微運動柔性并聯平臺的仿真分析與設計*

2018-09-11 02:09:24高兆康候富龍

傳感器與微系統 2018年9期

高兆康, 候富龍

(1.中南大學機電工程學院, 湖南長沙 410083; 2.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室, 湖南長沙 410083)

0 引言

相對于傳統運動副,柔性鉸鏈具有無摩擦、無間隙、高精度等特點[1]。由于在光電子封裝[2]中空間較小,因此,需要在滿足柔性并聯平臺行程的條件下,實現平臺結構的最優化。柔性鉸鏈的變形對平臺行程有重要的影響,為了滿足平臺性能的要求,柔性鉸鏈的材料選擇為鈹青銅[3],外形選擇為啞鈴狀[4]。由于六軸并聯平臺的剛性高,在光電子封裝中受力較小,因此,本文忽略支鏈結構對平臺剛度的影響,主要分析支鏈結構對平臺行程的影響。

國內外關于柔性并聯平臺行程計算主要是依靠其運動學的計算[5]。董為通過對平臺的鉸鏈、連桿進行建模,并利用神經網絡的方法進行迭代得到運動模型,計算精確,但前期的結構設計過于復雜[6,7]。矯杰利用MATLAB建模仿真得到平臺的行程,用剛性球鉸代替柔性鉸鏈,忽略了柔性鉸鏈在運動中的變形,會產生近20 %的誤差[8]。

上述研究中,大部分未考慮支鏈角度與平臺行程的對應關系。為此本文提出了一種聯合仿真的方法,通過在ADAMS軟件中施加力,得到各支鏈協調運動數據,并將數據導入ANSYS軟件中,判斷運動過程中柔性鉸鏈的應力是否達到極限,以獲得平臺的最大行程。并通過此方法,在建模仿真中改變支鏈的角度,實現結構最優化。

1 柔性并聯平臺行程分析

1.1 柔性并聯平臺結構

設計的六自由度柔性并聯平臺結構如圖1所示。

圖1 柔性并聯平臺的結構示意

平臺有6個支鏈,每個支鏈由上下2個柔性鉸鏈和中間的連桿組成,底部有6個電機通過導軌分別與柔性鉸鏈相連,其中電機3,6位于y軸方向上,電機1,2,4,5平行于x軸。電機只直線運動,擬選用的電機為Nanomotion公司的HR4系列壓電陶瓷電機,最大的連續推力為16 N。柔性并聯平臺的結構參數和材料如表1所示。

表1 柔性并聯平臺結構參數

1.2 柔性并聯平臺的動力學仿真

參考對Stewart并聯機器人的控制[9],對平臺模型中支鏈3,6的電機均施加水平y軸方向16 N力,時間為0.002 s,其余的電機不施加力,可以在x軸方向自由運動。通過ADAMS仿真,可以得到各個電機在0.002 s內的運動情況,如圖2所示。

圖2 并聯平臺各電機協調運動位移

1.3 柔性并聯平臺的力學仿真

在ADAMS中施加電機最大推力,將平臺的運動數據導入到ANSYS中,獲得鉸鏈的最大應力σmax,通過判斷柔性鉸鏈所受應力是否達到鈹青銅的屈服強度σs(1 035 MPa),得到動平臺的最大行程:若σmax>σs,代入下一時刻數據；否則,取上一時刻位移為最大行程。

在ANSYS仿真中,柔性鉸鏈的應力隨著時間的增大而增大。在1.080 ms時,應力接近最大值1 034.9 MPa,動平臺在y軸方向達到的最大行程為0.725 7 mm,各個電機的運動情況如表2所示。

表2 1.080 ms時各個電機的位移 mm

同理,對支鏈1,2,4,5的滑塊施加水平平行于x軸的16 N的力,電機3,6不施加力,時間為0.002 s。按照上述步驟,得到動平臺在x軸方向的最大行程為0.791 0 mm。

2 支鏈夾角對動平臺行程的影響分析

支鏈的角度對并聯機器人工作空間有較大的影響,本文通過改變支鏈夾角來驗證其與動平臺行程的關系,由于支鏈夾角不易測量,采用與其正相關的支鏈在定平臺投影的夾角α代替,如圖3所示。為了避免裝配時電機、光柵尺的干涉,只對支鏈投影夾角分別取40°,45°,50°,55°,60°進行建模[10]。

將ADAMS中得到的10個電機協調運動的數據導入ANSYS中進行力學分析,判斷在柔性鉸鏈的彈性允許的范圍內的y軸方向的最大行程,同理得到x軸方向,其結果如圖4所示。動平臺的最大行程隨著角度的增大而減小,電機1,2,4,5的位移絕對值隨著角度的增大而增大,電機3,6的位移絕對值隨著角度的增大而減小。相對于y軸方向,角度的變化對x軸方向的最大行程影響很小。綜合考慮平臺模型支鏈投影夾角選擇為40°。