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多外力柔性微动机构输出位移求解方法

宫金良 贾国朋 张彦斐

宫金良, 贾国朋, 张彦斐等 . 多外力柔性微动机构输出位移求解方法[J]. 北京亚洲成人在线一二三四五六区学报, 2018, 44(3): 429-436. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0219
引用本文: 宫金良, 贾国朋, 张彦斐等 . 多外力柔性微动机构输出位移求解方法[J]. 北京亚洲成人在线一二三四五六区学报, 2018, 44(3): 429-436. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0219
GONG Jinliang, JIA Guopeng, ZHANG Yanfeiet al. Method for output displacement solving of compliant micro-motion mechanism with multi-input forces[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(3): 429-436. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0219(in Chinese)
Citation: GONG Jinliang, JIA Guopeng, ZHANG Yanfeiet al. Method for output displacement solving of compliant micro-motion mechanism with multi-input forces[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(3): 429-436. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0219(in Chinese)

多外力柔性微动机构输出位移求解方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0219
基金项目: 

国家自然科学基金 61303006

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金 BS2012ZZ009

详细信息
    作者简介:

    宫金良  男, 博士, 副教授。主要研究方向:并联机器人分析与设计理论

    贾国朋  男, 硕士研究生。主要研究方向:微动机构的性能分析与结构优化

    张彦斐  女,博士,副教授。主要研究方向:并联机器人分析与设计理论

    通讯作者:

    张彦斐. E-mail: 88659258@qq.com

  • 中图分类号: TH112.5

Method for output displacement solving of compliant micro-motion mechanism with multi-input forces

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61303006

the Research Award Fund for Outstanding Young Scholars of Shandong Province BS2012ZZ009

More Information
  • 摘要:

    对于单个外力作用下的微动机构,柔度描述了外力与其输出位移之间的关系,是影响微动机构动态性能和精度的重要性能指标。对于多个外力作用下的情况,与之相对应的是微动机构输出位移与其多外力间的关系式。为求解该关系式,采用了柔度矩阵和刚体运动规律相结合的方法。首先,对整体进行单元划分,并求解结构中各柔性单元的端点位移与端点力之间的关系式;然后,根据各单元间的结构关系求解各不同单元端点力或端点位移间的叠加和协调关系式;最后,综合所有求得的关系式整理出输出位移与外力之间的关系式。运用该方法求解了一种微动夹持器的工作端位移,并与有限元分析软件的计算结果进行了对比。研究结果表明:该方法具有普遍适用性以及可靠的精度,能够用于一般微动机构的性能分析与优化。应用MATLAB软件对求得的关系式进行分析,获得了结构参数优化所需的理论依据。

     

  • 图 1  矩形杆单元

    Figure 1.  Square bar element

    图 2  柔性铰链单元

    Figure 2.  Compliant hinge element

    图 3  三连杆串联支链

    Figure 3.  Serial chain of three bars

    图 4  微动夹持器结构模型

    Figure 4.  Structural model of micro-motion gripper

    图 5  微动夹持器参数模型

    Figure 5.  Parameterized model of micro-motion gripper

    图 6  微动夹持器力学模型

    Figure 6.  Mechanical model of micro-motion gripper

    图 7  单元3结构

    Figure 7.  Structure of Element 3

    图 8  单元6结构

    Figure 8.  Structure of Element 6

    图 9  单元8和单元9的串联支链结构

    Figure 9.  Structure of series chain of Element 8 and 9

    图 10  单元7结构

    Figure 10.  Structure of Element 7

    图 11  微动夹持器有限元网格划分模型

    Figure 11.  Finite element meshing model of micro-motion gripper

    图 12  uIx的理论值与有限元分析值

    Figure 12.  Theoretical analysis and finit element analysis results of uIx

    图 13  uIy的理论值与有限元分析值

    Figure 13.  Theoretical analysis and finit element analysis results of uIy

    图 14  参数α与柔度系数cIx的关系曲线

    Figure 14.  Relation curves of parameter α and compliance coefficient cIx

    图 15  参数α与柔度系数cIy的关系曲线

    Figure 15.  Relation curves of parameter α and compliance coefficient cIy

    表  1  位移uIxuIy的理论值与有限元分析值结果对比

    Table  1.   Comparison of displacement uIx and uIy results between theoretical analysis and finit element analysis

    外力 位移uIy 位移uIx
    F2/N F1/N 理论值/μm 有限元分析值/μm 相对误差/% 理论值/μm 有限元分析值/μm 相对误差/%
    0 10 -1.31 -1.42 7.7 -0.122 -0.132 7.6
    20 -2.62 -2.84 7.7 -0.245 -0.265 7.5
    30 -3.93 -4.27 7.9 -0.367 -0.397 7.6
    40 -5.24 -5.69 7.9 -0.490 -0.530 7.5
    50 -6.56 -7.12 7.8 -0.612 -0.663 7.7
    5 10 0.020 9 0.047 8 56 0.003 75 0.007 45 49
    20 -1.29 -1.37 5.8 -0.119 -0.125 4.8
    30 -2.60 -2.80 7.1 -0.241 -0.258 6.5
    40 -3.91 -4.22 7.3 -0.364 -0.390 6.6
    50 -5.22 -5.65 7.6 -0.486 -0.523 7.1
    10 10 1.34 1.46 8.2 0.132 0.142 7.0
    20 0.041 7 0.095 6 56 0.007 51 0.014 9 49
    30 -1.27 -1.33 4.5 -0.115 -0.118 2.5
    40 -2.58 -2.75 6.2 -0.237 -0.250 5.2
    50 -3.89 -4.17 6.7 -0.360 -0.382 5.7
    15 10 2.68 2.92 8.2 0.256 0.281 8.8
    20 1.37 1.50 8.6 0.134 0.146 8.2
    30 0.062 6 0.143 56 -0.011 3 -0.022 3 49
    40 -1.25 -1.28 2.3 -0.111 -0.110 1.0
    50 -2.56 -2.70 5.2 -0.234 -0.242 3.3
    20 10 4.02 4.38 8.2 0.382 0.418 8.6
    20 2.71 2.97 8.7 0.260 0.284 8.4
    30 1.40 1.53 8.4 0.141 0.154 8.4
    40 0.083 5 0.191 56 0.015 0.029 8 49
    50 -1.23 -1.24 0.8 -0.107 -0.103 3.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-11
  • 录用日期:  2017-05-26
  • 网络出版日期:  2018-03-20

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