H型階段的三自由度柔性關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計

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H型階段的三自由度柔性關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計1、摘要三自由度 H 型階段，該階段使用柔性聯(lián)合完成了繞 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運動。利用在 H 型階段 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運動，一個 1 自由度的柔性聯(lián)合被提出來了。擬議中的H 型階段的彎曲關(guān)節(jié)具有較高的離軸剛度，并且對高的對抗強度有足夠的耐久性。通過對板簧剛度進行分析，我們得到了撓曲聯(lián)合六自由度的剛度方程。為了滿足動力性能所需的要求，我們在進行幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的過程中使用了二次編程序列。而優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果就是通過對實際彎曲關(guān)節(jié)的實驗驗證。關(guān)鍵詞H 型階段；彎曲關(guān)節(jié)；6 自由度分析的剛度方程；優(yōu)化設(shè)計；系統(tǒng)模式分析2、介紹因為電腦的出現(xiàn)，信息技術(shù)已在世界上有了顯著的發(fā)展。信息技術(shù)的發(fā)展需要大型和高分辨率的顯示器。遠距離精確定位需要是大型并且高分辨率的顯示器，如液晶顯示器，有機發(fā)光二極管和 PDP。因此，長程階段所需的高推力的性能以及它的精確性和長期性，直接推動了顯示產(chǎn)業(yè)和半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在 H 型階段已普遍采用了精密定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了更大范圍，更精確的精度和更高的推力，特別是完成遠距離的定位。這種定位系統(tǒng)減小了因 Z 軸回轉(zhuǎn)誤差和 X 軸驅(qū)動主導位置誤差而引起的制造誤差和裝配誤差。最近，該單片柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)已被用于指導高精密運動系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)能再很大程度上補償 Z 軸的旋轉(zhuǎn)誤差。有人開發(fā)出了一種無冗余驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸移動平臺。它有差角精度因為它用軸承的旋轉(zhuǎn)接頭。至于他們提到的氯乙烯（聲音的電機）氣靜壓磁浮階段，旋轉(zhuǎn)運動中的 8 個氯乙烯單體模塊被用于納米加工過程中的定位，它有 0.1 個微弧度的精度。在本文中，我們提出了一個使用彎曲關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)誤差補償?shù)?H 型階段。柔性引導機制具有許多優(yōu)點：間隙和摩擦可以忽略不計；無限放大驅(qū)動輸出位移；內(nèi)在的無限分辨率。因此，彎曲關(guān)節(jié)已被用于很多方面，例如顯微系統(tǒng)，平板顯示器過程中的雙驅(qū)動系統(tǒng)。在龍門階段，串聯(lián)直線電機中的柔性彎曲關(guān)節(jié)使 θz 軸旋轉(zhuǎn)。該柔性鉸鏈具有較高的剛度，以保證 H 型階段所需的范圍。由于低剛度組件的出現(xiàn)。為了在 H 型階段不引起不必要的爭議，所以意識到高離軸的彎曲關(guān)節(jié)的僵硬是很重要的。1 旋轉(zhuǎn)自由度有許多彎曲關(guān)節(jié)，最基本的是柔性聯(lián)合缺口型柔性關(guān)節(jié)。由于應力集中圍繞中心支點，缺口型彎曲關(guān)節(jié)具有低的旋轉(zhuǎn)角度。交叉帶柔性關(guān)節(jié)，彎曲軸帶，車輪彎曲增加了柔性關(guān)節(jié)的運動。這些彎曲關(guān)節(jié)的離軸剛度不夠，承受不了高推力。然而，擬議的彎曲關(guān)節(jié)，是一個多約束的結(jié)構(gòu)，可以給予較高的肯定。帕羅和薇絲柏的模型計算了彈簧率單軸柔性鉸鏈機構(gòu)，他們試了許多方法獲得剛度模型的柔性接頭，并且使用六自由度方程制定了一個剛度建模過程中的一個整體柔性系統(tǒng)的撓性接頭。這種方法可用于復雜的柔性系統(tǒng)。但是很難找到建模誤差，計算誤差產(chǎn)生的坐標轉(zhuǎn)換和建模誤差出現(xiàn)在剛度模型的柔性機制中。最近，一個以計算機為基礎(chǔ)的有限元方法已被用于分析彈性、自然頻率、動態(tài)特性于一體的全柔性自動機構(gòu)。在本文中，我們是使用了一個簡單的方法分析了剛度的柔性接頭和剛度的計算方法。我們對彎曲關(guān)節(jié)的改進滿足了所需規(guī)格的 H 型階段的優(yōu)化設(shè)計。使用MATLAB 的序列二次編程，對 Z 軸彎曲關(guān)節(jié)的大小進行了優(yōu)化設(shè)計。進而也對彎曲關(guān)節(jié)的剛度方程和有限元計算結(jié)果進行了驗證。H 型階段的三自由度的系統(tǒng)配置圖 1 顯示的是龍門階段的配置，包括串聯(lián)軸電機和滑塊。該柔性接頭之間的龍門階段和串聯(lián)軸電機使旋轉(zhuǎn)運動的龍門階段的軸?；瑝K和串聯(lián)軸電機采用直線電機作為執(zhí)行機構(gòu)和空氣軸承導軌，通常被用于精密定位系統(tǒng)。在串聯(lián)軸電機中，用磁鐵預機制加強剛度的空氣軸承滑塊作為該系統(tǒng)的指導機制。傳感器位置反饋的是×和 Y 軸光學線性編碼器與納米 12 位插補。圖 1 三維建模的 H 型階段串聯(lián) Y 軸電機分為主動軸和從動軸，主軸（Y1 ）作為 Y 軸運動和 Y 軸運動誤差的參考標準。在 X 軸的平移運動方向上，龍門階段的旋轉(zhuǎn)是圍繞 Z 軸。圖 2 顯示了在 H 型為 Z 轉(zhuǎn)動自由度階段所需的自由。在主軸（ Y1），龍門階段和主軸電機轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)之間實現(xiàn)了 θZ 自由度。在從動軸（ Y2），一個旋轉(zhuǎn)彎曲關(guān)節(jié)允許 X 平移運動。沒有主軸（Y1 ）和龍門階段之間的平移運動。圖 2 H 型階段的自由度分析示意圖平移機構(gòu)是使用直線運動作為指南。LM 導軌，使從動軸電機（ Y2）從龍門階段解耦。目的是為了防止旋轉(zhuǎn)時與空氣軸承階段的 LM 導軌接觸。H 型階段三自由度的柔性關(guān)節(jié)曲聯(lián)合簡介擬議的龍門階段的柔性關(guān)節(jié)是由 Z 軸的 1R 自由度旋轉(zhuǎn)運動來實施的。 圖3 顯示了彎曲關(guān)節(jié)的車輪形狀，盡管該關(guān)節(jié)是一種過約束結(jié)構(gòu)，是由龍門階段中作旋轉(zhuǎn)運動的軸發(fā)生彈性變形而形成的彈簧結(jié)構(gòu)。圖 3 彎曲關(guān)節(jié)的三維建模柔性接頭的剛度對整個機構(gòu)的剛度都會產(chǎn)生影響，它決定了整個動態(tài)的 H型階段。重要的是，離軸剛度的柔性接頭做高精度運動。因此，該曲是適當?shù)膱?zhí)行型階段。由于有較高的離軸剛度，對六自由度的撓性接頭剛度模型進行的優(yōu)化設(shè)計滿足了 H 型階段所需的規(guī)格。六自由度的撓性接頭剛度建模擬議的柔性關(guān)節(jié)在 X 和 Y 軸是對稱的，所以彎曲關(guān)節(jié)遵守對角矩陣式。彎曲關(guān)節(jié)的 6 自由度的剛度方程減少到了四個方程。該柔性接頭是由相同的八片彈簧組成，為了從每個葉片彈簧得出它的剛度模型，有必要分析一個六自由度多的鋼板彈簧。有許多研究確定剛度鋼板彈簧的精確建模，但很難獲得彎曲關(guān)節(jié)全運動范圍的剛度建模。由于復雜的有限元行為。有人分析鋼板彈簧在理想的運動的剛度。導出夾緊鋼板彈簧的六剛度方程遵守矩陣的排列。在上式中 B、L 和 T 是分別是板簧的高度、長度和厚度。 圖 3 中，E 是楊氏模量，G 是剪切模量，K2 是建模系數(shù)（由 B / T 確定）。由六自由度彎曲關(guān)節(jié)方程，我們能通過分析推導出所有的鋼板彈簧的變形。在下一節(jié)中，我們提出了確定 6 自由度的柔性關(guān)節(jié)的剛度方程的方法。圖 4 鋼板彈簧的參數(shù)和定義X 軸平移剛度方程為了方便起見，柔性接頭可分為+形鋼板彈簧和× 形鋼板彈簧，如圖 5 所示。式（3）和式（ 4）代表的是 +形鋼板彈簧式平移剛度和 ×形片鋼板彈簧的方程。(3)(4)其中 E 為楊氏模量，G 是剪切模量，φ 是鋼板彈簧和 X 軸之間的角度。在 X 方向平移剛度（DFX/ DX）的曲聯(lián)合如下面的公式：圖 5 +形鋼板彈簧及×形鋼板彈簧Z 軸的轉(zhuǎn)動剛度當彎曲關(guān)節(jié)繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)時，鋼板彈簧遇到繞 Z 軸的軸向力，正常的力和力矩如式 6。由于所有的力量組件是取消的，正常的力量也為零，所以彎曲關(guān)節(jié)總的軸向力的總和是零，因此，關(guān)于 Z 軸的轉(zhuǎn)動剛度是所有鋼板彈簧在 Z 軸的總和。方程（6 ）是關(guān)于 Z 軸的彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動剛度。(6)其中 RI 是內(nèi)部半徑。圖 6 MZ 的柔性關(guān)節(jié)變形Z 軸的平移剛度Z 軸平移剛度鋼板彈簧是八軸平移運動的柔性接頭。因此，它可以模擬在下列方程式：X 軸轉(zhuǎn)動剛度鋼板彈簧在平面旋轉(zhuǎn)運動中具有復雜的變形。圖 7 顯示了每個鋼板彈簧變形。圖 7 變形彎曲聯(lián)合下 MX（一），彎曲聯(lián)合下一刻 MX（二），鋼板彈簧自由體圖 1， 5（三），鋼板彈簧的自由體圖 2，4 ，6 ，8（四）X 轉(zhuǎn)動剛度的柔性接頭是由三種類型的變形的鋼板彈簧組成。第一個變形是鋼板彈簧 3，鋼板彈簧 7 的扭矩如圖 7。第二個變形如 1，5 ，兩個葉片彈簧的變形的時刻 myl1 和 myl2。第三個變形如 2，4 ，6，8 四個鋼板彈簧，這是受了前兩個變形的影響。式（8）表示 X 軸彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動剛度方程。l 是鋼板的有效長度最大應力彎曲關(guān)節(jié)最大應力發(fā)生在 Z 軸旋轉(zhuǎn)變形的鋼板彈簧的末端位置。方程（9）所示的是彎曲關(guān)節(jié)的最大應力。(9)σmax 是彎曲關(guān)節(jié)的的最大應力，KT 是由 Peterson 和同事提出來的應力集中系數(shù)柔性建模的驗證檢驗柔性關(guān)節(jié)的剛度方程的有效性，它是通過名為臨工程學的有限元程序驗證的。表 1 給出了驗證結(jié)果，柔性關(guān)節(jié)的參數(shù) RI =60 毫米，L =40 毫米，B =30 毫米，t= 2.5 毫米。表 1 所示的是剛度模型驗證結(jié)果Unit Analytic modelFEM simulationError (%)kx N/μm 441.630 416.899 5.6ky N/μm 441.630 416.899 5.6kz N/μm 168.013 148.691 11.5kθx Nm/μrad0.69294 0.60492 12.7kθy Nm/μrad0.69294 0.60492 12.7kθz Nm/μrad0.02497 0.02282 8.6σmax MPa 202.05 221.851 9.8彎曲關(guān)節(jié)的模型顯示了一個合理的預測低于 13％的錯誤的剛度建模。參數(shù)分析要創(chuàng)建的優(yōu)化設(shè)計，一個彎曲的設(shè)計是需要探討如何彎曲關(guān)節(jié)的設(shè)計參數(shù)影響的六自由度的剛度和彎曲關(guān)節(jié)的最大應力參數(shù)分析。參數(shù)分析結(jié)果將確保優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果是合理的。柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計參數(shù)如下：鋼板彈簧高度：B。鋼板彈簧長度：L 厚度的鋼板彈簧：T。體內(nèi)的半徑：R我們通過分析可以推導出彎曲關(guān)節(jié)的靈敏度與設(shè)計參數(shù)的變化。參數(shù)分析的結(jié)果如圖 8 所示。圖 8 彎曲關(guān)節(jié)的參數(shù)分析結(jié)果在設(shè)計圖所示的彎曲關(guān)節(jié)中，柔性關(guān)節(jié)的長度 L 是最敏感的設(shè)計參數(shù)，如上圖8，它是關(guān)于 Z 軸的轉(zhuǎn)動剛度和最大應力圖。設(shè)計參數(shù) b 不影響柔性關(guān)節(jié)的最大壓力如圖 8B 所示。它只影響有關(guān) Z 軸的轉(zhuǎn)動剛度。柔性接頭的優(yōu)化設(shè)計柔性接頭是用來實現(xiàn)補償偏航誤差的運動型裝置，它是通過旋轉(zhuǎn)角度對 H型階段實現(xiàn)補償?shù)摹Ｒ虼?，柔性接頭必須有足夠低的軸轉(zhuǎn)動剛度。在 H 型階段，穩(wěn)定時間取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度。H 型階段的彎曲聯(lián)合設(shè)計在 H 型階段占主要部分，為了獲得所需的柔性關(guān)節(jié)的剛度而不影響 H 型階段所需的規(guī)格，就需要有足夠的旋轉(zhuǎn)剛度和離軸剛度。柔性關(guān)節(jié)設(shè)計變量是L，B， T，和 R。在上一節(jié)中我們對每個設(shè)計變量進行了討論。確定優(yōu)化設(shè)計的成本函數(shù)，以盡量減少對 Z 軸的轉(zhuǎn)動剛度和離軸剛度的最大化。方程（10）顯示的是柔性關(guān)節(jié)優(yōu)化設(shè)計的成本函數(shù)。(10)其中 C1，C2，C3 ，C4 是使設(shè)計更優(yōu)化，降低成本，包括一些制約因素的變量系數(shù)。例如，軸的最大應力應小于屈服應力，系統(tǒng)的規(guī)模和離軸剛度也有限制。(11)S 是安全系數(shù)，f1 最大應力約束， σyield 是彎曲關(guān)節(jié)的屈服強度，θzd 是所需的 Z 軸旋轉(zhuǎn)角度。(12)θzd 是轉(zhuǎn)角約束， Sf2 是安全系數(shù)，Mz 驅(qū)動力矩。(14)KX 和 kθx 是 X 軸和旋轉(zhuǎn) X 軸的剛度值。設(shè)計結(jié)果用拉格朗日函數(shù)，二次規(guī)劃序列完成的優(yōu)化設(shè)計，這種方法一般保證局部最小值。圖 9 顯示的是收斂輪廓的成本函數(shù)，成本函數(shù)值逐漸收斂到一定值。圖 10 表明，最終的代價函數(shù)值的各個初始點收斂到相同的值，這證明了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果達到最低分。圖 9 收斂型成本函數(shù)因此，初始點對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行了檢查。表 3 顯示了優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量集。然而，考慮到制造成本的影響以及對設(shè)計變量的選擇，表 4、表 5 顯示了柔性關(guān)節(jié)模型的特點。表 3 設(shè)計變量集Start points Optimum resultsDesign variablesUnit S1 S2 S3 S4 Soptl mm 25 30 40 50 42.10b mm 20 25 30 40 40.00t mm 1.5 1.8 2.0 2.5 1.92ri mm 55 60 70 75 61.56表 4 設(shè)計變量的最終尺寸Final dimension l (mm) b (mm) t (mm) ri (mm)Value 42.0 40.00 1.90 61.60表 5 彎曲關(guān)節(jié)的模擬特性Start points Optimum value S1 S2 S3 S4 Sopt Sdesignkx (N/μm) 282.631 353.288 353.232 470.976 428.571 426.093ky (N/μm) 282.631 353.288 353.232 470.976 428.571 426.093kz (N/μm) 115.615 150.098 134.410 192.691 208.451 207.721kθx (Nm/μrad) 2.15736 3.03916 4.19534 7.12071 0.92082 0.91806kθy (Nm/μrad) 2.15736 3.03916 4.19534 7.12071 0.92082 0.91806Start points Optimum value kθz (Nm/μrad) 0.584890 0.907587 0.915776 1.52629 0.01373 0.01349σyield (MPa) 279.723 221.456 129.044 96.353 103.053 102.838Active design variable All All All All b NonActive constraints g1, g2 g1, g2 g1, g2 g1, g2 g2 NonViolated constraints g1, g2, g3 g1, g2, g3 g2, g3 g2 Non Non實驗如圖 11 所示的柔性關(guān)節(jié)。 Y 軸直線電機的組裝與龍門階段的柔性關(guān)節(jié)固定在一起，彎曲關(guān)節(jié)的材料是鋁 7075 T6，它有足夠的屈服強度，并且可加工性高。為了檢查的柔性關(guān)節(jié)的特點，我們做了一個彎曲關(guān)節(jié)的模態(tài)分析的實驗。分析了系統(tǒng)的固有頻率，驗證了優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。圖 12 顯示了實驗裝置的模態(tài)分析。移動體的柔性接頭是一個脈沖輸入的沖擊錘，再用加速度計與彎曲聯(lián)合的振動方向的脈沖輸入連接起來，通過把測量的加速度數(shù)據(jù)輸入動態(tài)信號分析儀即可得到動態(tài)信號的頻域。圖 12 實驗裝置的模態(tài)分析彎曲關(guān)節(jié)的模態(tài)分析如圖 13，圖 13 顯示的頻率響應是 X 方向彎曲關(guān)節(jié)的應用脈沖輸入。它有兩個高峰期,第一個高峰是在 Z 軸的轉(zhuǎn)動模式下產(chǎn)生的,柔性關(guān)節(jié)在 Z 軸轉(zhuǎn)動模式下的最低頻率是 284 赫茲；第二個最高峰是在 X 轉(zhuǎn)動模式下產(chǎn)生的，它的最高頻率是 2516 赫茲。圖 13 b 顯示的是 X 軸的彎曲關(guān)節(jié)的脈沖時刻，它的脈沖時刻發(fā)生在 X 旋轉(zhuǎn)模式下，那么我們很難運用 X 軸的脈沖時刻對 Z 軸進行分析。模態(tài)分析結(jié)果如下表：Contents Unit Analytical model Experiment Error (%)X, Y Hz 2790 2516 10.8Z Hz 1745 1820 4.12θx, θy Hz 2357 2220 6.17θz Hz 276 284 2.8表 6 模態(tài)分析的結(jié)果表 6 是仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行的比較。實驗和分析模型之間的最大誤差為 10.8％，這是一個合理的結(jié)果。因此，優(yōu)化設(shè)計實驗的模態(tài)分析對結(jié)果進行了驗證。參考文獻[1] E. 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