3—RPS柔性并聯(lián)定位機構(gòu)運動學(xué)分析與仿真

孟彩茹等

摘 要：對具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯(lián)定位機構(gòu)進行了運動學(xué)分析及仿真。首先，以3-RPS并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ)，將機構(gòu)中的運動副用柔性鉸鏈代替，研制了一臺具有三自由度的精密定位機構(gòu)；其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺等效為偽剛體模型，利用齊次坐標(biāo)變換方法和矢量閉環(huán)方法構(gòu)建其逆運動學(xué)模型；最后，利用軟件RecurDyn進行仿真分析，測量出其位移與速度隨時間的變化曲線進行驗證。結(jié)果表明所建立的機構(gòu)理論模型合理，且機構(gòu)具有良好的運動學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：柔性并聯(lián)機構(gòu)；偽剛體模型；運動學(xué)

引言

隨著納米技術(shù)的興起與迅猛發(fā)展，具有高分辨率和高精度的超精密定位機構(gòu)在近代科學(xué)的研究領(lǐng)域以及尖端工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著越來越重要的角色，它的各項技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為各國高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

運動學(xué)分析是機械系統(tǒng)分析中的首要問題。并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析主要包括求解機構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置、速度以及加速度的關(guān)系[2]。全柔性機構(gòu)的首要目標(biāo)就是精確實現(xiàn)所需的運動，因此對其運動學(xué)的研究在機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位[3]。

1 機構(gòu)描述

如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯(lián)定位機構(gòu)的仿真模型。該機構(gòu)的定平臺與動平臺通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅(qū)動器位于三個平行板式柔性鉸鏈中，通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動與之相連的桿件進行運動，從而達到驅(qū)動整個柔性并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)空間運動的目的。

2 建立偽剛體模型及分析

普渡大學(xué)的Her I為了體系化的研究柔性機構(gòu)問題，提出了“偽剛體模型”的概念，該方法是將柔性桿與柔性運動副等效簡化為相應(yīng)的剛性桿、剛性運動副所組成的純剛性模型，再利用剛性體結(jié)構(gòu)學(xué)及運動學(xué)對機構(gòu)進行分析和綜合[4]。

2.1 機構(gòu)自由度計算

2.2 運動學(xué)逆解分析

用封閉向量表示，如圖3所示

2.3 速度分析

3 基于RecurDyn的運動學(xué)仿真

3.1 基于ANSYS創(chuàng)建*.rfi文件

在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：

（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實體模型，將其導(dǎo)入ANSYS里，選擇求解精度較高的Solid45單元，它是一種高階單元，適于各種較復(fù)雜的實體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料，這里均采用45號鋼，在ANSYS中對應(yīng)的材料彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。最后進行網(wǎng)格劃分。

3.2 基于RFlex進行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真

4 結(jié)束語

（1）對該機構(gòu)建立了“偽剛體模型”，并對其進行了運動學(xué)求解，建立了逆解、速度模型，在此基礎(chǔ)上，對該機構(gòu)進行運動學(xué)仿真分析。（2）利用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件RecurDyn提供的RFlex方法對機構(gòu)進行運動學(xué)仿真。在仿真結(jié)束后，測量出了各支鏈的位移，速度的數(shù)據(jù)和曲線。為該柔性并聯(lián)定位機構(gòu)的后續(xù)研發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]黃真，孔令富，方躍法.并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設(shè)備的精密定位工作臺的設(shè)計方法與實驗[D].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

[4]楊啟志，馬履中，謝俊，等.三平移全柔性并聯(lián)微動機器人機構(gòu)靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（11）：110-113.

作者簡介：孟彩茹（1980-），女，河北省無極人，講師，博士，主要從事工程機械開發(fā)與應(yīng)用以及機電系統(tǒng)計算機技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。endprint

摘 要：對具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯(lián)定位機構(gòu)進行了運動學(xué)分析及仿真。首先，以3-RPS并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ)，將機構(gòu)中的運動副用柔性鉸鏈代替，研制了一臺具有三自由度的精密定位機構(gòu)；其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺等效為偽剛體模型，利用齊次坐標(biāo)變換方法和矢量閉環(huán)方法構(gòu)建其逆運動學(xué)模型；最后，利用軟件RecurDyn進行仿真分析，測量出其位移與速度隨時間的變化曲線進行驗證。結(jié)果表明所建立的機構(gòu)理論模型合理，且機構(gòu)具有良好的運動學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：柔性并聯(lián)機構(gòu)；偽剛體模型；運動學(xué)

引言

隨著納米技術(shù)的興起與迅猛發(fā)展，具有高分辨率和高精度的超精密定位機構(gòu)在近代科學(xué)的研究領(lǐng)域以及尖端工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著越來越重要的角色，它的各項技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為各國高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

運動學(xué)分析是機械系統(tǒng)分析中的首要問題。并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析主要包括求解機構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置、速度以及加速度的關(guān)系[2]。全柔性機構(gòu)的首要目標(biāo)就是精確實現(xiàn)所需的運動，因此對其運動學(xué)的研究在機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位[3]。

1 機構(gòu)描述

如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯(lián)定位機構(gòu)的仿真模型。該機構(gòu)的定平臺與動平臺通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅(qū)動器位于三個平行板式柔性鉸鏈中，通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動與之相連的桿件進行運動，從而達到驅(qū)動整個柔性并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)空間運動的目的。

2 建立偽剛體模型及分析

普渡大學(xué)的Her I為了體系化的研究柔性機構(gòu)問題，提出了“偽剛體模型”的概念，該方法是將柔性桿與柔性運動副等效簡化為相應(yīng)的剛性桿、剛性運動副所組成的純剛性模型，再利用剛性體結(jié)構(gòu)學(xué)及運動學(xué)對機構(gòu)進行分析和綜合[4]。

2.1 機構(gòu)自由度計算

2.2 運動學(xué)逆解分析

用封閉向量表示，如圖3所示

2.3 速度分析

3 基于RecurDyn的運動學(xué)仿真

3.1 基于ANSYS創(chuàng)建*.rfi文件

在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：

（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實體模型，將其導(dǎo)入ANSYS里，選擇求解精度較高的Solid45單元，它是一種高階單元，適于各種較復(fù)雜的實體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料，這里均采用45號鋼，在ANSYS中對應(yīng)的材料彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。最后進行網(wǎng)格劃分。

3.2 基于RFlex進行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真

4 結(jié)束語

（1）對該機構(gòu)建立了“偽剛體模型”，并對其進行了運動學(xué)求解，建立了逆解、速度模型，在此基礎(chǔ)上，對該機構(gòu)進行運動學(xué)仿真分析。（2）利用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件RecurDyn提供的RFlex方法對機構(gòu)進行運動學(xué)仿真。在仿真結(jié)束后，測量出了各支鏈的位移，速度的數(shù)據(jù)和曲線。為該柔性并聯(lián)定位機構(gòu)的后續(xù)研發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]黃真，孔令富，方躍法.并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設(shè)備的精密定位工作臺的設(shè)計方法與實驗[D].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

[4]楊啟志，馬履中，謝俊，等.三平移全柔性并聯(lián)微動機器人機構(gòu)靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（11）：110-113.

作者簡介：孟彩茹（1980-），女，河北省無極人，講師，博士，主要從事工程機械開發(fā)與應(yīng)用以及機電系統(tǒng)計算機技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。endprint

摘 要：對具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯(lián)定位機構(gòu)進行了運動學(xué)分析及仿真。首先，以3-RPS并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ)，將機構(gòu)中的運動副用柔性鉸鏈代替，研制了一臺具有三自由度的精密定位機構(gòu)；其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺等效為偽剛體模型，利用齊次坐標(biāo)變換方法和矢量閉環(huán)方法構(gòu)建其逆運動學(xué)模型；最后，利用軟件RecurDyn進行仿真分析，測量出其位移與速度隨時間的變化曲線進行驗證。結(jié)果表明所建立的機構(gòu)理論模型合理，且機構(gòu)具有良好的運動學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：柔性并聯(lián)機構(gòu)；偽剛體模型；運動學(xué)

引言

隨著納米技術(shù)的興起與迅猛發(fā)展，具有高分辨率和高精度的超精密定位機構(gòu)在近代科學(xué)的研究領(lǐng)域以及尖端工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著越來越重要的角色，它的各項技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為各國高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

運動學(xué)分析是機械系統(tǒng)分析中的首要問題。并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析主要包括求解機構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置、速度以及加速度的關(guān)系[2]。全柔性機構(gòu)的首要目標(biāo)就是精確實現(xiàn)所需的運動，因此對其運動學(xué)的研究在機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位[3]。

1 機構(gòu)描述

如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯(lián)定位機構(gòu)的仿真模型。該機構(gòu)的定平臺與動平臺通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅(qū)動器位于三個平行板式柔性鉸鏈中，通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動與之相連的桿件進行運動，從而達到驅(qū)動整個柔性并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)空間運動的目的。

2 建立偽剛體模型及分析

普渡大學(xué)的Her I為了體系化的研究柔性機構(gòu)問題，提出了“偽剛體模型”的概念，該方法是將柔性桿與柔性運動副等效簡化為相應(yīng)的剛性桿、剛性運動副所組成的純剛性模型，再利用剛性體結(jié)構(gòu)學(xué)及運動學(xué)對機構(gòu)進行分析和綜合[4]。

2.1 機構(gòu)自由度計算

2.2 運動學(xué)逆解分析

用封閉向量表示，如圖3所示

2.3 速度分析

3 基于RecurDyn的運動學(xué)仿真

3.1 基于ANSYS創(chuàng)建*.rfi文件

在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：

（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實體模型，將其導(dǎo)入ANSYS里，選擇求解精度較高的Solid45單元，它是一種高階單元，適于各種較復(fù)雜的實體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料，這里均采用45號鋼，在ANSYS中對應(yīng)的材料彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。最后進行網(wǎng)格劃分。

3.2 基于RFlex進行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真

4 結(jié)束語

（1）對該機構(gòu)建立了“偽剛體模型”，并對其進行了運動學(xué)求解，建立了逆解、速度模型，在此基礎(chǔ)上，對該機構(gòu)進行運動學(xué)仿真分析。（2）利用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件RecurDyn提供的RFlex方法對機構(gòu)進行運動學(xué)仿真。在仿真結(jié)束后，測量出了各支鏈的位移，速度的數(shù)據(jù)和曲線。為該柔性并聯(lián)定位機構(gòu)的后續(xù)研發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]黃真，孔令富，方躍法.并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設(shè)備的精密定位工作臺的設(shè)計方法與實驗[D].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

[4]楊啟志，馬履中，謝俊，等.三平移全柔性并聯(lián)微動機器人機構(gòu)靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（11）：110-113.

作者簡介：孟彩茹（1980-），女，河北省無極人，講師，博士，主要從事工程機械開發(fā)與應(yīng)用以及機電系統(tǒng)計算機技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。endprint