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柔顺机构设计探析及探究 　　摘要：在柔顺机构的设计过程中，经常会面临多项性能之间的权衡。我们可以在材料的选择上、减小挠弯单元的截面惯性矩、增加挠弯或氛围单元的长度和将若干个柔性单元串联起来来解决这个权衡，最终综合出自己的柔顺机构 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. 关键词：柔顺机构；机构建模；机械变形 Key words： compliant mechanism；mechanism modeling；mechanical deformation 中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0133-02 0 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?B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 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