柔性机构简介

柔性机构简介

四川大学(成都　610065)　余　波　姚　进　薛　江

摘要　“柔性机构”是一种通过弹性变形而产生大量机械运动的易弯曲机构,它适用于微观领域。它无摩擦力,无后座冲力,且易于制造。与刚性机构相比,优点相当明显,并且比那些依赖弯曲能力的机构(如单一支架、隔板)有更广泛的用途。对一给定任务,柔性机构的配合是由机构的外型所决定的。特别是拓朴结构、尺寸和形状提供了按规定方式变形所需的能力。柔性机构的设计包括应用机构的拓朴结构、形状和尺寸。迄今为止,还未有一种系统方法能综合分析这里所讲的柔性机构。一些科学家尝试了各种手段来构造这种机构。

关键词　柔性机构;微电子机械系统;均分式弹力;全柔性机构;分布式柔性机构;部分柔性机构;拓朴结构 微电子机械系统(ME MS )

的机械和电子组件是由单一的过程装配在一起的,但是,

在这两种组件的设计和装配的自动化方面存在着不平衡现象。总的来说,按照典型的“从功能到装配”的方式来自动化地设计微电子线路并不困难。在此过程中,机械组件要达到相同的自动化程度则要困难得多。为了完全自动化地设计和装配ME MS ,以获得较好的经济效益,因此像微电子线路那样对微型机械设计过程开发恰当结构就很有必要。但传统的机械结构是由刚性绞链连接组成的,它不能满足这点及以下这些微观领域内的要求:①消除装配需要;②把全部机构限制在同一平面的一个或两个

层内;③减轻摩擦的不利影响。

全柔性机构

(一种能够全面弯曲的机械)能满足以上所有的要求,并且具有系统综合的潜能。目前研究的焦点在于该机械的综合方面及寻找系统的研究方法。当这种方法发展成熟时,我们能够根据所提供功能的详细叙述,完成具有足够信息的装配解决方案。

1　柔性微电子机械系统

柔性机构根据外加载荷通过弹性变形提供动力,图1、图2就是一些柔性机构,均分式弹力是这些机构最显著的特征。

图1　柔性夹具

图2　柔性弯曲机构

与图1、图2所示的柔性机构相比,图3称作全柔性机

构,它具有弹性接点。而图4称为部分柔性机构,因为它们既包括含柔性构件,也包括刚性构件。但是,只有当人们利用了分布式柔性机构之后,才能完全认识到它的全部潜能。

图3　具有接点的全柔性机构

图4　部分柔性机构由于柔性机构的整体结构没有刚性连接(绞链、滑动等),并且摩擦力的影响减到最少(即使未能完全消除摩擦力),因而它特别适用于微型机构。消除装配需求是它的一个显著特征。此外,疲劳、反冲、润滑问题也得以缓和。由于这些机构具有弹性,因而他们很容易与非机械作用相结合。柔性机构自身具有弹性,因而不需要附加弹簧来恢复机构到原始位置。在机构内它也可能与传感器相结合。由于这些优点,柔性机构在微型物体的控制机械操作方面具有巨大的潜在应用。

2　柔性机构连接产品的综合

近年来,人们提出了一种依赖于刚体组织的柔性机构的综合方法。这种方法是运动学与欧拉理论结合的产物。Sal 2

arnon 对具有特殊用途的刚性结构开发了一种新的设计过

程,从而获得了用薄型的、柔性构件替代刚性构件的临时模型。刚体的这种弹性描述是基于假想的刚体机构为模型的。即接合部分用转动弹簧来替换,连接物用直弹簧来替换。该过程的最后一步是通过设计弹性接点来替代柔性结构,使它

达到完善值。通过不断综合直到获得满意答案为停止,但是这一过程只适用于具有接点的柔性机构。

(下转第32页)

一块,C NC 供电系统组成。组成系统的各板卡均为工业常用标准板卡,其功能和工作原理不做赘述。系统数控单元外部连接简图见图2

。

图2　数控单元外部连接简图经济型圆柱曲面石材切机

212　系统软件

经济型圆柱曲面石材切机数控系统的系统软件不但包含了普通C NC 系统的所有功能,该数控系统软件其优点在于以工业IPC 机为基本硬件支持环境,以Windows 操作系统为软件支持环境的开放式数控系统软件平台,提供了一个方便的二次开发环境,能供不同的数控系统灵活配置、使用,并提供了一种标准风格的软件界面。

213　经济型圆柱曲面石材切机数控系统的程序编制和动态

模拟仿真

除了刀盘转动外,所有数控系统软件的编制均符合普通

C NC 系统规定的编程方式。

动态模拟仿真功能有两个作用:一个是检查加工程序有无语法错误;另一个是检查加工的路径是否正确合理、是否符合加工工艺的要求。如果加工程序不符合加工工艺的要

求,可以直接返回上一层平台进行修改,操作十分简便。

214　经济型圆柱曲面石材切机数控系统的主要技术参数

加工石材工件的最大直径300mm 加工石材工件的最大长度1500mm 主轴转速192r Πmin ,240r Πmin 主轴电机功率15kW

金刚石锯片主轴电机功率715kW 金刚石锯片主轴转速1400r Πmin 金刚石锯片直径300mm 横向进给速度2mm Πs

横向进给步进电机扭矩22N Πm 纵向进给速度0.2mm Πs 纵向进给步进电机扭矩28N Πm

机床最大尺寸长×宽×高:3000mm ×1600mm ×1400mm

3　系统的多用途

由于机床夹盘系统中增设了一套辅助夹盘,在工作量不饱满时,根据实际情况系统可作为板材切割机使用。其基本做法是辅助夹盘将石板材水平固定,尾架拆下,溜板移至机床尾端,即可进行板材的切割。

4　结论

经济型石材切机数控系统的优点在于以工业IPC 机为基本硬件、以Windows 操作系统为软件支持环境的开放式数控系统,便于二次开发,能供不同的数控系统灵活配置、使用,并提供了一种标准风格的软件界面。石材加工厂商可以根据资金情况灵活配置适用于本厂的数控系统。从其良好的性能价格比而言,市场前景极为广阔,极具推广价值。

(上接第30页)

3　利用分布式柔性对全柔性机构进行结构完善的方法

正如刚性连接是为特殊的刚体运动所设计的那样,用分布式柔性对全柔性机构的综合详细描述了对指定倾斜装置的设计结构。在柔性机构中,功能行为(如所需的弹性变形)是物质实体的拓朴结构、形状、尺寸的直接结果,这三种特性一起提供了实体在外载荷下变形及所需的运动的本质能力。因此拓朴结构、形状、尺寸决定了该实体是否是柔性结构。所以结构设计和柔性的综合互相联系起来是完全可能的,大量有关结构的最佳设计知识可以用来综合柔性机构,然而,这两问题并不能等同。在结构的实例中,虽然最佳的拓朴将有助于最佳地利用材料,但是拓朴结构不是功能最关键的因素。

4　柔性机构的执行规则

功能行为是设计全柔性机构的最初目标。这意味着对

一给定载荷及可变的设计领域,这种方法将产生合适的结构。因此,柔性机构将产生所需的倾斜。但是,完全可能具有大量的能够满足的功能行为的结构,为了易于与它的替换解决方案相对比,有必要具有某些准则。除了功能行为,可以认为以下的措施既具有微观应用又具有宏观应用:①机械利益;②物质的体积、重量;③柔性;④可承受的压力极限;⑤可接受的疲劳强度;⑥避免弯曲现是否妨碍了机构的功能;⑦限制不同点的局部倾斜;⑧尺寸和空间限制;⑨高速操作环境下的适用的动力特征;⑩人体工程学和审美学。

可以看出在以上列出的条款中只有一些影响特殊用途机构的选择。也不可能定量某种规则,因此,它也不能轻易地合入综合程序,在发展的这一阶段。在综合程序中我们仅仅同意前三种规划,其余的被用在过去的分析阶段来精练特殊需求的解决方法。总之,柔性机构还具有许多潜在的用途,其理论研究与应用开发仍处于不断的探索中。