動感座椅用平動臺的受力分析與優化

王紅州，鄒曉暉，陳潤六

（江西省機械科學研究所，江西南昌330002）

動感座椅用平動臺的受力分析與優化

王紅州，鄒曉暉，陳潤六

（江西省機械科學研究所，江西南昌330002）

介紹了一種應用在動感座椅設備上構型為3-PR（4R）R的三平動并聯機構，在Solidworks軟件中建立其三維模型，進行了力學仿真分析，并在此基礎上進行了結構優化，使得3-PR（4R）R三平動并聯機構在實際使用過程中的力學性能更加優越。

動感座椅；并聯機構；仿真；力學分析

動感座椅是一種新型影院所使用的設備，具有左右搖擺、前后俯仰、上下運動三個自由度，可使觀眾更好地體驗影片[1]。市場上的三自由度動感座椅多采用3-RPS并聯機構作為執行機構[2]，此類設備的驅動大都使用電動缸，因此設備的成本較高，影響了動感影院的普及推廣。江西省機械科學研究所研發了一種三平動運動輸入多重3-RPS機構運動輸出的動感座椅設備，并獲得了國家發明專利授權[3]。該設備由于將所有3-RPS并聯機構座椅的驅動轉換成了一個三平動并聯機構，因此可大幅度降低動感座椅設備的成本，有助于動感座椅的市場推廣。

江西省機械科學研究所研發的新型動感座椅設備的驅動為三平動并聯機構，其構型為3-PR（4R）R[4]。本文針對此構型的三平動并聯機構進行了受力分析，并提出了一種新型的構型布局，使得三平動并聯機構受力情況更加合理。

1 新型動感座椅設備簡介

新型動感座椅設備由3-PR（4R）R并聯機構和3套3-RPS并聯機構組成，所有機構共用一個機架。3-RPS不安裝驅動，其動平臺上一點通過球鉸聯接到三平動3-PR（4R）R并聯機構的平動臺上（球鉸中心不在3-RPS并聯機構動平臺的轉動中心）。3-PR（4R）R并聯機構的3個P副為主動運動副，平動臺的三維運動通過球鉸轉變為3-RPS并聯機構的兩轉一移的運動。3套3-RPS并聯機構的結構尺寸參數及初始位姿完全相同，在同一平動臺的帶動下可實現兩轉一移運動的同步輸出。圖1所示為新型動感座椅設備的樣機。

圖1 新型動感座椅設備樣機

2 平動臺的受力分析

平動臺作為3-PR（4R）R并聯機構與3-RPS并聯機構的聯接模塊，其結構性能對新型動感座椅有著很大的影響。如圖2所示，在Solidworks軟件中建立3-PR（4R）R并聯機構的三維模型圖。根據平動臺的受力情況，首先分析平動臺在3球鉸中心處受豎直向下方向的力作用下的應變情況。

圖2 3-PR（4R）R并聯機構三維模型

將平動臺的材料設置為普通碳鋼，其密度為7.8 g/cm3，屈服強度為220 MPa.設置邊界條件為將平動臺與滑塊支鏈處鉸鏈連接處設置為固定連接（假定鉸鏈及支鏈剛度足夠），分別在3個座椅與平動臺連接鉸鏈處各施加2 500 N的力，力的方向為垂直于平動臺大平面方向。平動臺的網格劃分采用標準網格器進行實體網格劃分，設置單元大小為13.991 8 mm，雅可比點為4，公差為0.699 6 mm，單元總數為48 348，節點數為87 956，網格品質為高品質。其分析結果顯示平動臺受力后位移變化較大，如圖3所示。

圖3 平動臺受力后的位移云圖

3 三平動機構結構改進

從圖2可以看出，平動臺由3條PR（4R）R支鏈支撐，但其實際受力點并非支鏈的支撐點，因此，平動臺的受力情況不是很好。針對這一情況，將3條PR（4R）R支鏈的支撐點移至球鉸中心下方，可保證球鉸中心豎直方向的力較好被支鏈吸收。其三維模型如圖4所示。

圖4 改進后的3-PR（4R）R并聯機構

同樣的，將平動臺的材料設置為普通碳鋼，其密度為7.8 g/cm3，屈服強度為220 MPa.設置邊界條件為將平動臺與滑塊支鏈處鉸鏈連接處設置為固定連接（假定鉸鏈及支鏈剛度足夠），分別在3個座椅與平動臺連接鉸鏈處各施加2 500 N的力，力的方向為垂直于平動臺大平面方向。平動臺的網格劃分采用標準網格器進行實體網格劃分，設置單元大小為13.991 8 mm，雅可比點為4，公差為0.699 6 mm，單元總數為48 348，節點數為87 956，網格品質為高品質。其分析結果顯示平動臺受力后位移變化情況得到明顯改善，改進前最大變形量為1.59 mm變為改進后最大變形量為的0.009 mm，如圖5所示。

圖5 改進后平動臺受力的位移云圖

4 結束語

通過進行3-PR（4R）R并聯機構平動臺的受力分析，對比最初結構與改進后結構平動臺受力后的位移變化情況，可知采用改進后的3-PR（4R）R并聯機構的結構更為合理。

[1]霍電輝.新型三自由度動感模擬平臺的研發[D].太原：太原科技大學機械電子工程，2013.

[2]王旭明.動感影院系統研究與設計[D].武漢：華中科技大學，2013.

[3]王紅州.三平動輸入多重3-RPS機構輸出的4D特效座椅[P].中國：ZL201410319373.5.2016-01-20.

[4]鄒曉暉，陳潤六，王紅州，等.一種新型4D動感座椅設備的設計與分析[J].制造業自動化，2016，38（8）：102-106.

Mechanical Analysis and Optimization of Three Translational Motion Platform Used for Dynamic Seat

WANG Hong-zhou，ZOU Xiao-hui，CHEN Run-liu
（Jiangxi Mechanical Scientific Institute，Nanchang Jiangxi 330002，China）

This paper introduced 3-PR（4R）R Parallel mechanism which used for moving platform device.A three dimensional model was established in Solidworks software，and the mechanical simulation analysis and structural optimization were carried out，and a more superior performance structure was obtained.

moving platform；parallel mechanism；simulation；mechanical analysis

TH112

：A

：1672-545X（2017）01-0038-02

2016-10-11

江西省科技支撐重點項目（20151BBE50125）

王紅州（1986-），男，河北邯鄲人，碩士，助理工程師，研究方向：機器人與并聯機構。