基于COSMOS的并联微动机构设计

    
    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1．065 45，而尼龙的最低安全系数为5．355 85，远比1060合金安全．从应力图解可知：尼龙铰链的最大应力为2．596×107 N／m2。屈服力为1．390×108 N／m2；1060合金铰链的最大应力为2．588N 107 N／m2，屈服力为2．757×107 N／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
   
    初选柔性铰链的3种尺寸组合：t=1mm，r=2.5 mm；t=2mm，r=2.5 mm；t=l mm，r=3 mm．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4(a)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4(a)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4(c)组合：t=1·mm。r=3mm．
   
    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．