基于電致動(dòng)材料的平面四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

翟 華 ，黃兆凱 ，楊露露 ，胡 穎

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

在鍛壓裝備送料系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，平面連桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用最廣泛且最基本的機(jī)構(gòu)[1]。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減??；制造方便，易獲得較高的精度。因此，平面連桿機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械、儀表和機(jī)電產(chǎn)品中。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：一般情況下，只能近似實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往較多，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合[2]。

考慮到四桿機(jī)構(gòu)的不足，針對(duì)上述軌跡無法完全擬合、慣性力難以平衡等缺點(diǎn)[3-5]，使用一種電致動(dòng)聚合物材料進(jìn)行補(bǔ)償。電致動(dòng)聚合物材料是一種新興材料[6]，給該材料電壓控制，能夠彎曲變形[7]，是一種新型的致動(dòng)材料[8]。將其應(yīng)用到傳統(tǒng)四桿機(jī)構(gòu)中，在四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行彎曲補(bǔ)償。因此搭建基于電致動(dòng)材料的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)軌跡擬合問題有很大意義，能夠直接得到四桿機(jī)構(gòu)的擬合軌跡，驗(yàn)證該軌跡擬合方法的可行性以及計(jì)算過程的正確性，評(píng)估四桿機(jī)構(gòu)軌跡擬合方法的正確與否。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

基于電致動(dòng)材料的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理如圖1所示，其中曲柄AB桿長(zhǎng)為a、連桿BC桿長(zhǎng)為b、搖桿CD桿長(zhǎng)為c、機(jī)架AD桿長(zhǎng)為d，桿EF表示電致動(dòng)材料桿，未通電時(shí)在EF位置，通電后根據(jù)電壓大小旋轉(zhuǎn)dα的角度至EF′處。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由兩模塊組成，一部分四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊，另外一部分為電致動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)模塊，下面分別進(jìn)行說明。

圖1 使用電致動(dòng)材料四桿機(jī)構(gòu)模型

1.1 四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊

四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本尺寸為480mm×380mm×300mm。四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊主要由機(jī)架、四桿機(jī)構(gòu)桿件以及電機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中，機(jī)架主要由鋁型材以及角件構(gòu)成，四桿機(jī)構(gòu)桿件由45號(hào)鋼制成。如圖2所示，為已安裝好的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行軌跡捕捉。

圖2 四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、JLINK、24V電源、STM32mini板組成。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為兩相四線42BYG。在PC上使用Keil uVision5進(jìn)行編程，完成發(fā)脈沖程序。如圖3所示。

1.2 電致動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)模塊

電致動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)模塊主要由電致動(dòng)材料與可編程電源組成。其中，電致動(dòng)材料只有當(dāng)材料兩端電壓改變時(shí)，材料才會(huì)彎曲。而材料兩端的電壓的改變，可以通過可編程電源進(jìn)行控制，如圖4所示，其型號(hào)為KA3005P。與可編程電源配套的是一款控制軟件KA3005P，由圖4可見該軟件的控制界面，界面左邊表格為預(yù)設(shè)的每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的電壓與電流值，右邊為正負(fù)極輸出實(shí)際的電壓與電流值圖形。

圖4 可編程電源及配套軟件

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成之后，需要進(jìn)行測(cè)試。本文中用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)使用電致動(dòng)材料的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行軌跡測(cè)試，選取了兩組擬合直線的例子，通過實(shí)驗(yàn)繪制其實(shí)際軌跡，這里目標(biāo)軌跡都為直線。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，可以得到四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)視頻，追蹤連桿末端F點(diǎn)，得到其實(shí)際軌跡形狀如圖5所示。

圖5 含EAP材料四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)軌跡

通過實(shí)驗(yàn)可以得到使用電致動(dòng)材料后的四桿機(jī)構(gòu)軌跡情況，方便帶有電致動(dòng)材料的四桿機(jī)構(gòu)軌跡研究。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于電致動(dòng)材料的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)λ臈U機(jī)構(gòu)的軌跡問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。能夠得到四桿機(jī)構(gòu)全為剛性桿時(shí)的實(shí)際軌跡，從而驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性。使用電致動(dòng)材料進(jìn)行直線軌跡擬合實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)際軌跡，從而發(fā)現(xiàn)使用電致動(dòng)材料對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的軌跡擬合問題是有很大幫助的。