柔性变胞机构分析与设计

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1、第一章绪论传统机构学以运动副连接刚性构件为特点，其研究成果极大地促进了科学技术和工业生产的发展。随着科技进步，人类设计制造的机械设备有的需用于宇宙空间，有的要在深海作业，有的小到能沿血管爬行，有的又是庞然大物，有的速度数倍于声速，有的又要作微米级甚至纳米级的微位移，如此等等。这些工作环境对现代机械提出了苛刻的要求，而刚性机构在上述要求下会暴露出诸如摩擦、振动、装配等问题。机构是机械产品的核心和载体，新机构的发明和发现以及相关的理论体系的完善可以使人类设计的机械设备满足更高的要求。自然界中很多结构都是刚性和柔性兼具的，在需要的地方，大自然使用刚性结构来实现支撑等作

2、用，如树干、骨骼、牙齿等；在生物体中则依赖柔性结构来实现高效率的能量转换，如蜜蜂翅膀，图1．1所示的鸟翼、鱼鳍等。借鉴大自然中这些结构的优点，设计一些柔性的机械结构，可以延长使用寿命和简化制造过程，获得比传统刚性机构更好的性能。柔性机构Ⅲ就是机构设计中利用柔性构件来降低成本和提高性能的一种途径。图1．1生物体的柔性结构1．1柔性机构简介机构是用来传递与转换运动、力和能量的机械装置乜1。传统的刚性机构由运动副连接刚性构件组成，图1．2所示的扁嘴钳就是一个例子。它通过刚性构件以及连接他们的运动副将能量从输入端传递到输出端，实现夹持等功能。图1．2扁嘴钳【1l与刚性机

3、构不同，由美国学者Midha在1987年提出的柔性机构主要依靠机构中柔性构件的变形来实现机构的主要运动和功能，同样能实现运动、力和能量的柔性变胞机构研究与设计传递和转换，也称为柔性结构或柔顺机构n3。我们可以通过机构中是否含有柔性构件来判断一个机构是否为柔性机构。图1．3(a)中的水杯含有的柔性铰链和图1．3(b)中的弩弓含有的柔性梁均为柔性构件，因此它们都属于柔性机构的范畴。(a)(b)图1．3柔性机构实例：(a)塑料水杯(b)弩弓柔性机构积极地利用柔性构件的变形来改善和提高机构的性能，这使得它在结构上很少或者没有运动副，因此构件数目比传统机构要少得多。但是不

4、同的柔性机构有不同的特点，比如有些柔性机构含有刚性构件和刚性运动副，有些却没有。所以，根据材料的连续性和柔性机构中是否包含刚性构件和刚性运动副，柔性机构可分为全柔性机构和部分柔性机构⋯。顾名思义，部分柔性机构既含有柔性铰链或柔性杆，也含有刚性运动副和刚性构件，机构的变形依靠刚性运动副、刚性构件以及柔性铰链、柔性杆共同实现；全柔性机构指的是全部为一体的、没有刚性铰链的机构，机构的弹性变形散布于整个机构之中，其运动的传递完全依靠各个柔性铰链和柔性杆的弹性变形来实现。根据机构中柔性构件形式的不同，全柔性机构可以分为集中式柔度全柔性机构(1umpedcompliance

5、compliantmechanism，简称LCCM)和分布式柔度全柔性机构(distributedcompliancecompliantmechanism，简称DCCM)。前者的弹性变形只发生在某一局部范围的柔性铰链处，而后者的弹性变形则相对均匀地分布在整个构件中，柔性机构的分类具体如图1．4所示。莱性机构图1．4柔性机构的分类》楚、睽孽～秘渤第一章绪论集中式柔度全柔性机构由于变形主要集中在柔性铰链处，不可避免地会产生应力集．中现象，其柔性铰链处通常是机构受到破坏而产生失效的地方，柔性铰链的选择与设计是整个机构设计的关键。相对于集中式柔度全柔性机构，分布式柔度全

6、柔性机构的应力在构件上均匀分布，避免了应力集中现象。但是，也正因为其变形在整个构件上分布，机构在工作过程中产生的应变能会储存在构件中，从而导致机构的能量传递效率很低。另外，柔性机构在运动过程中柔性部分要发生弹性变形，所以，有一部分能量会以弹性势能的形式储存在机构中，这会使机构输入端的能量比输出端的能量大。当去掉输入端的力或力矩时，机构在恢复变形的过程中会将储存的弹性势能进行释放。这样柔性机构按力一位移性质也可分为柔性多稳态机构D1、恒力机构H11、柔性静态平衡机构阶踟等。由于在结构上减少甚至没有了运动副，柔顺机构在构件数目上就比传统机构要少得多，由此带来的直接效

7、益就是大大减少了机构的重量以及加工、安装的时间及费用。同时，它大大减少了机构中的间隙、摩擦、磨损及润滑等复杂问题，从而可以提高机构精度、增加可靠性、减少维护等。所以，柔顺机构在降低成本和提高性能这两方面比传统机构有明显的优势⋯。比较如图1．5(a)所示的超越离合器u¨及图1．5(b)所示的相应刚性离合器的零件，可以看出柔性机构相对于刚性机构具有较少的零件数目，因而具有减少加工装配的时间以及降低生产成本的优点。另外，柔性机构在运动过程中可以储存能量，在一些场合可视作储能原件使用，而且撤去输入端的负载，机构会恢复原形时释放能量，可以利用这种性质得到特定性能的机构。例

8、如，图1．6所示的柔顺双