基于COSMOS的并联微动机构设计

    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

    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t=2 mm，r=3 mm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．

    由位移图解可得：柔性球铰的最大位移为0．00478 mm，直圆柔性铰链的最大位移仅为0．00258 mm，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．