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基于COSMOS的并联微动机构设计毕业论文.doc

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基于COSMOS的并联微动机构设计毕业论文.doc

www.yanziedu.comwww.yanziedu.com基于COSMOS的并联微动机构设计发表时间20081217作者罗漪菁李丽余明浪来源万方数据关键字柔性铰链磁致伸缩作动器并联徽动机构SolidWorksCO随着操作对象的日益微小化,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工需要,微动机构的体积需要进一步减小、结构需要进一步紧凑.运动副的间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,将原有机构中的运动副全部用相对应的柔性铰链来替代,无间隙、无摩擦的柔性铰链是靠材料的弹性变形来实现微小的、等效的运动.借助有限元分析软件COSMOS对整个机构的关键部件柔性铰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的柔性铰链设计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铰链能否承受实际工作环境下的载荷.这不仅依赖于铰链采用的材料,而且还依赖于它的外形结构和尺寸大小.COSMOSXpress可以计算铰链的应力、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铰链的弹性变形实现工作台的运动,铰链作为主要的运动副对机构的整体性能影响很大,因此柔性铰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,结合铰链强度、刚度、工作台动态特性等条件,合理设计柔性铰链的结构和尺寸,选择合适的铰链材料.1.1铰链构型的选取柔性铰链的结构有很多种形式,最常用也是最基本的形式是绕一个轴弹性弯曲,即单轴柔性铰链.初选两种单轴柔性铰链柔性球铰圆形截面铰链和直圆柔性铰链矩形截面铰链.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t2mm,r3mm的两种不同截面铰链在最大受力下的位移和变形情况,如图l和2所示.www.yanziedu.comwww.yanziedu.com由位移图解可得柔性球铰的最大位移为0.00478mm,直圆柔性铰链的最大位移仅为0.00258mm,说明柔性球铰的运动范围大于直圆柔性铰链.理想的柔性铰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,柔性球铰在工作方向上的刚度远小于直圆柔性铰链,非工作方向的刚度很大.所以与直圆柔性铰链相比,柔性球铰可以增大铰链功能方向上的变形,减小非功能方向上的拉压扭转变形.虽然柔性球铰和直圆柔性铰链都能满足微动机构的使用要求,但是柔性球铰可以绕任意轴转动,转动灵活性比较好,而直圆柔性铰链不仅转动灵活性较差,整体质量和体积也大于柔性球铰.微动机构对铰链的尺寸和体积的微型化提出了很高的要求,使用柔性球铰的微动机构易于实现微型化,符合设计要求.因此选用截面为圆形的柔性球铰.1.2铰链材料的选取材料选择上,为了达到要求的行程,柔性铰链的变形是首先要考虑的,较为理想的弹性材料有铍青铜、钛合金、弹簧钢等.初选两种铰链材料一尼龙和1060合金.通过有限元分析软件COSMOSXpress,分析尺寸为t2mm,r3mm的两种材料铰链在最大受力下的应力分布情况,如图3所示.www.yanziedu.comwww.yanziedu.com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使用最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铰链的最大应力为2.596107N/m2。屈服力为1.390108N/m21060合金铰链的最大应力为2.588N107N/m2,屈服力为2.757107N/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.柔性铰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.欲使柔性铰链产生较大的变形,从材料的角度出发就要有较大的强度极限与弹性模量比.为了增大柔性铰链的运动范围,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较小的尼龙作为铰链的材料.1.3铰链尺寸的选取www.yanziedu.comwww.yanziedu.com初选柔性铰链的3种尺寸组合t1mm,r2.5mmt2mm,r2.5mmtlmm,r3mm.通过有限元分析软件COSM0SXpress,分析3种t和r组合的柔性铰链的应力分布情况.选项中设置在应力图解中为最大和最小值显示注解,如图4所示.比较图4a和b,发现当柔性铰链的半径不变,厚度发生变化时,其最大应力发生了很大的变化.而保持厚度不变,改变铰链的半径,如图4a和c,发现铰链的最大应力没有明显的变化.由应力图解可知柔性铰链最小厚度的变化对铰链特性影响最显著,而切割半径相对影响较.在并联微动机构的设计过程中,动平台需要具有良好的动态特性,为了保证运动的稳定性,动平台应具有足够的刚度,因此铰链的刚度应尽量大.但是作为一种应用于超精密加工领域的机构,为了实现传动的高灵敏度和高分辨率,在保证动平台刚度的前提下,应适当减小柔性铰链的最小厚度,增大铰链的切割半径.注意最小厚度t不能过小,这样会导致铰链不能承受较大或频繁交变的载荷,导致部件失效甚至断裂.在结合设计要求和有限元分析的前提下,选择图4c组合t1mm。r3mm.2驱动支杆的设计和有限元分析2.1驱动支杆的设计目前应用精度达到纳米级以上的微动机构大多采用基于压电陶瓷材料的驱动元件,但是其输出功率低,而且由于采用叠片结构容易产生漂移现象新型超磁致伸缩材料TbDyFe具有输出力大、位移分辨率高及位移范围大等特点,且结构简单,不存在蠕变及漂移.作动器由磁致伸缩棒、永磁铁套桶、轭铁及弹性钢片等组成.磁致伸缩棒在激励磁场的作用下产生变形,实现微量位移.在导出杆部分套上作动器的外壳,杆向力主要由磁致伸缩棒承受,其他的力由作动器外壳承受.2.2基于COSMOSWorks的支杆有限元分析动平台的运动范围是由超磁致伸缩作动器的伸缩量决定,从而获得纳米级的高精度运动.为了使动平台具有较好的动态特性和较高的固有频率,利用有限元分析软件COSMOSWorks对支杆模型进行频率分析.COSMOSXpress仅支持对固态单实体零件的分析,不支持对装配体、表面模型或多实体零件的分析.COSMOSWorks使用SRAC公司开发的当今世上最快的有限元分析算法快速有限元算法FFE,能够提供分析广泛的分析工具去检验和分析复杂零件和装配体,包含COSMOSXpress在内的更多高级分析功能.支杆由超磁致伸缩材料做成的作动器及两端的柔性球铰构成,用SolidWorks建立三维模型,如图5所示,整个支杆模型用空间梁单元来模拟.

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