陳炎冬，戴斌宇，馮 鮮

（1.無(wú)錫太湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214064；2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）

0 引言

圓木抓舉機(jī)屬于抓木運(yùn)輸機(jī)械類(lèi)，隨著機(jī)器向前行進(jìn)，安裝在其前端的一個(gè)完整的抓具支承結(jié)構(gòu)和連桿會(huì)進(jìn)行抓木工作，也可用于提升、運(yùn)輸和卸載工作。圓木抓舉機(jī)的長(zhǎng)處在于作業(yè)快速高效、機(jī)動(dòng)性能良好、運(yùn)作便捷，因而在采集木材時(shí)常作為重要運(yùn)作工具，對(duì)于降低工作強(qiáng)度、優(yōu)化作業(yè)品質(zhì)，降低造價(jià)等方面起著舉足輕重的作用[1-3]。

圓木抓舉機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)分析，就是對(duì)工作裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度等進(jìn)行分析，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求[1]。由于圓木抓舉機(jī)的抓舉工作的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，用傳統(tǒng)的方法分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)非常費(fèi)時(shí)，且精度較低。隨著三維仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)仿真的來(lái)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析已經(jīng)有一些研究[4-6]。本文首先根據(jù)測(cè)繪某型圓木抓舉機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)建立每個(gè)零件的三維模型并進(jìn)行裝配（見(jiàn)圖3），并以此模型為主模型在UG的運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用模塊中，建立其運(yùn)動(dòng)仿真模型，通過(guò)解算仿真模型，可以實(shí)時(shí)獲得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，用圖形和動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果方便地修改仿真模型的參數(shù)。

1 U G運(yùn)動(dòng)仿真模塊介紹

UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，分析機(jī)構(gòu)中連桿上標(biāo)記點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)副的位移、速度、加速度等，運(yùn)動(dòng)仿真模塊會(huì)自動(dòng)復(fù)制主模型的裝配文件，并建立一套用來(lái)編輯的運(yùn)動(dòng)分析方案[4]。用戶可以根據(jù)自己的需要加以修改，而不會(huì)影響已裝配好的主體模型。其仿真結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

UG運(yùn)動(dòng)仿真和分析的流程圖如1.

圖1 U G運(yùn)動(dòng)仿真和分析的流程圖

2 圓木抓舉機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真和分析

2.1 圓木抓舉機(jī)的工作裝置計(jì)算機(jī)模型的建立[1]

輪式圓木抓舉機(jī)工作裝置按照桿數(shù)和運(yùn)動(dòng)特征可分為正轉(zhuǎn)四桿、正轉(zhuǎn)五桿、正轉(zhuǎn)六桿、反轉(zhuǎn)六桿、正轉(zhuǎn)八桿等。這里選擇反轉(zhuǎn)六桿式工作機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)動(dòng)抓具是通過(guò)轉(zhuǎn)爪油缸大腔進(jìn)油，掘起力也得到了提升；若適當(dāng)選擇尺寸，就可以在得到良好抓具平動(dòng)性的同時(shí)抓具能夠自動(dòng)放平，結(jié)構(gòu)緊湊，操作人員視線開(kāi)闊[1]。見(jiàn)圖2.

圖2 反轉(zhuǎn)六桿式工作方式

為進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和分析，首先要建立能代表實(shí)際機(jī)構(gòu)的三維模型，在UG中建模模塊和裝配模塊提供了極強(qiáng)的造型和裝配功能，建立圓木抓舉機(jī)的工作裝置裝配圖，如圖3所示。

圖3 抓舉機(jī)的工作裝置裝配圖圖4 為連桿定義和連桿之間的運(yùn)動(dòng)副

2.2 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案

2.2.1 抓舉機(jī)的工作裝置連桿的創(chuàng)建

連桿在機(jī)構(gòu)中代表運(yùn)動(dòng)件，所有運(yùn)動(dòng)的零件必須創(chuàng)建為連桿。每一個(gè)連桿的創(chuàng)建包括定義連桿對(duì)象、質(zhì)量屬性、慣性矩、初始轉(zhuǎn)動(dòng)速度和移動(dòng)速度[4]。首先，在運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境下對(duì)各連桿進(jìn)行定義和命名，為了定義運(yùn)動(dòng)副時(shí)方便，所以將兩根動(dòng)臂液壓缸與端蓋還有兩根轉(zhuǎn)動(dòng)上爪油缸與端蓋都分別定義為一根連桿，圓木抓舉機(jī)的工作裝置中定義的12個(gè)連桿分別為一個(gè)固定連桿－支座，其它分別為上爪、下爪、連桿、搖臂、動(dòng)臂、液壓缸-動(dòng)臂2個(gè)、液壓缸-搖臂2個(gè)、液壓缸-上爪2個(gè)。所有連桿的定義及如圖4（a）所示：

圖3 抓舉機(jī)的工作裝置裝配圖圖4 為連桿定義和連桿之間的運(yùn)動(dòng)副

2.2.2抓舉機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建

運(yùn)動(dòng)副將機(jī)構(gòu)中的連桿連接在一起，從而使連桿一起運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副具有允許所需運(yùn)動(dòng)和限制不要運(yùn)動(dòng)的雙重作用[4]。四連桿機(jī)構(gòu)中創(chuàng)建16個(gè)運(yùn)動(dòng)副，其中支座是與地固定的運(yùn)動(dòng)副，其它分別為9個(gè)旋轉(zhuǎn)副，3個(gè)滑動(dòng)副，3個(gè)共線副，具體連桿之間的運(yùn)動(dòng)副如圖 4（b）所示。

2.2.3 抓舉機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是賦予運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，共有5種類(lèi)型：①無(wú)驅(qū)動(dòng)；②恒定驅(qū)動(dòng)，設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副為等常運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)或線性位移）；③簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)光滑的向前或向后的正弦運(yùn)動(dòng)；④運(yùn)動(dòng)函數(shù)，運(yùn)動(dòng)副按照給定的數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)動(dòng)；⑤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副以特定的步長(zhǎng)（旋轉(zhuǎn)或線性位移）和特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng)[4]。

本次仿真運(yùn)動(dòng)用到的主要是STEP函數(shù)[7]，STEP函數(shù)可以分為嵌入式和疊加式兩種，由于嵌入式函數(shù)便于理解，所以用了嵌入式STEP函數(shù)來(lái)控制模型的運(yùn)動(dòng)時(shí)間段。經(jīng)考慮之后，選擇將驅(qū)動(dòng)分別加在動(dòng)臂與支座、上爪與動(dòng)臂、上爪與下爪間的轉(zhuǎn)動(dòng)副上。新建入STEP函數(shù)，以模擬圓木抓舉機(jī)的工作情況，運(yùn)動(dòng)副的定義如圖4（a）所示，主要采用各鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)副以及液壓桿的滑動(dòng)副。

經(jīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副處添加的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：

（1）添加在轉(zhuǎn)動(dòng)臂液壓缸上的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

STEP（X，0.5，0，1.75，（STEP（X，1.75，0，3，（STEP（X，3，-40，3.5，（STEP （X，3.5，-40，5.25，（STEP（X，5.25，-40，6.1，（STEP（X，6.1，0，6.5，0）））））））））））

（2）添加在轉(zhuǎn)下爪上的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

STEP（X，0.5，0，1.75，（STEP（X，1.75，-38，3，（STEP（X，3，-38，3.5，（STEP（X，3.5，-38，5.25，（STEP（X，5.25，80，6.1，（STEP（X，6.1，0，6.5，0）））））））））））

（3）添加在轉(zhuǎn)上爪上的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

STEP（X，0.5，0，1.75，（STEP（X，1.75，85，3，（STEP（X，3，85，3.5，（STEP（X，3.5，0，5.25，（STEP（X，5.25，0，6.1，（STEP（X，6.1，0，6.5，0）））））））））））

2.3 仿真結(jié)果與分析

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析之前，需要設(shè)置建立一個(gè)解算方案，主要定義仿真時(shí)間和步數(shù)兩個(gè)參數(shù)，設(shè)置圓木抓舉機(jī)工作裝置解算方案時(shí)間為8 s，正好完成一個(gè)舉升和抓取動(dòng)作及張開(kāi)爪子和回到起始位置的過(guò)程，步數(shù)為250步，步長(zhǎng)為8/250，解算分析完成之后，可以以動(dòng)畫(huà)的形式表現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，同時(shí)在上爪質(zhì)心處上做了一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)A，便于觀察連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度。

為了分析仿真后的結(jié)果，需要用UG運(yùn)動(dòng)仿真后處理模塊提供了圖表功能，可將運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式輸出，即繪圖至NX和繪圖至電子表格[4]。通過(guò)前面的運(yùn)動(dòng)仿真模型，在三個(gè)驅(qū)動(dòng)作用下，繪制出0～8 s內(nèi)的位移、速度、加速度曲線。圖5、圖6、圖7別是調(diào)用圖表功能給出的上爪質(zhì)心上標(biāo)記點(diǎn)A在Z軸方向上的位移、速度、加速度仿真結(jié)果。

圖5 上爪標(biāo)記點(diǎn)Z軸位移

圖6 上爪標(biāo)記點(diǎn)Z軸速度

圖7 上爪標(biāo)記點(diǎn)Z軸加速度

從圖5上爪標(biāo)記點(diǎn)Z軸位移的曲線可以看出上爪最大舉升高度2.8m，舉升時(shí)間2.4 s，卸載時(shí)間1.6 s，圖8擺動(dòng)臂角度位移可以看出該機(jī)構(gòu)在4 s時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)角度范圍-40°～+40°，都滿足了抓舉機(jī)的工作裝置的設(shè)計(jì)要求。圖6、圖7通過(guò)上爪的速度和加速度曲線來(lái)反映抓舉機(jī)的工作過(guò)程，上下爪閉合、整體上升、上下爪張開(kāi)、下降、回到起始位置，從曲線的規(guī)律可以基本看出整個(gè)過(guò)程基本可以實(shí)現(xiàn)要求，但是下降時(shí)加速度偏大，需要優(yōu)化。

圖8 擺動(dòng)臂角度位移

3 結(jié)論

利用UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊，可以很方便地進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，輕而易舉地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)抓舉機(jī)的工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，獲得精確的仿真結(jié)果。結(jié)果反映出本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)抓舉機(jī)的工作裝置是基本合理的，比較真實(shí)的體現(xiàn)工作過(guò)程，但有進(jìn)一步改進(jìn)的方面，如加速度在卸貨階段偏大。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中也有一定的難點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)合理選擇、STEP函數(shù)的設(shè)計(jì)和如何優(yōu)化需要進(jìn)行理論分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真提出了比較深的要求。但總的來(lái)說(shuō)，UG運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)對(duì)機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證研究對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能有著積極的作用。

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