基于電致動材料的平面四桿機構實驗平臺

翟 華 ，黃兆凱 ，楊露露 ，胡 穎

（1.合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

在鍛壓裝備送料系統機構設計中，平面連桿機構是一種應用最廣泛且最基本的機構[1]。其具有以下優點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小；制造方便，易獲得較高的精度。因此，平面連桿機構廣泛應用于各種機械、儀表和機電產品中。平面連桿機構的缺點是：一般情況下，只能近似實現給定運動規律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數和運動副數往往較多，機構結構復雜，工作效率降低，不僅發生自鎖的可能性增加，而且機構運動規律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中作復雜運動和作往復運動的構件所產生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，連桿機構常用于速度較低的場合[2]。

考慮到四桿機構的不足，針對上述軌跡無法完全擬合、慣性力難以平衡等缺點[3-5]，使用一種電致動聚合物材料進行補償。電致動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]，是一種新型的致動材料[8]。將其應用到傳統四桿機構中，在四桿機構運動時進行彎曲補償。因此搭建基于電致動材料的四桿機構實驗平臺對四桿機構軌跡擬合問題有很大意義，能夠直接得到四桿機構的擬合軌跡，驗證該軌跡擬合方法的可行性以及計算過程的正確性，評估四桿機構軌跡擬合方法的正確與否。

1 實驗平臺組成

基于電致動材料的四桿機構實驗平臺原理如圖1所示，其中曲柄AB桿長為a、連桿BC桿長為b、搖桿CD桿長為c、機架AD桿長為d，桿EF表示電致動材料桿，未通電時在EF位置，通電后根據電壓大小旋轉dα的角度至EF′處。實驗臺主要由兩模塊組成，一部分四桿機構驅動模塊，另外一部分為電致動材料驅動模塊，下面分別進行說明。

圖1 使用電致動材料四桿機構模型

1.1 四桿機構驅動模塊

四桿機構實驗臺基本尺寸為480mm×380mm×300mm。四桿機構驅動模塊主要由機架、四桿機構桿件以及電機控制系統組成。其中，機架主要由鋁型材以及角件構成，四桿機構桿件由45號鋼制成。如圖2所示，為已安裝好的四桿機構實驗臺，可以對四桿機構進行軌跡捕捉。

圖2 四桿機構實驗臺

電機控制系統主要由步進電機、步進電機驅動器、JLINK、24V電源、STM32mini板組成。步進電機型號為兩相四線42BYG。在PC上使用Keil uVision5進行編程，完成發脈沖程序。如圖3所示。

1.2 電致動材料驅動模塊

電致動材料驅動模塊主要由電致動材料與可編程電源組成。其中，電致動材料只有當材料兩端電壓改變時，材料才會彎曲。而材料兩端的電壓的改變，可以通過可編程電源進行控制，如圖4所示，其型號為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，界面左邊表格為預設的每個時間間隔內的電壓與電流值，右邊為正負極輸出實際的電壓與電流值圖形。

圖4 可編程電源及配套軟件

2 實驗測試

實驗平臺完成之后，需要進行測試。本文中用該實驗臺對使用電致動材料的四桿機構進行軌跡測試，選取了兩組擬合直線的例子，通過實驗繪制其實際軌跡，這里目標軌跡都為直線。

驅動電機勻速運動，可以得到四桿機構的運動視頻，追蹤連桿末端F點，得到其實際軌跡形狀如圖5所示。

圖5 含EAP材料四桿機構實驗軌跡

通過實驗可以得到使用電致動材料后的四桿機構軌跡情況，方便帶有電致動材料的四桿機構軌跡研究。

3 總結

本文設計了一種基于電致動材料的四桿機構實驗平臺，通過該實驗平臺能夠對四桿機構的軌跡問題進行實驗。能夠得到四桿機構全為剛性桿時的實際軌跡，從而驗證理論計算的正確性。使用電致動材料進行直線軌跡擬合實驗，得到實際軌跡，從而發現使用電致動材料對四桿機構的軌跡擬合問題是有很大幫助的。