提高并联机构刚度的方法研究.pdf

2 0 1 1 年 5月 第 3 9卷 第 9期 机床 与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS M a v 2 01 1 Vo 1 3 9 No 9 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 01 1 0 9 0 0 8 提高并联机构 刚度的方法研 究 梁辉 陈五一 1 青岛科技 大学机 电工程学院 山东青岛 2 6 6 0 6 1 2 北京航 空航天大学机械工程及 自动化学院 北京 1 0 0 1 9 1 摘要 提出一种靠冗余内力提高并联机构刚度的方法 设计 2 D O F驱动冗余验证机构 推导 了位置及速度协调条件 试验结果表明 采用该方法可以提高并联机构的刚度 该研究为改善并联机构刚度提供了参考 关键词 并联机构 刚度 内力 中图分类号 T G 5 0 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 9 0 2 7 2 Re s e a r ch o n t he M e t h o d o f I mpr o v ing S t iffn e s s o f Pa r a lle l M a c h in e To o ls LI ANG Hu i CHEN W u v i 1 C o lle g e o f E le ct r o me ch a n i ca l E n g in e e r in g Q in g d a o U n iv e r s it y o f S cie n ce T e ch n o lo g y Q in g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 6 1 C h in a 2 B e i j in g U n iv e r s i t y o f A e r o n a u t ics a n d A s t r o n a u t i cs B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 C h in a Ab s t r a ct A me t h o d w a s p u t f o r w a r d t h a t t h e in t e r n a l for ce wa s u s e d t o imp r o v e t h e s t if f n e s s o f p a r a lle l ma ch in e t o o ls A 2 一 DOF r e d u n d a n t ly a ct u a t e d p a r a lle l me ch a n is m wa s d e s ig n e d T h e p o s it io n a n d s p e e d h a r mo n io u s co n t r o 1 co n d it io n s we r e d e d u ce d T h e e x p e r in mn t a l r e s ult s s h ow t h a t t his me t h o d ca n be us e d t o imp r o v e t h e s t if f ne s s o f pa r a lle l ma ch in e s Th e r e s e a r ch p r o v ide s fou n da t io n f o r imp r o v in g t h e s t if f n e s s o f p a r a lle l ma ch in e s b y in t e r n a l f o r ce Ke y wo r ds Pa r a lle 1 ma ch in e St iffne s s I n t e r na l f o r c e 并联 机 床具 有 响应 速 度快 适 合 于 复杂 型 面加 工 机床结构 简单 技术附加值高 机床部件便 于模 块化 设计 和批 量生产 等优点 并联机床 的运动 副多数 为铰链 受铰链 的精度 问隙和接触刚性等影 响 并 联机床 的实际精度和刚性大大 降低 冗 余的方法常被用来消 除并联机构 的奇异 改善 动力学性 能 文 献 2 4 提 出靠冗 余 支链 的过 约束提高并联机床 的运动精度 冗余并联 机构 中不可 避免存在 冗余 内力 内力对 刚度 的影 响作 用 尚不 明 确 作者提出了一种靠冗余力提高并联机构刚度的方 法 设计 了一 种 2 D O F驱 动冗 余 机构 并 进 行 了试 验 试验表明该方法对并联机构 的刚度有 一定 改善 1 2 一 D O F冗余驱动并联验证机构及运动学 1 1 结构 该验证机构基 本结构 简图如图 1 所 示 图 2为其 实物 图 该结构 中 杆 5为 固定杆 其上 固定两 台驱动 电 机 分别驱动杆 1 和杆 4 杆 l 的铰链 7处安 装一 台 驱动 电机 驱动杆 2运动 每台 电机上均安装 有传 动 比为 1 0 0 l 的谐波减速器 杆 3上安装 有拉压力传感 器 6 0处为末端执 行端 该机构 为 3驱动 2自由度 平面冗余驱动并联 机构 杆 3 受 力状 况简单 可近似 为仅受轴 向力 传感 器可采用一维力传感器 这就 避 免 了多维 力传感 器的缺点 可方便地实现 系统的力 闭 环控制 一般习惯上将杆2作为冗余杆 将冗余杆控 制设 计为 力控制 方 式 机 构 的运 动 由杆 1和杆 4保 证 杆 2作 为柔顺 运动调整杆 0 图 1 验证机构效果 图 图2 验证机构实物图 1 2位 置及速 度 分析 建 立如图 1 所 示 的坐 标 系 设杆 l 2 3 4的 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 2 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 3 7 5 0 1 0 新乡市科 技发展计 划项 目资助项 目 0 9 G 0 1 0 作者简介 梁辉 1 9 7 l一 男 博士 副教授 硕 士生导 师 主要研究 方 向为先进 加工装备 及控制 技术 并 联运 动机床 E ma il ilia ng hu i 1 2 6 co n 2 8 机床与液压 第 3 9卷 长度分别为 z Z z z 与 轴正 方 向的夹 角分 别 为 0 0 2 0 0 4 固定杆 长 为 z 设末 端点 中心 坐 标为 O x Y 则由固定杆长的约束条件可知 f n c 一 踟 c si n 21 一 I n竹 c 一 踟 si n 一 n z I n竹 c 一 硼 si n i 一 1 其 中 t a r c ta n z a rc ta n ar c t a n X c l 5 一 I I co s O l y o l1 co s O 1一 s in O 一 l 5一 4 C O S 0 4 y J 4 co s O 1 一 一 1 5 s i n 0 Y 一I is i n 0 1 Y cl1 co s 0 l s in 0 I y f一 4 s i n O 4 y cl4 co s O l一 一 1 5 s in 0 可得 杆间的速度协调条件 j j y o 2 s i n O 夕 3 2试验 2 1 试验机 构结构参数 试 验机构的基本结构如 图 1 所示 参数 如表 1所 示 表 1 机构参数和边界条件 连杆 1 m m 1 5 0 连杆 5 m m 4 0 0 连杆 2 m m 1 5 0 杆 1 运动范 围 0 1 0 0 连杆 3 mm 1 5 0 杆 4运动范围 8 0 1 8 0 连杆 4 m m 1 5 0 杆 2运动范 围 一 5 0 2 3 0 2 2刚度 实验 刚度测量 示意 图 如图 3 所示 试 验步 骤 1 机 构 无 内力 时 在 机 构末 端 点 分 别 施 加 一 作用 力 F 当 F分 别 为 2 0 4 0 7 0 N 时 通 过末 端 点 数 显 干 分 图 3 刚度测量示意图 表观测机构变形量 d 2 当杆 3上有 2 0 N的 内力 时 在机 构末 端点 分 别 施 加 2 O 4 0 7 0 N作用 力 分别 观测机构变形量 3 当杆 3上有 4 0 N 的内力 时 在机构末端点分别施加 2 O 4 0 7 0 N作用力 分别 观测机构 变 形量 其 刚度测 量 示意 图如 图 3所 示 测量结 果如表 2所示 表 2 刚度测量结果表 杆3内力 0 N 杆3内力F 3 2 0 N杆 3 内力 F 3 4 0 N 载荷 变形量 刚j F 变形量 刚度 变形量 刚度 N m E N I 1 m m N mI 1 m m N tu n 一 由表 2可知 去除载荷为 2 0 N的测量结果 当机 构各杆无 内力时 系统沿 Y向的刚度为 0 0 7 8 5 N p x n 当杆 3的 内 力 为 2 0 N 时 机 构 沿 Y向 的 刚 度 为 0 4 5 3 1 N m 当杆 3的 内力 为 4 0 N时 机 构 沿 向的刚度为 0 6 5 0 8 N p m 可以看到 当机构具有 内力 时 系统的刚度提高 了一个数量级 当系统 内力 不同时 机构的刚度在 同一个 数量 级 的范 围内变化 因此一定的 内力可 以有效地提高 系统 的刚度 系统 内 力在增大 的过程 中 机 构 的刚度也 会有 一定 的提高 但提高不是很 明显 在实 际运动 中要优化驱动力 减 小内力对机构的影响 因此在实际运动中要使内力保 持在较小 的范围内 同时可以提高系统的刚度 3 试验总结 1 力控 制 系统 的作用 力控 制 系统 可 以有效 地实现机构的柔顺控制 同时当内力过大时起到保护 作用 可以保证机 构具 有一定的 内力 2 刚度 内力 对 刚度 有 一定 影 响 由前 面 的 分析可知 当没有间隙时 机构的刚度在有无内力改 变时是非常小的 因此内力提高刚度的原因是间隙的 作用 当内力足够大时大幅度提高刚度的可能性就比 较小 了 内力越大对系统 的影响就越大 因此为提高 刚度 要适 当具有 内力但 不要 过大 如果没 有 内力 实际应用中间隙的随机性使得机构 的刚度变化不可 控 因此必须保证可控 的内力 机构刚度才能有所提 高 参考文献 1 沈辉 吴学忠 刘冠峰 等 冗余驱动并联机械手的混合 位置 力自适应控制 J 自动化学报 2 0 0 3 1 2 9 1 4 5 6 7 5 72 2 韩先国 陈五一 郭卫东 采用冗余驱动提高并联机床精 度的研究 J 航空学报 2 0 0 2 2 3 5 4 8 7 4 9 0 3 梁辉 白志富 陈五一 冗余约束减小间隙对并联机构精 度的影响 J 组合机床与 自动化技术 2 0 0 6 2 1 6 1 8 下转第 3 2页 3 2 机床与液压 第 3 9卷 图 6为小车受变负载 和路 面摩擦力 时 WH M 的驱 动模型 图 6 WHM驱动模型 变负载及路面摩擦力 在 3种工况下 分别 研究 WH M 输 出力 F 加速 度 a 速度 行程 S 等动态参数 得其动态特性曲 线 图 7是 WH M输 出力 F与 时间 t 的关 系 曲线 图 中 F 分 别 为 工 况 1 工 况 2 工 况 3时 WH M 的输 出力 F 该 曲线大概 可分 为 4段 在开 始 工作 后约在 0 0 0 2 S 即达到最 大值 随后 出现拐 点 输 出力与 时间关 系呈 线性 下 降 到 t 0 0 2 5 S 左 右 曲线下 降趋 于平缓 约 在 t 0 1 0 5 S 又开 始线 性 下 降 图 8是 WH M加 速度 C t 与 时间 t 的关 系 曲线 图 其中n C t o 分别对应工况 1 工况 2 工况 3时 的加速度 C t 由图易知该 曲线 也可分为 4段 约在t 0 0 0 2 S 时即达 到最大 值 随后 出现 拐点 曲线呈 线 性下降 在 t 0 0 2 5 S 左右时下降开始趋于平缓 约 在 t 0 1 0 5 S 后又开始快速下降 l 000 8 0 0 Z 6 0 0 400 2 0 0 0 0 0 0 4 0 0 8 0 1 2 0 1 6 t s 图7 输出力 F与 时间t 的关系 20 0 150 100 50 暑 O 一50 100 1S0 200 0 0 0 4 0 0 8 0 1 2 0 1 6 t s 图 8 加速度 与 时间 t 的关系 图 9是 WHM速 度 与时 间 t 的关 系 曲线 图 中 分 别对 应工况 1 工 况 2及 工况 3时 的速 度 液压 仿生 人 工 肌 肉速 度 与 时 间 的关 系 曲线 开 始呈 线性上 升 约 在 t 0 0 3 0 S 后 趋 于平缓 约在 t 0 1 2 5 S 后 开始 呈线 性 下 降 整 个 位 移 曲线 呈 驼 峰状 图 l0是 WH M行程 s 与时间 t 的关 系曲线 图 中 s s s 分别对应工况 1 工况 2 及工况 3时的行程 S 液压仿生人 工肌 肉行程 与时 间 的关 系 曲线 开始 时 缓慢 上升 约在 t 0 0 0 2 S 后 开始 呈 线性 上升 在 t 0 0 4 0 S左 右 后 曲 线 开 始 趋 于 平 缓 约 在 t 0 1 0 5 S 后又快速上升 7 6 5 4 三3 2 l 0 0 0 04 0 0 8 0 1 2 0 16 t ls 图 9 速度 与时 间 t 的关系 1 4 l2 l0 8 6 4 2 0 0 0 04 0 O8 0 1 2 0 1 6 t ls 图 1 0 行程 s 与时 间 t 的关 系 液压 泵工作时 产生 0 3 M P a 输 出压力 打开开 关后 WH M充人液体收缩 瞬间产生很大的输出力 F 方向与恒定外负载 F 和摩擦力 方向相反 输 出力随时间减小 小车先加速运动后减速停车 从仿 真 图线可 以看 出其变化趋势 的一致性 4结论 1 在充液压力一定 的情况 下 WH M 位移收 缩 的最终位 置主要 由外负载决定 惯性负载影响较小 2 WH M驱动 系统 的执行速 度较快 3 3 种 不 同工况 下 WH M驱 动系统 的动态 变 化规律很相似 说明 WH M驱动 系统的动态特性 主要 由WH M的驱动特性决定 外部工况参数对系统的影 响相对较小 参考文献 1 范伟 彭光正 黄雨 气动人工肌肉驱动器的研究现状及 发展趋势 J 机床与液压 2 0 0 3 2 3 2 3 6 2 柯尊荣 李晓辉 一种新型绿色液压执行器 水压人工肌 肉 J 液压与气动 2 0 0 8 6 1 3 3 K E Z u r t r o n g Z H U Y u q u a n L I X u a n N e w H y d r a u li c A ct u a t o r s P o s i t i o n S e r v o C o n o l S t r a t e g y J C h in e s e J o u r n al o f Me ch a n i ca l E n g i n e e r i n g 2 0 0 7 2 0 5 4 6 5 3 4 刘军 气动人工肌肉静动态特性研究 D 武汉 华中科 技大学 2 0 0 3 4 5