動(dòng)感座椅用平動(dòng)臺的受力分析與優(yōu)化

王紅州，鄒曉暉，陳潤六

（江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002）

動(dòng)感座椅用平動(dòng)臺的受力分析與優(yōu)化

王紅州，鄒曉暉，陳潤六

（江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002）

介紹了一種應(yīng)用在動(dòng)感座椅設(shè)備上構(gòu)型為3-PR（4R）R的三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在Solidworks軟件中建立其三維模型，進(jìn)行了力學(xué)仿真分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得3-PR（4R）R三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用過程中的力學(xué)性能更加優(yōu)越。

動(dòng)感座椅；并聯(lián)機(jī)構(gòu)；仿真；力學(xué)分析

動(dòng)感座椅是一種新型影院所使用的設(shè)備，具有左右搖擺、前后俯仰、上下運(yùn)動(dòng)三個(gè)自由度，可使觀眾更好地體驗(yàn)影片[1]。市場上的三自由度動(dòng)感座椅多采用3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]，此類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)大都使用電動(dòng)缸，因此設(shè)備的成本較高，影響了動(dòng)感影院的普及推廣。江西省機(jī)械科學(xué)研究所研發(fā)了一種三平動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸入多重3-RPS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出的動(dòng)感座椅設(shè)備，并獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)[3]。該設(shè)備由于將所有3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)座椅的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成了一個(gè)三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，因此可大幅度降低動(dòng)感座椅設(shè)備的成本，有助于動(dòng)感座椅的市場推廣。

江西省機(jī)械科學(xué)研究所研發(fā)的新型動(dòng)感座椅設(shè)備的驅(qū)動(dòng)為三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其構(gòu)型為3-PR（4R）R[4]。本文針對此構(gòu)型的三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，并提出了一種新型的構(gòu)型布局，使得三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)受力情況更加合理。

1 新型動(dòng)感座椅設(shè)備簡介

新型動(dòng)感座椅設(shè)備由3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)和3套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成，所有機(jī)構(gòu)共用一個(gè)機(jī)架。3-RPS不安裝驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)平臺上一點(diǎn)通過球鉸聯(lián)接到三平動(dòng)3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)臺上（球鉸中心不在3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺的轉(zhuǎn)動(dòng)中心）。3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3個(gè)P副為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副，平動(dòng)臺的三維運(yùn)動(dòng)通過球鉸轉(zhuǎn)變?yōu)?-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的兩轉(zhuǎn)一移的運(yùn)動(dòng)。3套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及初始位姿完全相同，在同一平動(dòng)臺的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)一移運(yùn)動(dòng)的同步輸出。圖1所示為新型動(dòng)感座椅設(shè)備的樣機(jī)。

圖1 新型動(dòng)感座椅設(shè)備樣機(jī)

2 平動(dòng)臺的受力分析

平動(dòng)臺作為3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)與3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的聯(lián)接模塊，其結(jié)構(gòu)性能對新型動(dòng)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(lián)機(jī)構(gòu)的三維模型圖。根據(jù)平動(dòng)臺的受力情況，首先分析平動(dòng)臺在3球鉸中心處受豎直向下方向的力作用下的應(yīng)變情況。

圖2 3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維模型

將平動(dòng)臺的材料設(shè)置為普通碳鋼，其密度為7.8 g/cm3，屈服強(qiáng)度為220 MPa.設(shè)置邊界條件為將平動(dòng)臺與滑塊支鏈處鉸鏈連接處設(shè)置為固定連接（假定鉸鏈及支鏈剛度足夠），分別在3個(gè)座椅與平動(dòng)臺連接鉸鏈處各施加2 500 N的力，力的方向?yàn)榇怪庇谄絼?dòng)臺大平面方向。平動(dòng)臺的網(wǎng)格劃分采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元大小為13.991 8 mm，雅可比點(diǎn)為4，公差為0.699 6 mm，單元總數(shù)為48 348，節(jié)點(diǎn)數(shù)為87 956，網(wǎng)格品質(zhì)為高品質(zhì)。其分析結(jié)果顯示平動(dòng)臺受力后位移變化較大，如圖3所示。

圖3 平動(dòng)臺受力后的位移云圖

3 三平動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從圖2可以看出，平動(dòng)臺由3條PR（4R）R支鏈支撐，但其實(shí)際受力點(diǎn)并非支鏈的支撐點(diǎn)，因此，平動(dòng)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(diǎn)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(jìn)后的3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)

同樣的，將平動(dòng)臺的材料設(shè)置為普通碳鋼，其密度為7.8 g/cm3，屈服強(qiáng)度為220 MPa.設(shè)置邊界條件為將平動(dòng)臺與滑塊支鏈處鉸鏈連接處設(shè)置為固定連接（假定鉸鏈及支鏈剛度足夠），分別在3個(gè)座椅與平動(dòng)臺連接鉸鏈處各施加2 500 N的力，力的方向?yàn)榇怪庇谄絼?dòng)臺大平面方向。平動(dòng)臺的網(wǎng)格劃分采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元大小為13.991 8 mm，雅可比點(diǎn)為4，公差為0.699 6 mm，單元總數(shù)為48 348，節(jié)點(diǎn)數(shù)為87 956，網(wǎng)格品質(zhì)為高品質(zhì)。其分析結(jié)果顯示平動(dòng)臺受力后位移變化情況得到明顯改善，改進(jìn)前最大變形量為1.59 mm變?yōu)楦倪M(jìn)后最大變形量為的0.009 mm，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后平動(dòng)臺受力的位移云圖

4 結(jié)束語

通過進(jìn)行3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)平動(dòng)臺的受力分析，對比最初結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后結(jié)構(gòu)平動(dòng)臺受力后的位移變化情況，可知采用改進(jìn)后的3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更為合理。

[1]霍電輝.新型三自由度動(dòng)感模擬平臺的研發(fā)[D].太原：太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程，2013.

[2]王旭明.動(dòng)感影院系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[3]王紅州.三平動(dòng)輸入多重3-RPS機(jī)構(gòu)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(dòng)感座椅設(shè)備的設(shè)計(jì)與分析[J].制造業(yè)自動(dòng)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(diǎn)項(xiàng)目（20151BBE50125）

王紅州（1986-），男，河北邯鄲人，碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)構(gòu)。