基于COSMOS的并联微动机构设计

    
    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．
   

    建立了有限元分析模型后，通过COS：MOSWorks分析支杆的固有频率和振型，频率数设置为5.前5阶固有频率见表一。
   
    3 整体刚度分析和安全校核
   
    3．1整体设计与装配
   
    并联微动机构的运动副是材料为尼龙，尺寸为t=1mm，r=3 mm的柔性球铰；磁致伸缩驱动器的最大行程为45ηm，最大输出力为1 800 N，取每支杆上下端铰链中心杆长L为85mm；取上平台直径为120 mm，厚度为5 mm，下平台直径为200 mm．运用SolidWorks建立三维模型后进行装配．
   
    并联微动机构主要由上下平台、弹性支杆、柔性铰链组成．将下平台作为整个机构的固定参考件，插入柔性铰链、弹性支杆及上平台时，均将其定义为相对于固定参考件的活动零件．除"同轴"、"重合"、"相切"等基本操作外，还利用SolidWorks中的"干涉检查"这一工具对6根支杆进行干涉检查．
   
    3．2 基于SolidWorks的整体有限元分析
   
    并联微动机构希望其工作空间满足以下要求：X轴最大行程≥士0．04 mm；Y轴最大行程≥±0．04 mm；Z轴最大行程≥±0．015 mm机构在受到杆件驱动，铰链传动后产生相应的变化，要确定这些变化对工作可靠性产生的影响，必须设定一个安全系数来界定．考虑零件的材料、工作的实际情况等因素，要求安全系数大于2．
   

    采用COSMOSworks进行整体刚度分析和安全校核．有限元分析程序将整个模型视为一个网状物，这个网是由离散的相互连接在一起的单元构成的．精确的有限元结果很大程度上依赖于网格的质量．对于需要精确计算的局部位置，采用加密网格可以得到比较好的结果．柔性铰链的最小厚度处容易发生应力集中及疲劳折断，在网格划分时对此处进行细分，整体有限元模型如图6所示．
    
    COSMOSworks除了以图解的形式表达有限元结果，还可以将结果以数值的形式表示．动平台的运动结果如表2所示，同时还可计算出对应的刚度和安全系数．
   

    由分析结果可知，X轴最大运动范围为±0．054 mm；Y轴最大运动范围为±0．057 mm；Z轴最大运动范围为±0．017mm，均达到设计指标．并联微动机构的法向刚度远大于切向刚度，法向安全系数足够大，虽然切向安全系数接近安全下限，整体工作在安全系数规定的范围内．
   

    4 结论
   
    在并联微动机构的设计中，采用柔性铰链来实现无摩擦无间隙的传动，以6个支撑杆件的移动副作为输入，采用磁致伸缩作动器作为支撑杆，同时作为驱动元件．借助SolidWorks虚拟三维设计及装配技术，能提高设计效率，缩短设计周期．运用其内嵌的COSMOSXpress和COSMOSWorks有限元分析处理模块对零部件和装配体进行分析，得到各种有用的参数，指导设计改进．