基于ANSYS的3-RRR柔顺并联机构的特性分析-论文.pdf

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1、·122·科技论坛基于ANSYS的3-RRR柔顺并联机构的特性分析胡卫华胡俊峰徐贵阳(江西理工大学机电工程学院，江西赣州3410001摘要：为了研究3-RRR柔顺并联机构的性能，分别对其刚度、运动学、温度影响分析、模态分析和谐响应分析。采用有限元软件ANSYS对其特性进行比较分析，分析结果可得如下结论：机构能实现3个自由度运动，并且各个输入端对输出位移的影响不同；温度对机构的输出位移有较大影响，而且温度对其输出位移的关系是线性的；从机构的前3阶振型可知，机构能实现3自由度运动；从谐响应分析结果可知，输出位移都是在接近于固有频率的地方有最大值，但不同输入端在不同频率段对各个方向位移作用不同

2、。关键词：3一RRR；柔顺并联机构；温度影响；谐响应分析；模态分析1概述近年来，面向生物工程、医学工程以及微加工等领域的—塞_!微操作机器人技术受到国内外的广泛关注[1-3]，发展速度极坠茎快，已被应用于实现细胞的注射和分割，微机电产品的加工固姜和装配和微外科手术等领域，为此，要求微操作机器人具有——无摩擦、无间隙、响应快、结构紧凑、刚性好以及误差积累小等特点。柔顺并联机构作为微操作机器人机构，可以充分发挥其自身特点：机构紧凑、重量轻、刚性好、工作空间不大、运动精度高，在三维空间的微小运动精度可以达到亚微米甚至是纳米的分辨率。柔顺并联机构在微操作机器人领域中有着广阔应用前景。本文采用有限

3、元法对3-RRR柔顺并联机构的静态和动态性能进行分析，以认识其性能特征。3-RRR平面柔顺并联机构示意图如图1所示，它是由3个RRR运动支链组成，各个运动关节为案性铰链，可以实现动平台和方向的平动及绕轴的转动。驱动端为压电陶瓷驱动器作用位置。对于柔顺并联机构而言，柔性铰链的选择与设计是整个机构设计的关键。采用正圆形柔性铰链作为机构的运动副，其结构尺寸如温度／o(2图2所示，／=5mm、b=15mm、t=Q5mm。由于柔顺机构依靠材料的弹性变形产生运动，这种变形的大小受到材料许用应力的限制，而图3温度对×方向位移的影响许用应力的大小又直接与材料的疲劳强度有关，则材料需要有较长的疲劳寿命才可

4、能正常地执行其功能。所以，模型材料选用弹簧钢，其弹性模量为211GPa，泊松比为0．28。采用有限元软件ANSYS对定位平台进行分析其性能。为了提高计算精度，平台有限元模型采用二次实体单元Solid95。如图1所示的平台的运动支链结构参数‘=12mm、厶=50mm、厶=12mm。刚度是设计和评价柔顺机构的定位精度的一项重要指标，刚度为柔度的倒数，柔度定义表示其输入力与输出位移之间关系矩阵关系式『U1l，，，‰l『]U。IUJI1【，‰，‰，‰ll‰I(1)，，，‰J【‰J。式中，向量lUUUJ3个分量分别表示x、Y方向上的位移和一’luUluuU4O温度，。C绕z轴转动角度，If：表示施

5、加在如图1所示的驱动端1、2．和3的输人力。图5温度对Z方向转角的影响根据式(1)表示的柔度的定义关系式，应用软件ANSYS获得柔度矩阵的过程为：①分别在输入端施加F-=[100】、：=[0101、输出位移之间的关系，反映机构输入位移与输出位移之间关系的表F曲=t001~②测量输出端的位移，则可以得到相应的柔度矩阵的某一达式可写为lI1-，劬1．，2J劬3ll1Il一0．12-0．11-0．03lU。=lUI=J。￡，i=lJoy,．mlmJ劬u．m2I(3)C。‰=l0．02o．150．08l(2)【uJ【-，血l‘，．in2抽3l【u_m3Jl0．11—0．66—3．71l其中，式(

6、2)得出的位移单位为，转角单位为，由式(2)可知机构同理，根据雅可比矩阵的定义关系式，应用软件ANSYS获得雅输入与输出之间相互影响，其中输入端3对转角影响最大。可比矩阵的过程为：①分别在载荷端施加单位位移(1m)；②测量动平台中心的位移，则可以得到相应的雅可比矩阵的某一列元素，则柔顺并联机构的运动特性采用雅可比矩阵反映其输入位移与可得出4种构型的机构的雅可比矩阵分别如下：项目基金：国家自然科学基金资助项目(No．51265Ol6)；江西省教育厅科技项目(No．GJJ12358)；江西省科学基金资助项目(No20122BAB216029)，江西理工大学科研基金项目(No．jxxj1205

7、0)作者简介：胡卫华，男，助理程师，研究方向：柔顺机构及振动控制。