一步:
它不是停留在如何避免杆件变形产生的负面影响,而是积极地利用杆件变形来改善和提高机构的性能,通过合理的利用构件的柔性来获得某些特殊性能。
2.柔顺机构的分类:
根据柔顺机构是否包含刚性构件和刚性运动副来分,柔顺机构可分为全柔顺机构和部分柔顺机构,如图1.1所示。
全柔顺机构全部由柔顺构件(运动副)组成,部分柔顺机构由刚性构件(运动副)和柔顺构件(运动副)组成,其中至少有一个柔顺构件(运动副)。
柔顺构件的弹性交形可能只发生在某一局部范围内也可能相对均匀的分布在整个柔顺构件中。
根据柔性的分布形式不同,全柔顺机构又可以分为集中式和分布式柔顺机构,前者的特征是存在较弱的区域,弹性变形发生在该局部区域,可以模拟铰链的运动;
后者的特征是没有相对对较弱的区域,柔顺构件的弹性变形相对均匀的分布在整个构件中,和前者相比,容易避免应力集中现象。
图1-1
图1-1,集中式全柔顺机构中的柔性关节有很多种彤式,其中柔性铰链是最常见的。
柔性铰链因为结构上一体化和利用弹性变形产生运动和传递能量的特点在许多现代和新兴的结构设计中被厂泛采用。
柔性铰链的类型比较复杂,按运动方向、铰链切口形状、功用等不同分类方法叉可分为不同类型的柔性铰链:
(1)秉性铰链按照传递运动和能量的方向,可以分为:
单轴柔性铰链、取轴秉铰链、全向柔性铰链。
如图1-2所示。
(2)按照秉性铰链的柔性部位的不同形状,可以分为:
弓形、倒圆角直粱形椭圆型、圆形、抛物线型、双眭线型柔性铰链等。
如图1-3所示。
(3)还有一些特殊形式的柔性铰链,例如交叉式柔性铰链和裂筒式柔性铰链。
如图1.4所示。
3.柔顺机构的优点与缺点:
柔顺机构特别适合于小变形领域,在MEMS和微定位领域有着广阔的应用前景。
在一些需要小位移小转角的应用中,柔顺机构有很多刚性机构所不具备的优点,主要可归纳为以下几点:
(1)由于柔顺机构中,柔顺构件之间可以没有传统运动副,甚至可以将整个柔顺机构做成单片的,大大减少构件数目,从而也就减少装配。
研究表明,装配成本占整个产品生产成本的60%,所以也大大降低了产品的生产成本;
(2)由于柔顺构件之间没有联接,无间隙,可提高机构的运动精度;
(3)无摩擦磨损,可提高机构的寿命;
(4)振动和噪音小,无需润滑,可减少污染:
(5)易于小型化和大批量生产;
(6)可存储能量,自身具有回程反力:
(7)易于和其它非机械动力相匹配。
正是由于柔顺机构有着巨大的优势和潜力,它可以较大地提高MEMS中机械部分的尺寸微小化程度和机构的工作性能,从而大大促进MEMS领域的发展。
虽然柔顺机构具有很多优点,并在实际工程中得到越来越多的应用,但它同时也存在着一些不足和问题,主要有以下几个方面:
(1)柔顺机构的分析与综合比较困难。
首先,对知识的要求更高,不仅要具备机构学和材料力学两方面的知识,还要求能熟练的综合运用这两方面的知识;
其次,柔性大变形所引起的几何非线性必将导致非线性方程的存在。
一般情况下得不到解析解,即使用数值法求解也比较耗时。
此外,柔顺元件的变形不仅与其自身的结构参数、材料参数有关,还取决于力作用的位置、方向、大小。
(2)通过柔顺元件的变形把一部分能量存贮起来是柔顺机构的一个优点,但是由于柔顺元件的变形必将消耗一部分能量,所以能量不能完全转换或传递。
也就是说,柔顺机构中必将存在能量的损失,传动的效率相对较低,这一点是不可避免的。
(3)疲劳强度是研究柔顺机构众多问题中的一个重点问题。
在柔顺机构中,柔顺元件要承受周期性变化的应力。
由于变形一般发生在相对薄弱的环节,所以总存在应力集中现象,对于具有集中柔度的柔顺机构(LCCP)来说更为严重,为保证柔顺机构正常工作,疲劳强度分析和疲劳寿命设计是非常必要的。
(4)位置可达性。
由于材料强度因素的制约,柔顺杆件的变形程度将受到限制,并不是随意的。
另外,由于只依靠其自身的变形,柔顺杆件是不可能具有整转运动功能。
这一点在柔顺机构的设计时显得尤为重要。
蠕变问题。
柔顺杆件长时间承受周期性应力或者温度升高,就会导致应力松弛或者蠕变等问题。
对于柔顺机构来说,如果发生柔顺构件的应力松弛或者蠕变等现象,柔顺机构的精度将会大大下降。
特别是在高速精密机构中,这种情况要尽量避免。
4.柔顺机构的设计方法:
目前,对于柔顺机构的设计主要有以下两种方法:
一种是以伪刚体模型为基础,将柔顺机构近似转化为刚性机构,然后借助于刚性机构的分析和型综合的方法,通过反复迭代得到所需要的柔顺机构;
另一种是基于结构拓扑方法的柔顺机构优化设计。
Howell和Midha应用伪刚体模型方法在考虑梁的大变形、能量储存等综合因素影响时对柔顺机构进行分析,对柔顺四杆机构进行运动综合。
并针对伪刚体模型提出了一种柔顺机构的分析与综合的封闭环理论。
李海燕等基于伪刚体模型,以可靠度最大为目标,综合概率、疲劳和优化等学科的知识,给出了一种对柔顺机构进行优化设计的方法。
建立基于可靠性的随机变量优化问题的一般模型,分析了将概率约束条件转化为确定形式约束条件的方法;
考虑柔顺元件的变形特性,计算其随机疲劳强度、最大应力,分析了典型的约束形式;
并通过实例验证结果表明柔顺元件的可靠性对尺寸或材料特性等方面的变化比较敏感。
关于拓扑优化方法在柔顺机构设计过程中的重要性和实用性,Kota等进行了详细的阐述,综合考虑柔顺机构的型综合和尺度综合。
在满足运动约束和柔顺机构能量存储最大化条件下,提出了目标函数,对机构进行优化设计。
通过此方法优化设计得到的机构具有较高的机械效率,能很好地满足运动学性能和动力学性能。
均匀化方法是连续体结构拓扑优化研究中应用较广的一种物理描述方法。
丹麦学者Sigmund在该领域做了大量的工作,设计出单自由度柔顺结构与两自由度驱动器。
谢先海等应用均匀化方法,探讨以机械效率为优化目标的柔顺机构设计方法。
推导出基于弹簧模型的柔顺机构机械效率的计算表达式。
引进等效弹性模量与微结构尺寸关系的函数来描述优化过程中的容许应力随着微结构尺寸的变化情况,初步解决了拓扑优化中不能处理应力约束的缺点。
采用准则优化方法建立柔顺机构的拓扑设计的数学模型。
此外,谢先海等用能量法详细推导了单输入单输出柔顺机构的机械效益的计算公式,并根据不同的边界条件,对该公式的使用提出了明确的意见;
同时还提出了单输入双输出和双输入单输出柔顺机构的机械效益的概念。
最后建立了以柔顺机构的机械效益为目标函数的约束最优化设计的数学模型。
李团结、曹炎等讨论了一种平面双稳态柔顺机构的设计问题,首先给出机构稳定平衡位置的物理含义,建立了两种类型平面双稳态柔顺机构的伪刚体模型。
提出了一种允许设计者随意指定稳定平衡位置点的具有较大自由度的优化设计方法,建立了优化数学模型及相应的约束准则,采用一种改进的遗传进化算法获得全局最优解,根据所得的最优解对双稳态柔顺机构进行分析。
李团结等利用虚功原理建立了实现定常力输出柔顺滑块机构中力与位移间的关系式,进而提出了当考虑和不考虑零件中的应力时柔顺滑块机构的优化综合方法。
陈永健等针对微定位技术中压电驱动器的形变放大问题,利用有限元方法和连续体的拓扑优化方法,以位移放大比为优化目标设计出一种无铰接的柔顺位移放大器。
通过把优化目标由位移之比形式转化为能量之比形式建立了优化的数学模型,并运用准则法作迭代求解。
而且,通过过滤算法避免了棋盘格现象。
5.柔顺机构的应用领域
(1)微定位机构
作为柔顺机构最简单形式之一的柔性铰链具有结构紧凑、体积小、无间隙、无摩擦、无需润滑、运动平滑连续和位移分辨率高等优点。
柔性铰链的研究从上世纪60年代开始,现在已经相当成熟。
目前已经在航空、宇航、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。
微操作机器人技术在生物医学工程、光学工程、航空航天等领域发挥的作用越来越大,这其中也少不了柔性铰链的功劳。
瑞士的微技术研究机构研制了专门用于高精密度机器人的柔性铰链机械结构,并提出用柔性铰链取代传统机器人驱动器使用的滑动轴承和滚珠轴承,从而改善机器人的精度;
德国、美国、日本和芬兰等国也都研制出了全柔性空间机器人机构;
我国柔性机器人研究也取得了重要成果,南开大学和北京航空航天大学的“面向生物工程的微操作机器人系统”都能进行转基因注射等显微操作实验[8-9]。
(2)微机电系统(MEMS)
MEMS产品都有较高的精度要求,而传统机构中摩擦和间隙是不可同时避免的,全柔顺机构可以避免摩擦和间隙,同时还减少了装配时间和费用,特别适合于MEMS的设计。
由于尺寸效应的影响,使得MEMS产品受非线性表面力的影响比传统意义上的产品要大,采用柔顺机构设计可以避免这种非线性造成的不利影响。
而且,随着尺寸的减小,柔顺机构的一些特性也就越能充分体现,如双稳态特性和定常力特性。
BYU大学利用双稳态特性研制出了各种微型开关、微型阀等等;
利用其定常力特性可以研制出用于特殊用途的夹具、连接装置等。
宾夕法尼亚大学的Ananthasuresh教授还设计出了一些微型夹钳。
(3)其他应用
BYU大学在柔顺机构的研究方面取得了重大成就,他们研制的自行车车闸、变速器、平面弹簧、离心离合器、溢流离合器等多个研究成果都申请了专利,部分已投入使用。
还有密歇根大学Kota教授设计的挡风玻璃擦拭器,该擦拭器单片设计,不需装配,可靠性高,经济耐用。
Kota教授还和Kikuchi教授正在研究将柔性机构应用到飞机机翼的设计上,以降低重量和复杂性、降低能耗、提高可控性等。
6.总结:
柔顺机构是机构学中一个新的研究领域,在过去的二十年中,柔顺机构得到了快速的发展,但是还存在着许多需要解决的问题。
到目前为止所取得的成果大多集中在运动学、结构设计和优化等方面,对其动力学特性和疲劳强度的分析还比较少,研究方法也不成熟。
应通过有效的手段简化其动力学分析方法,建立更加准确的动力学模型,改善其动力学特性,提高操作精度,并对其进行疲劳强度分析和疲劳寿命设计,以保证正常的工作寿命。
同时,柔顺机构的实
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