基于COSMOS的并联微动机构设计.doc

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1、基于COSMOS的并联微动机构设计发表时间：2008-12-17作者：罗漪菁*李丽*余明浪来源：万方数据关键字：柔性较链磁致伸缩作动器并联徽动机构SolidWorksCO随着操作对象的口益微小化，微动机构在生物技术、微创医疗、激光制导、光纤对接等精细操作领域发挥着越来越重要的作用.为了适应纳米级精度的超精密加T需要，微动机构的体积需要进一步减小、结构需要进一步紧凑.运动副的问隙和摩擦成为影响机构精度的两个主要因素.针对这个问题对微动机构进行了柔性设计，将原有机构屮的运动副全部用相对应的柔性较链來替代，无间隙、无摩擦的柔性较链是靠材料的弹性变形来实现微小的、等效的运

2、动.借助有限元分析软件COSMOS对整个机构的关键部件一柔性钱链和驱动支杆进行有限元分析，获得修正和优化设计所需的信息.1基于COSMOSXpress的柔性较链设计SolidWorks为用户提供了初步的应力分析工具--COSMOSxpress,它可以判断目前设计的柔性较链能否承受实际工作环境下的载荷.这不仅依赖于餃链采用的材料，而且还依赖于它的外形结构和尺寸大小.COSMOSXpress可以计算饺链的应力、应变和位移，其快速仿真能力避免了昂贵的实际测试，以最短的时间达到最优化设计.并联微动机构通过柔性较链的弹性变形实现丁作台的运动,较链作为主要的运动副对机构的整体

3、性能影响很大，因此柔性餃链的选择和设计是整个柔性设计的关键.利用有限元分析软件COSMOSXpress,结合饺链强度、刚度、工作台动态特性等条件，合理设计柔性饺链的结构和尺寸，选择合适的较链材料.1・1铉链构型的选取柔性饺链的结构有很多种形式，最常用也是最基木的形式是绕一个轴弹性弯曲，即单轴柔性较链.初选两种单轴柔性较链一柔性球较（圆形截血较链）和育圆柔性较链（矩形截血较链）.通过有限元分析软件COSMOSXpress,分析材料为铝合金，最小厚度t和切割半径r的尺寸为t二2mm,r二3min的两种不同截面较链在最大受力下的位移和变形情况，如图1和2所示.(3)位移

4、图解*亠(b)变形图解图1柔性球铉分析图解Fig,1Thediagramofsphericalflexiblehin^enorV(a)位移图解(b)变形图解图2直圆柔性钱链分析图解FI&2Thediagnunofrightcircularflexibkhit诫ors由位移图解可得：柔性球餃的最大位移为0・00478mm,育圆柔性枝链的最大位移仅为0.00258mm,说明柔性球饺的运动范围大于氏圆柔性饺链.理想的柔性饺链要求其在工作方向上的刚度要小，其他方向上的刚度要大.从变形图解可知，柔性球较在工作方向上的刚度远小于肓圆柔性较链，非工作方向的刚度很大.所以与育圆柔

5、性较链相比，柔性球较可以增大较链功能方向上的变形，减小非功能方向上的拉压扭转变形.虽然柔性球饺和頁圆柔性饺链都能满足微动机构的使用要求，但是柔性球饺可以绕任意轴转动，转动灵活性比较好，而直圆柔性较链不仅转动灵活性较差，整体质量和体积也大于柔性球较.微动机构对餃链的尺寸和体积的微型化提出了很高的要求，使川柔性球较的微动机构易于实现微型化，符合设计要求.因此选用截血为圆形的柔性球狡.1.2餃链材料的选取材料选择上，为了达到要求的行稈，柔性较链的变形是首先要考虑的，较为理想的弹性材料有披青铜、钛合金、弹簧钢等.初选两种校链材料一尼龙和1060合金.通过有限元分析软件CO

6、SMOSXpress,分析尺寸为t二2mm,r=3mm的两种材料较链在最大受力下的应力分布情况，如图3所示.(a)尼龙枝琏(b)I()60合金絞链图3喫性铁链应力分析图解Fig.3ThediagramofstressofflexiblehiitgHWfS第一个分析结果是安全系数，该系数是材料的屈服强度与实际应力的比值.COSMOSXpress使用嚴大等量应力标准来计算安全系数•当等量应力达到材料的屈服强度时，材料开始屈服.在相同受力条件下，1060合金的最低安全系数为1.06545,而尼龙的最低安全系数为5.35585,远比1060合金安全.从应力图解可知：尼龙较

7、链的最大应力为2.596X107N/m2o屈服力为1.390X108N/m2；1060合金较链的最大应力为2・588N107N/m2,屈服力为2.757X107N/m2.说明两种材料的最大应力都小于许用应力，满足强度条件.(a)/=Imm.r2・5mmmm:4J81xlOmax:1,602*10柔性较链作为机构的运动副，是靠材料的弹性变形来实现微小的运动.欲使柔性较链产生较大的变形，从材料的角度出发就要有较大的强度极限与弹性模最比.为了增大柔性较链的运动范囤，在满足强度要求的前提下，弹性模量E越大越好.但是兼顾到工作台的动态性能，选择了弹性模量E较小的尼龙作为饺链

8、的材料.(