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1、第26卷第4期机械设计Vo.l26No.42009年4月JOURNALOFMACHINEDESIGNApr.2009*柔性构件和柔性机构自由度分析夏尊凤,许焰(长沙学院机电工程系,湖南长沙410003)摘要:柔性机构由刚性构件、刚性铰链、柔性构件和柔性铰链4个元素组成,4个元素的不同组合可以得到11种不同类型的柔性机构。文中分析了其中5种常用的结构形式与特征。柔性构件的自由度及其变形规律在机构功能中起重要作用,它们是几何特性、材料特性和载荷特性的函数。在分析柔性构件自由度的基础上,给出了柔性机构的自由度计算公式,并用实例进行了验算。关键词:柔性机构;柔性构件;自由度计算中图分类号
2、:TH122文献标识码:A文章编号:1001-2354(2009)04-0051-03机构和机器人等的微型化是目前机械领域的重要方向之柔性运动副代替了全部传统意义上的刚性运动副,构件仍然是一。柔性机构广泛应用于微型并联机器人、微机电系统刚性构件,其分析和设计方法可以采用伪刚体模型法,该方(MEMS)、微传感器、微定位机械、微操作机械等。柔性机构是法的设计和分析精度能满足工程应用要求。一种通过机构组成元素的弹性变形输出运动或力的机构,其自第2种是刚性铰链+刚性构件+柔性构件,如图1b所示。由度的多少不仅与组成机构构件的多少和运动副的种类有关,其特征是刚性构件和刚性铰链仍然存在,只是
3、其中的某个刚性也与柔性构件的变形或柔性运动副的变形有关。构件被柔性构件替代,没有柔性铰链,柔性构件参与变形,输出柔性机构中柔性元素的变形与机构所受外力(矩)的大小运动和动力,柔性构件的自由度形式和变形大小对机构功能起和方位相关,因此它的运动很大程度上取决于作用力(矩)的大重要作用。小和方位。柔性机构是一种变自由度机构,国内外许多学者已第3种是柔性铰链+刚性铰链+柔性构件+刚性构件,如对柔性机构的自由度计算做了许多研究,但公式应用仍然很复图1c所示。其特征是刚性构件、柔性构件、刚性铰链、柔性铰链杂[1~4]。同时存在,柔性构件和柔性铰链的自由度形式和变形大小对机在文中,首先分析了柔性机构的结构型
4、式和特点,然后在构功能起关键作用。分析柔性构件自由度的基础上,给出了适于工程应用的柔性机第4种是刚性构件+柔性构件,如图1d所示。其特征是没构自由度的计算公式。有刚性铰链和柔性铰链,在刚性构件上施力,利用柔性构件的大变形完成机构功能,若采用伪刚体模型法对此类机构进行分析,会产生较大误差。1柔性机构的结构型式与特点第5种是结构式全柔性机构,即分布柔度柔性机构。它没有刚性构件和刚性铰链,只有柔性构件和柔性铰链。在外力的现有研究资料将柔性机构分为部分柔性机构和全柔性机[5,6]作用下,任何一个柔性构件都可能参与变形而产生自由度,柔构两种。部分柔性机构是既含有柔性构件或(和)柔性运动性构件与柔性构
5、件之间的柔性铰链连接也可能参与变形而产副又含有刚性构件或(和)刚性运动副的机构。全柔性机构不生自由度。这类机构已演变成一种结构,其柔度分布于整个结含刚性运动副,全部由柔性构件或(和)柔性运动副组成。全构中,如图1e所示。柔性机构又包括两种:一种是具有集中柔度的全柔性机构(LCCM),其特征是用柔性运动副代替了全部传统意义上的刚性运动副,存在刚性构件;另一种是具有分布柔度的全柔性机构(DCCM),其特征是整个机构中并无任何运动副存在,其柔性全部分布在整个机构中。不同型式的柔性机构,其运动的产生(变形)机理不同。即便是同一柔性机构,若作用力(矩)的大小和方位不同,其自由度也不相同。为了更详细
6、地分析各类柔性机构的自由度,可以把柔性机构的型式分得更细一点。柔性构件、柔性铰链、刚性构件、刚性铰链是组成柔性机构的4种元素,根据排列组合,共有15种形式,工程实际应用上有11种,下面所述的是其中常用的5种。第1种是柔性铰链+刚性构件,如图1a所示。其特征是用图1柔性机构型式*收稿日期:2008-07-16;修订日期:2008-11-27基金项目:湖南省科技厅资助项目(06FJ3175)作者简介:夏尊凤(1966-),女,湖南澧县人,副教授,硕士,研究方向:机构学、CAX及相关技术,发表论文20余篇。52机械设计第26卷第4期如图4b所示,柔性杆在P的作用下产生弯曲变形,存在弯2柔性
7、构件自由度种类及分析曲自由度,在F的作用下产生拉伸变形,存在轴向移动自由度,共有2个自由度,其端部的位移为两个运动的合成,水平力产生在上述柔性机构中,柔性构件的自由度和变形规律在机构的变形为F提供一个力臂。功能中起重要的作用,所以有必要对柔性构件的自由度进行分F1=Fcos析。F2=Fsin笔者认为在机构中参与了变形的构件即为柔性构件。柔x方向位移为:性构件的柔性自由度有3种类型。如图2a所示
