基于Inventor的三自由度运动机构设计及仿真

聂良兵，王培俊，潘璇，程宏钊

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

随着虚拟现实技术的发展，多自由度运动平台越来越多地应用于各种模拟仿真、动感娱乐系统中。并联机构因其结构精巧、传动精度高等优点得到广泛青睐[1]，但并联机构的生产成本较高，控制复杂，因此目前主要应用于军工领域,难以大批量在市场上推广。针对此问题，提出了一种三自由度的串联机构，并运用三维机械设计软件Inventor对其进行了设计、仿真与分析，得到了较为理想的结果。

1 三自由度串联机构设计

图1 三自由度机构图

三自由度并联机构的典型形式如图1所示，通过三根电动缸的伸缩，便可实现侧翻、俯仰和竖直方向的运动。此机构虽然结构精巧，但由于使用了电动缸，生产成本较高，且三根电动缸在运动过程中需要协调配合，机构位置正逆解复杂，运动控制难[2]。

为了实现相同的运动形式，提出了另一种三自由度运动机构，如图2所示。通过旋转轴的转动实现座椅的侧翻运动。通过滑块的左右运动，带动连杆使座椅产生俯仰运动。通过丝杠的上下运动带动整个平台实现上下竖直运动。机构的三个自由度是相互独立的，因此可以通过电机进行单独控制，控制方式相对于并联机构简单得多。同时，在本机构的驱动中，只需要三个电机配以相应的传动件便可完成机构运动，降低了生产成本。

图2 三自由度串联机构示意图

2 三自由度串联机构模型建立

Inventor是Autodesk推出的三维机械设计软件，集三维造型、运动仿真以及有限元分析为一体。通过其丰富的资源中心、强大的设计加速器可快速构建三维实体模型。依靠其运动仿真模块、结构分析模块和有限元分析模块，可对机构设计的合理性进行快速验证并优化。

为便于管理与修改，将整个机构分解成四个部件进行分析设计，分别为固定底座部件、竖直运动部件、侧翻传动部件和俯仰层部件。在机构的设计过程中，主要涉及轴的设计、齿轮的设计以及座椅安装架的设计。在此，以轴的设计为例说明利用Inventor中的设计加速器进行快速造型设计。

首先进入Inventor设计面板，在动力传动工具栏中点击轴，打开轴生成器。轴生成器面板主要有三个选项卡：设计、计算和图形。其中设计选项卡中可以设置轴每一段的几何尺寸，生成三维实体模型。根据设计过程中各零部件的尺寸，设计出轴的几何造型如图3所示。

图3 轴几何模型

利用计算面板对轴进行受力校核。在设计中，轴主要受电机驱动的转矩、座椅部分的重力及其所产生的弯矩以及支点对轴的支撑力。在Inventor的计算面板中，依次添加，如图4所示。

图4 轴载荷分析

设置好轴的各种受力情况后，便可进行受力校核。若受力校核通过，在提示面板中将以绿色字体显示已计算，若校核失败则会以红色字体显示计算失败，并给出提示信息。

在图形面板中，可显示出计算后轴的剪力图、弯矩图以及剪切应力图等，尤其可以给出轴的理想直径分布图，如图5所示，这为轴的设计优化提供了直接的参考依据。

图5 轴理想直径分布图

在资源中心，可以调用各种标准件，如钣金、管件和管材、结构型材、紧固件和轴用零件。在模型的制作过程中，可充分利用Inventor所提供的自适应性功能、参数化设计和跨零件投影等[3]，有效地提高了设计效率。

3 运动仿真

完成机构设计并按照一定的约束关系装配[4]完毕后，进行机构运动仿真。为机构添加三个自由度的驱动条件，分别为齿轮处的铰链旋转运动、丝杠和滑块处的平移运动。在程序运动仿真面板中的浏览树中找到相应的运动类型，对其特性中的驱动条件进行编辑，其中齿轮侧翻处的驱动条件设为如图6所示。此设置将会使机构在1s内以三次方曲线的形式完成正负6°侧翻运动。

图6 侧翻驱动设置

对机构添加载荷，设置机构各零部件的材料，激活运动仿真面板树中外部载荷结点中的重力，向整个环境添加重力场。单击仿真播放器中的播放按钮，对机构进行运动仿真。

仿真结束后，打开输出图示器，可查看到机构各个运动类型的速度、加速、力及力矩等值，其中旋转轴处力矩图如图7所示。依据此值，可进行电机配选、零部件校核等。

图7 轴力矩图

4 有限元分析

在第3部分仿真中，已计算出机构各个部件在运动过程中所受所有载荷，为有限元分析打下了基础。在第2部分所述的轴的设计中，由于机构并未成形，无法有效的预估轴所受的具体载荷及其大小，尤其是动载荷。在机构设计基本完成并进行了运动仿真后，轴所受的各种载荷便更加具体了。现仍以轴为例，说明有限元分析过程。

在运动仿真环境中，点击应力分析中的导出到FEA，然后点击轴，设置其承载面，即轴与轴承的安装面。根据运动仿真生成的结果，找到轴所受力矩最大的时间点，并生成时间点，最后退出运动仿真环境，进入有限元分析模块，单击创建分析，在分析类型中选择静态分析中的运动载荷分析，在下拉列表中选择轴及需要分析的时间点，单击确定，便可生成有限元分析环境，Inventor依据运动仿真的结果，自动设好轴所受的所有载荷，只需点击分析，便可进行有限元分析[5]。

经过分析，可以得到轴的等效应力分布云图，位移分布云图和安全系数云图等。图8为轴的等效应力分布云图，浅色部分为最大应力分布处,其最大值为66.94MPa，深色部分为最小应力分布处，其最小值为0.08MPa，查看位移分布云图可得轴的最大位移0.2mm，最小位移为0.006mm，最大安全系数为15，最小安全系数为3.09,由分析结果可知，轴的安全系数稍大，可在保证安全的条件下，适当减小轴径，以降低轴的质量。

图8 轴等效应力分布云图

其他各零件可通过相同的方法进行依次分析，根据分析结果，可对机构各零件进行校核和优化。最后，利用Inventorr的工程图绘制模块[6]，可便捷地绘制出整个机构的工程图。

5 结语

在分析研究三自由度并联机构的基础上，提出了一种新型三自由度串联机构。机构虽然体形比较大，但降低了生产和控制成本，运动控制简单且机构的运动范围大。借助Inventor的设计、仿真及分析功能模块，对机构进行快速建模及分析校核，保证了机构设计的正确性、合理性和可靠性，提高了工作效率。

[1] 王波，刘向东，韩强，等.三自由度平面并联机构位姿分析[J].机械制造与自动化，2012，1：170-171.

[2] 王旭永,王显正,张颖.三自由度并联驱动平台机构的位置逆解及其分析[J].上海交通大学学报，1998，32(1)；102-104.

[3] 王小玲.基于Inventor齿轮减速器零部件的装配关联设计[J].煤矿机械，2009，30(12)：210-212.

[4] 卢紫微,付钢.采用Inventor的机械压机参数化设计及运动仿真[J].现代制造工程，2009：52-55.

[5] 赵鹏.基于 Inventor 的平面机构运动分析与仿真[J].科技信息，2010,19：77-78.

[6] 吴斌, 张锁怀.基于Inventor11的星型内齿行星减速器的参数化设计[J].机械设计与研究，2007,22(5)：48-50.