基于Inventor的三自由度運動機構(gòu)設(shè)計及仿真

聶良兵，王培俊，潘璇，程宏釗

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，多自由度運動平臺越來越多地應用于各種模擬仿真、動感娛樂系統(tǒng)中。并聯(lián)機構(gòu)因其結(jié)構(gòu)精巧、傳動精度高等優(yōu)點得到廣泛青睞[1]，但并聯(lián)機構(gòu)的生產(chǎn)成本較高，控制復雜，因此目前主要應用于軍工領(lǐng)域,難以大批量在市場上推廣。針對此問題，提出了一種三自由度的串聯(lián)機構(gòu)，并運用三維機械設(shè)計軟件Inventor對其進行了設(shè)計、仿真與分析，得到了較為理想的結(jié)果。

1 三自由度串聯(lián)機構(gòu)設(shè)計

圖1 三自由度機構(gòu)圖

三自由度并聯(lián)機構(gòu)的典型形式如圖1所示，通過三根電動缸的伸縮，便可實現(xiàn)側(cè)翻、俯仰和豎直方向的運動。此機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)精巧，但由于使用了電動缸，生產(chǎn)成本較高，且三根電動缸在運動過程中需要協(xié)調(diào)配合，機構(gòu)位置正逆解復雜，運動控制難[2]。

為了實現(xiàn)相同的運動形式，提出了另一種三自由度運動機構(gòu)，如圖2所示。通過旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)座椅的側(cè)翻運動。通過滑塊的左右運動，帶動連桿使座椅產(chǎn)生俯仰運動。通過絲杠的上下運動帶動整個平臺實現(xiàn)上下豎直運動。機構(gòu)的三個自由度是相互獨立的，因此可以通過電機進行單獨控制，控制方式相對于并聯(lián)機構(gòu)簡單得多。同時，在本機構(gòu)的驅(qū)動中，只需要三個電機配以相應的傳動件便可完成機構(gòu)運動，降低了生產(chǎn)成本。

圖2 三自由度串聯(lián)機構(gòu)示意圖

2 三自由度串聯(lián)機構(gòu)模型建立

Inventor是Autodesk推出的三維機械設(shè)計軟件，集三維造型、運動仿真以及有限元分析為一體。通過其豐富的資源中心、強大的設(shè)計加速器可快速構(gòu)建三維實體模型。依靠其運動仿真模塊、結(jié)構(gòu)分析模塊和有限元分析模塊，可對機構(gòu)設(shè)計的合理性進行快速驗證并優(yōu)化。

為便于管理與修改，將整個機構(gòu)分解成四個部件進行分析設(shè)計，分別為固定底座部件、豎直運動部件、側(cè)翻傳動部件和俯仰層部件。在機構(gòu)的設(shè)計過程中，主要涉及軸的設(shè)計、齒輪的設(shè)計以及座椅安裝架的設(shè)計。在此，以軸的設(shè)計為例說明利用Inventor中的設(shè)計加速器進行快速造型設(shè)計。

首先進入Inventor設(shè)計面板，在動力傳動工具欄中點擊軸，打開軸生成器。軸生成器面板主要有三個選項卡：設(shè)計、計算和圖形。其中設(shè)計選項卡中可以設(shè)置軸每一段的幾何尺寸，生成三維實體模型。根據(jù)設(shè)計過程中各零部件的尺寸，設(shè)計出軸的幾何造型如圖3所示。

圖3 軸幾何模型

利用計算面板對軸進行受力校核。在設(shè)計中，軸主要受電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩、座椅部分的重力及其所產(chǎn)生的彎矩以及支點對軸的支撐力。在Inventor的計算面板中，依次添加，如圖4所示。

圖4 軸載荷分析

設(shè)置好軸的各種受力情況后，便可進行受力校核。若受力校核通過，在提示面板中將以綠色字體顯示已計算，若校核失敗則會以紅色字體顯示計算失敗，并給出提示信息。

在圖形面板中，可顯示出計算后軸的剪力圖、彎矩圖以及剪切應力圖等，尤其可以給出軸的理想直徑分布圖，如圖5所示，這為軸的設(shè)計優(yōu)化提供了直接的參考依據(jù)。

圖5 軸理想直徑分布圖

在資源中心，可以調(diào)用各種標準件，如鈑金、管件和管材、結(jié)構(gòu)型材、緊固件和軸用零件。在模型的制作過程中，可充分利用Inventor所提供的自適應性功能、參數(shù)化設(shè)計和跨零件投影等[3]，有效地提高了設(shè)計效率。

3 運動仿真

完成機構(gòu)設(shè)計并按照一定的約束關(guān)系裝配[4]完畢后，進行機構(gòu)運動仿真。為機構(gòu)添加三個自由度的驅(qū)動條件，分別為齒輪處的鉸鏈旋轉(zhuǎn)運動、絲杠和滑塊處的平移運動。在程序運動仿真面板中的瀏覽樹中找到相應的運動類型，對其特性中的驅(qū)動條件進行編輯，其中齒輪側(cè)翻處的驅(qū)動條件設(shè)為如圖6所示。此設(shè)置將會使機構(gòu)在1s內(nèi)以三次方曲線的形式完成正負6°側(cè)翻運動。

圖6 側(cè)翻驅(qū)動設(shè)置

對機構(gòu)添加載荷，設(shè)置機構(gòu)各零部件的材料，激活運動仿真面板樹中外部載荷結(jié)點中的重力，向整個環(huán)境添加重力場。單擊仿真播放器中的播放按鈕，對機構(gòu)進行運動仿真。

仿真結(jié)束后，打開輸出圖示器，可查看到機構(gòu)各個運動類型的速度、加速、力及力矩等值，其中旋轉(zhuǎn)軸處力矩圖如圖7所示。依據(jù)此值，可進行電機配選、零部件校核等。

圖7 軸力矩圖

4 有限元分析

在第3部分仿真中，已計算出機構(gòu)各個部件在運動過程中所受所有載荷，為有限元分析打下了基礎(chǔ)。在第2部分所述的軸的設(shè)計中，由于機構(gòu)并未成形，無法有效的預估軸所受的具體載荷及其大小，尤其是動載荷。在機構(gòu)設(shè)計基本完成并進行了運動仿真后，軸所受的各種載荷便更加具體了。現(xiàn)仍以軸為例，說明有限元分析過程。

在運動仿真環(huán)境中，點擊應力分析中的導出到FEA，然后點擊軸，設(shè)置其承載面，即軸與軸承的安裝面。根據(jù)運動仿真生成的結(jié)果，找到軸所受力矩最大的時間點，并生成時間點，最后退出運動仿真環(huán)境，進入有限元分析模塊，單擊創(chuàng)建分析，在分析類型中選擇靜態(tài)分析中的運動載荷分析，在下拉列表中選擇軸及需要分析的時間點，單擊確定，便可生成有限元分析環(huán)境，Inventor依據(jù)運動仿真的結(jié)果，自動設(shè)好軸所受的所有載荷，只需點擊分析，便可進行有限元分析[5]。

經(jīng)過分析，可以得到軸的等效應力分布云圖，位移分布云圖和安全系數(shù)云圖等。圖8為軸的等效應力分布云圖，淺色部分為最大應力分布處,其最大值為66.94MPa，深色部分為最小應力分布處，其最小值為0.08MPa，查看位移分布云圖可得軸的最大位移0.2mm，最小位移為0.006mm，最大安全系數(shù)為15，最小安全系數(shù)為3.09,由分析結(jié)果可知，軸的安全系數(shù)稍大，可在保證安全的條件下，適當減小軸徑，以降低軸的質(zhì)量。

圖8 軸等效應力分布云圖

其他各零件可通過相同的方法進行依次分析，根據(jù)分析結(jié)果，可對機構(gòu)各零件進行校核和優(yōu)化。最后，利用Inventorr的工程圖繪制模塊[6]，可便捷地繪制出整個機構(gòu)的工程圖。

5 結(jié)語

在分析研究三自由度并聯(lián)機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型三自由度串聯(lián)機構(gòu)。機構(gòu)雖然體形比較大，但降低了生產(chǎn)和控制成本，運動控制簡單且機構(gòu)的運動范圍大。借助Inventor的設(shè)計、仿真及分析功能模塊，對機構(gòu)進行快速建模及分析校核，保證了機構(gòu)設(shè)計的正確性、合理性和可靠性，提高了工作效率。

[1] 王波，劉向東，韓強，等.三自由度平面并聯(lián)機構(gòu)位姿分析[J].機械制造與自動化，2012，1：170-171.

[2] 王旭永,王顯正,張穎.三自由度并聯(lián)驅(qū)動平臺機構(gòu)的位置逆解及其分析[J].上海交通大學學報，1998，32(1)；102-104.

[3] 王小玲.基于Inventor齒輪減速器零部件的裝配關(guān)聯(lián)設(shè)計[J].煤礦機械，2009，30(12)：210-212.

[4] 盧紫微,付鋼.采用Inventor的機械壓機參數(shù)化設(shè)計及運動仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2009：52-55.

[5] 趙鵬.基于 Inventor 的平面機構(gòu)運動分析與仿真[J].科技信息，2010,19：77-78.

[6] 吳斌, 張鎖懷.基于Inventor11的星型內(nèi)齒行星減速器的參數(shù)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究，2007,22(5)：48-50.