基于Inventor的三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

聶良兵，王培俊，潘璇，程宏釗

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)越來(lái)越多地應(yīng)用于各種模擬仿真、動(dòng)感娛樂(lè)系統(tǒng)中。并聯(lián)機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)精巧、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛青睞[1]，但并聯(lián)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)成本較高，控制復(fù)雜，因此目前主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域,難以大批量在市場(chǎng)上推廣。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種三自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并運(yùn)用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Inventor對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)、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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 三自由度機(jī)構(gòu)圖

三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的典型形式如圖1所示，通過(guò)三根電動(dòng)缸的伸縮，便可實(shí)現(xiàn)側(cè)翻、俯仰和豎直方向的運(yùn)動(dòng)。此機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)精巧，但由于使用了電動(dòng)缸，生產(chǎn)成本較高，且三根電動(dòng)缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要協(xié)調(diào)配合，機(jī)構(gòu)位置正逆解復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制難[2]。

為了實(shí)現(xiàn)相同的運(yùn)動(dòng)形式，提出了另一種三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)座椅的側(cè)翻運(yùn)動(dòng)。通過(guò)滑塊的左右運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿使座椅產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)。通過(guò)絲杠的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下豎直運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的三個(gè)自由度是相互獨(dú)立的，因此可以通過(guò)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，控制方式相對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單得多。同時(shí)，在本機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)中，只需要三個(gè)電機(jī)配以相應(yīng)的傳動(dòng)件便可完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，降低了生產(chǎn)成本。

圖2 三自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)示意圖

2 三自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)模型建立

Inventor是Autodesk推出的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，集三維造型、運(yùn)動(dòng)仿真以及有限元分析為一體。通過(guò)其豐富的資源中心、強(qiáng)大的設(shè)計(jì)加速器可快速構(gòu)建三維實(shí)體模型。依靠其運(yùn)動(dòng)仿真模塊、結(jié)構(gòu)分析模塊和有限元分析模塊，可對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行快速驗(yàn)證并優(yōu)化。

為便于管理與修改，將整個(gè)機(jī)構(gòu)分解成四個(gè)部件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，分別為固定底座部件、豎直運(yùn)動(dòng)部件、側(cè)翻傳動(dòng)部件和俯仰層部件。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要涉及軸的設(shè)計(jì)、齒輪的設(shè)計(jì)以及座椅安裝架的設(shè)計(jì)。在此，以軸的設(shè)計(jì)為例說(shuō)明利用Inventor中的設(shè)計(jì)加速器進(jìn)行快速造型設(shè)計(jì)。

首先進(jìn)入Inventor設(shè)計(jì)面板，在動(dòng)力傳動(dòng)工具欄中點(diǎn)擊軸，打開(kāi)軸生成器。軸生成器面板主要有三個(gè)選項(xiàng)卡：設(shè)計(jì)、計(jì)算和圖形。其中設(shè)計(jì)選項(xiàng)卡中可以設(shè)置軸每一段的幾何尺寸，生成三維實(shí)體模型。根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中各零部件的尺寸，設(shè)計(jì)出軸的幾何造型如圖3所示。

圖3 軸幾何模型

利用計(jì)算面板對(duì)軸進(jìn)行受力校核。在設(shè)計(jì)中，軸主要受電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩、座椅部分的重力及其所產(chǎn)生的彎矩以及支點(diǎn)對(duì)軸的支撐力。在Inventor的計(jì)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(jìn)行受力校核。若受力校核通過(guò)，在提示面板中將以綠色字體顯示已計(jì)算，若校核失敗則會(huì)以紅色字體顯示計(jì)算失敗，并給出提示信息。

在圖形面板中，可顯示出計(jì)算后軸的剪力圖、彎矩圖以及剪切應(yīng)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中，可充分利用Inventor所提供的自適應(yīng)性功能、參數(shù)化設(shè)計(jì)和跨零件投影等[3]，有效地提高了設(shè)計(jì)效率。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并按照一定的約束關(guān)系裝配[4]完畢后，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。為機(jī)構(gòu)添加三個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)條件，分別為齒輪處的鉸鏈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、絲杠和滑塊處的平移運(yùn)動(dòng)。在程序運(yùn)動(dòng)仿真面板中的瀏覽樹(shù)中找到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)類型，對(duì)其特性中的驅(qū)動(dòng)條件進(jìn)行編輯，其中齒輪側(cè)翻處的驅(qū)動(dòng)條件設(shè)為如圖6所示。此設(shè)置將會(huì)使機(jī)構(gòu)在1s內(nèi)以三次方曲線的形式完成正負(fù)6°側(cè)翻運(yùn)動(dòng)。

圖6 側(cè)翻驅(qū)動(dòng)設(shè)置

對(duì)機(jī)構(gòu)添加載荷，設(shè)置機(jī)構(gòu)各零部件的材料，激活運(yùn)動(dòng)仿真面板樹(shù)中外部載荷結(jié)點(diǎn)中的重力，向整個(gè)環(huán)境添加重力場(chǎng)。單擊仿真播放器中的播放按鈕，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

仿真結(jié)束后，打開(kāi)輸出圖示器，可查看到機(jī)構(gòu)各個(gè)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行電機(jī)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(jì)算出機(jī)構(gòu)各個(gè)部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jì)中，由于機(jī)構(gòu)并未成形，無(wú)法有效的預(yù)估軸所受的具體載荷及其大小，尤其是動(dòng)載荷。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本完成并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)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(shuō)明有限元分析過(guò)程。

在運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中，點(diǎn)擊應(yīng)力分析中的導(dǎo)出到FEA，然后點(diǎn)擊軸，設(shè)置其承載面，即軸與軸承的安裝面。根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真生成的結(jié)果，找到軸所受力矩最大的時(shí)間點(diǎn)，并生成時(shí)間點(diǎn)，最后退出運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，進(jìn)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(yùn)動(dòng)載荷分析，在下拉列表中選擇軸及需要分析的時(shí)間點(diǎn)，單擊確定，便可生成有限元分析環(huán)境，Inventor依據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果，自動(dòng)設(shè)好軸所受的所有載荷，只需點(diǎn)擊分析，便可進(jìn)行有限元分析[5]。

經(jīng)過(guò)分析，可以得到軸的等效應(yīng)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(yīng)力分布云圖，淺色部分為最大應(yīng)力分布處,其最大值為66.94MPa，深色部分為最小應(yīng)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(dāng)減小軸徑，以降低軸的質(zhì)量。

圖8 軸等效應(yīng)力分布云圖

其他各零件可通過(guò)相同的方法進(jìn)行依次分析，根據(jù)分析結(jié)果，可對(duì)機(jī)構(gòu)各零件進(jìn)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(gè)機(jī)構(gòu)的工程圖。

5 結(jié)語(yǔ)

在分析研究三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型三自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)雖然體形比較大，但降低了生產(chǎn)和控制成本，運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單且機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍大。借助Inventor的設(shè)計(jì)、仿真及分析功能模塊，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速建模及分析校核，保證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)，等.三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)位姿分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012，1：170-171.

[2] 王旭永,王顯正,張穎.三自由度并聯(lián)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的位置逆解及其分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)[J].煤礦機(jī)械，2009，30(12)：210-212.

[4] 盧紫微,付鋼.采用Inventor的機(jī)械壓機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2009：52-55.

[5] 趙鵬.基于 Inventor 的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007,22(5)：48-50.