Stewart六自由度动感平台结构优化设计_赵洁修

目前，Ｓｔｅｗａｒｔ平 台 有 实 心 平 台 和 中 间 镂 空 平 台 两种结构。关于两种 结 构 的 研 究，大 多 应 用 传 统 力 学 方法对其 进 行 力 学 分 析。 但 是，Ｓｔｅｗａｒｔ平 台 由 于 其 空间上的灵活性［２］，对其进行动力学分析时，其空 间 几 何方面的数据量很大，且 分 析 出 来 的 数 据 对 实 际 应 用 的 价 值 不 大 ，因 而 ，简 便 而 又 实 际 的 力 学 分 析 很 有 研 究 价值。而采用有限元 分 析 的 创 新 点 在 于，使 用 有 限 元 软件代替传统的力学 分 析 方 法，可 以 解 决 传 统 力 学 分 析 的 数 据 量 大 难 以 计 算 等 问 题 。 而 且 ，不 同 场 合 、不 同 参数的平台，只需改变模型的设置参数［３］，即可快 速 实 现其力学仿真。 １ Ｓｔｅｗａｒｔ平 台 的 优 化 设 计 流 程
对实心结构和中 空 结 构 进 行 分 析 可 知，实 心 平 台 强度大且承载力强，但 在 某 些 特 殊 场 合，其 质 量 太 大， 无 法 满 足 载 荷 限 制 条 件 ；中 空 结 构 刚 度 大 且 质 量 轻 ，在
某 些 场 合 比 实 心 结 构 更 适 合 ；如 果 强 度 达 到 使 用 要 求 ， 则 可 以 减 轻 结 构 重 量 ，降 低 成 本 。
拟驾驶舱连接，模拟驾驶舱本身可以承受一部分变形， 在材料允许的变形范 围 内；最 大 的 应 力 集 中 在 上 平 台
因而不需考虑其变形 问 题；可 伸 缩 杆 是 整 个 结 构 中 最 与支杆的铰接点处，但 最 大 应 力 仍 未 超 出 钢 材 的 屈 服
薄弱的环节，容易 出 现 应 力 过 大 导 致 的 失 效。 整 个 结 极限，结构满足设计要求。
在 ＡＮＳＹＳ软件 中，通 过 设 置 边 界 条 件 和 相 关 的 参数进行仿真，可以 得 到 平 台 结 构 在 加 载 状 态 下 的 受 力 及 变 形 情 况 ，如 图 ５～ 图 ８ 所 示 。
图 ４ 拟 定 分 析 流 程 图
图 ５ 实 心 平 台 极 限 位 置 变 形 图
图 ６ 中 空 平 台 极 限 位 置 变 形 图
［５］ 曹辉，严新平，吴超仲，等．基 于 动 力 学 分 析 的 驾 驶 模 拟 器 运动仿真算 法 ［Ｊ］．武 汉 理 工 大 学 学 报，２００５，２９（３）：７８－
８１． ［６］ Ｐｅｔｅｒ Ｒ Ｇｒａｎｔ，Ｌｌｏｙｄ Ｄ Ｒｅｉｄ． Ｍｏｔｉｏｎ ｗａｓｈｏｕｔ ｆｉｌｔｅｒ
ｔｕｎｉｎｇ：ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｉｒｃｒａｆｔ， １９９７，３４（２）：１４５－１５１．
第 ５ 期 （总 第 １８６ 期 ） ２０１４ 年 １０ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１４）０５－００１１－０３
Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．
Ｓｔｅｗａｒｔ六自由度动感平台结构优化设计
赵洁修，胡德计
（天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 ３００２２２）
图 １ 铰 链 空 间 布 局 图
根据 实 际 使 用 要 求，上、下 平 台 均 采 用 铸 铁 材 料。 平台的设计中 一 般 考 虑 如 下 参 数：承 载 质 量；Ｘ，Ｙ，Ｚ 三向的极限位移量以及绕各轴的极限旋转角度。机构 中 的 油 缸 、连 接 铰 链 等 为 标 准 零 部 件 ，根 据 实 际 给 定 参 数及本设计面对的大 型 车 辆 模 拟 实 际 工 况，选 择 合 适 的型号；上、下平台是 非 标 准 件，其 尺 寸 及 参 数 依 据 实 际 需 求 进 行 设 计 ，此 处 以 某 型 模 拟 器 的 参 数 为 参 考 ，应 用三维造型软件，设 计 出 并 联 机 构 的 三 维 立 体 效 果 图 如图３所示。
Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｗａｒｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ Ｓｉｘ Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ
ＺＨＡＯ Ｊｉｅ－ｘｉｕ，ＨＵ Ｄｅ－ｊｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｗａｒｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｅａｓｙ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｉｘ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ，ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｉｒｃｒａｆｔ ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｒｉｏｃｅｐｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｗｏ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖａｂｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ：ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ａｄｏｐｔ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｏｄｅｌｓ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ，ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｉｎ ＡＮＳＹＳ，ｗｅ ｗｉｌｌ ｃｏｍｅ ｕｐ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｔｅｗａｒｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｐｒｏｐｒｉｏｃｅｐｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ
０ 引 言 Ｓｔｅｗａｒｔ并联机构 由 ２ 个 平 台 和 可 伸 缩 旋 转 的 ６
根支杆组成，下 平 台 固 定，上 平 台 与 模 拟 驾 驶 舱 相 连 接 。 平 台 在 空 间 具 有 ６ 个 自 由 度 ，结 构 灵 活 ，空 间 占 用 面积小，并且具有错误并行非累加的特点［１］，故其 广 泛 地应用于机器人结构及许多大型的模拟器中。
变形与应力出现的位置均不影响实际使用。采用中空
结构平台可以满足实 际 的 使 用 要 求，达 到 预 期 的 设 计
效 果 ，因 而 ，本 例 中 的 模 拟 器 可 以 采 用 中 空 结 构 的 上 平
台，既符合使用要求，又 可 以 使 整 体 质 量 减 轻，达 到 节
约成本的目的。
表 １ 中 空 平 台 三 极 限 位 置 的 最 大 应 力 、形 变 及 发 生 位 置
所计算的 极限位置
最大形变量及位置
最大形变量 μｍ
位置
最大应力及位置
最大应力 ＭＰａ
位置
上平台 Ｘ 向 极限位置
３．６３ ３．２３
上平台中部 支杆中上部
６．６２
上平台与支杆 铰接处
上平台Ｙ 向 极限位置
２．８２ ２．５１
上平台中部 支杆中上部
５．３５
上平台与支杆 铰接处
上平台倾斜 １５°极 限 位 置
本文分析的 Ｓｔｅｗａｒｔ机 构 面 向 驾 驶 模 拟 系 统，因 而根据用途，构建其 力 学 模 型 并 为 后 续 计 算 选 定 边 界 条件。Ｓｔｅｗａｒｔ并联机构的 ６ 个 可 以 自 由 伸 缩 的 杆 件 由 伺 服 电 机 驱 动 伺 服 液 压 缸 进 行 伸 缩 旋 转 ，相 互 配 合 ， 完成动平台的任意动作。杆件与２个平台以万向铰链 铰接在一起，铰链 空 间 上 呈 三 角 形 布 局。 铰 链 的 布 局 如 图 １ 所 示 ，机 构 的 结 构 示 意 图 如 图 ２ 所 示 。
构的可靠性取决 于 支 杆 的 可 靠 性［６］，ห้องสมุดไป่ตู้ 果 支 杆 在 极 限
通过仿真，我们以 表 格 的 方 式 给 出 平 台 在 极 限 位
２０１４年第５期 机 械 工 程 与 自 动 化
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置 的 分 析 结 果 ，表 １ 为 中 空 平 台 的 分 析 结 果 ，其 最 大 的
３．０４ ２．７０
上平台中部 支杆中上部
４．７１
上平台与支杆 铰接处
参考文献：
［１］ Ｎｇｕｙｅｎ Ｃ Ｃ，Ａｎｔｒａｚｉ Ｓ Ｓ，Ｐａｒｋ Ｊ－Ｙ，ｅｔ ａｌ．Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｓｔｅｗａｒｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ－ｂａｓｅｄ ｅｎｄ－ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｐａｓｓｉｖｅ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ｆｏｒ ｐａｒｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９２，６：２６３－ ２８１．
图 ７ 实 心 平 台 极 限 位 置 应 力 图
图 ８ 中 空 平 台 极 限 位 置 应 力 图
由图５～ 图 ８ 可 见，最 大 的 变 形 出 现 在 上 平 台 中 位置不出现过大变形 或 者 拉 压 失 效，则 整 个 结 构 可 以
部，此处容易出现 过 大 变 形 引 起 的 失 效。 但 此 处 与 模 认为是满足使用要 求 的。 通 过 软 件 分 析，最 大 形 变 量
图 ２ 机 构 的 结 构 示 意 图 图 ３ 并 联 机 构 的 三 维 立 体 效 果 图
建好的三维模型，想 要 在 有 限 元 软 件 中 进 行 数 值
分 析 ，还 需 要 进 行 结 构 简 化 和 数 据 前 处 理 ，即 网 格 划 分
收 稿 日 期 ：２０１４－０２－１７； 修 回 日 期 ：２０１４－０４－１７ 作者简介：赵洁修 （１９８８－），女，河北秦皇岛人，在读硕士研究生，研究方向：数控仿真。
为了寻找 最 优 化 的 平 台 结 构，本 文 采 用 ＡＮＳＹＳ 软件对两种模型处于３个极限位置时的受力状态进行 仿 真，即：Ｘ 和Ｙ 向３００ｍｍ 位置和转角１５°位置［５］。３ 个极限位置 上，杆 件 及 平 台 受 力 最 大，最 容 易 出 现 断 裂 、过 大 的 结 构 形 变 等 失 效 。 而 除 此 以 外 的 位 置 ，受 力 及 变 形 均 小 于 此 情 况 ，因 而 ，针 对 极 限 位 置 进 行 静 力 分 析，找出两种结构的 薄 弱 环 节，即 易 失 效 点，可 指 导 后 续的结构优化。 ３ 结 构 优 化 分 析 结 果 及 结 论