周登攀

摘要：采用Solidworks軟件，對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人拾取運(yùn)動(dòng)中典型的曲柄搖塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、裝配，利用Solidworks Motion模塊中添加約束、加載馬達(dá)等功能，對(duì)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)主動(dòng)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，可及時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，驗(yàn)證是否符合要求。該方法可為工程技術(shù)人員進(jìn)行初始設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)，提高設(shè)計(jì)效率。

Abstract： Solidworks software is used to model and assemble the typical crank rocker mechanism in the picking motion of the handling robot， and Solidworks motion module is used to analyze the motion of the loading motor of the crank rocker mechanism active part. Through motion simulation， the motion trajectory and motion parameters can be displayed in time to verify whether they meet the requirements. This method can provide a reference for engineering and technical personnel to carry out the initial design， provide a reliable basis for the optimal design of the mechanism， and improve the design efficiency.

關(guān)鍵詞：Solidworks;拾取機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)仿真;運(yùn)動(dòng)分析

Key words： Solidworks;pick up mechanism;motion simulation;analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0098-03

0? 引言

搬運(yùn)機(jī)器人由于可模仿人的肢體運(yùn)動(dòng)、替代人類(lèi)完成重復(fù)的物料輸送、傳遞等搬運(yùn)功能，具有很廣泛的使用場(chǎng)景。設(shè)計(jì)中，可給搬運(yùn)機(jī)器人安裝不同的末端執(zhí)行器來(lái)完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的有效途徑之一。搬運(yùn)機(jī)器人主要原理是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件進(jìn)行物料的拾取和搬運(yùn)任務(wù)，其各種功能需要設(shè)置拾取機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。靈活度高、精密度高的機(jī)械手臂是工業(yè)生產(chǎn)搬運(yùn)中通常采用的機(jī)械裝備，因其控制系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格高昂，在實(shí)際生活生產(chǎn)應(yīng)用中并不廣泛。

本文研究對(duì)象是基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)器人拾取機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可通過(guò)曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換，該機(jī)構(gòu)能滿足多種運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，同時(shí)便于制造、裝配方便、工作穩(wěn)定，在傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛使用。本文利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks 2020建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型，為得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可利用軟件的Motion模塊對(duì)拾取機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。充分利用分析結(jié)果可使設(shè)計(jì)分析者及時(shí)論證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，并對(duì)產(chǎn)品的制造成本進(jìn)行控制，有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

1? 搬運(yùn)機(jī)器人拾取機(jī)構(gòu)的工作原理

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)由基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)而成，如圖2所示。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿2設(shè)定為機(jī)架時(shí)，滑塊3的運(yùn)動(dòng)軌跡為繞C點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，從而演化為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。曲柄搖塊機(jī)構(gòu)是具有一個(gè)曲柄和一個(gè)搖塊的平面連桿機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化是將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿作用轉(zhuǎn)導(dǎo)為搖塊和連桿的相對(duì)滑動(dòng)，或作相反的運(yùn)動(dòng)變換。本文中設(shè)計(jì)的拾取機(jī)構(gòu)，是由機(jī)械臂（從動(dòng)件AB）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，采用導(dǎo)桿為主動(dòng)件，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)在0°至90°范圍內(nèi)擺動(dòng)。

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)是該拾取機(jī)構(gòu)的主體部分，主要由固定座、機(jī)械臂、活塞桿、活塞氣缸等幾個(gè)部分組成。其裝配簡(jiǎn)圖如圖3所示，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)主動(dòng)件導(dǎo)桿AC作為活塞桿，從動(dòng)件AB設(shè)定為機(jī)械臂，擺動(dòng)搖塊即為活塞氣缸。

初始狀態(tài)下，機(jī)械臂處于水平位置（此時(shí)設(shè)定為0°），隨后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，氣缸中的活塞桿（主動(dòng)件導(dǎo)桿AC）會(huì)作伸出運(yùn)動(dòng)，在活塞桿的推力下，機(jī)械臂（從動(dòng)件AB）會(huì)繞固定座的B點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂會(huì)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中從水平位置旋轉(zhuǎn)至垂直位置（此時(shí)為90°），完成拾取動(dòng)作，由機(jī)械臂前端的抓取機(jī)構(gòu)抓緊物品，隨后在活塞氣缸（擺動(dòng)搖塊）的擺動(dòng)下，使得活塞桿（主動(dòng)件導(dǎo)桿AC）縮回，完成物品拾取和90°的搬運(yùn)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可知，運(yùn)用活塞桿（主動(dòng)件導(dǎo)桿AC）在活塞氣缸內(nèi)的移動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)械臂（從動(dòng)件AB）的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂對(duì)物品的拾取搬運(yùn)功能，配合機(jī)構(gòu)底部滾輪可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)方式，具有精度高、低成本、可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

2? 建模與裝配

2.1 曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)裝配簡(jiǎn)圖，建立一個(gè)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，如圖4所示， AB=60mm，BC=90mm，AC=100mm，BC桿固定（即機(jī)架），活塞氣缸為擺動(dòng)搖塊。為便于對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，設(shè)定曲柄AB桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，將設(shè)定AB桿與BC桿形成夾角的啟始夾角為0°，夾角的定義為作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄AB桿，在轉(zhuǎn)動(dòng)后與BC桿所形成夾角的角度。測(cè)量的夾角的取值范圍在0°至90°。

2.2 各構(gòu)件模型的創(chuàng)建

利用Solidworks軟件對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行建模。利用軟件繪圖功能創(chuàng)建 AB 桿、BC桿、AC桿和滑塊C的三維模型，并將AB桿上兩銷(xiāo)孔的中心距設(shè)置為60mm、BC桿、AC桿和滑塊上兩銷(xiāo)孔的中心距為 90mm、100mm。

3? 運(yùn)動(dòng)仿真與分析

Solidworks Motion 是Solidworks軟件里面一個(gè)重要的仿真模塊，利用模塊插件中的運(yùn)動(dòng)算例可以從模型進(jìn)入到仿真頁(yè)面。在對(duì)裝配體添加原動(dòng)力作為驅(qū)動(dòng)、添加相應(yīng)約束和作用力后，即可對(duì)裝配體狀態(tài)進(jìn)行仿真，對(duì)之前設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證是否正確，從而掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 曲柄搖塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)模型

在Solidworks軟件中完成構(gòu)件的裝配體，按照配合要求，對(duì)零件圓柱銷(xiāo)簡(jiǎn)化，確定各構(gòu)件之間位置關(guān)系，完成該曲柄搖塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的三維模型，如圖5所示。

3.2 曲柄搖塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

在軟件的拾取機(jī)構(gòu)裝配圖中，對(duì)搖塊C、AC桿及BC桿施加定位及約束，對(duì)AC桿添加“馬達(dá)”，在軟件界面左下角單擊“運(yùn)動(dòng)算例”，在“Motion Manager”中選擇“Motion分析”，添加引力，點(diǎn)擊“馬達(dá)”按鈕，在屬性管理器中設(shè)置馬達(dá)的位置、定義AC桿為主動(dòng)件，設(shè)定AC桿為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。設(shè)定馬達(dá)恒定轉(zhuǎn)速60r/min，完成添加配合及驅(qū)動(dòng)。

3.3 曲柄搖塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

AC桿的運(yùn)動(dòng)軌跡為在平面內(nèi)進(jìn)行往復(fù)的擺動(dòng)，搖塊C的運(yùn)動(dòng)軌跡為繞著圓柱銷(xiāo)做擺動(dòng)。運(yùn)動(dòng)分析主要是分析主動(dòng)件的位移、速度和加速度，有X、Y和Z三個(gè)方向。在 Motion 插件里選擇 “結(jié)果和圖解” 命令，確定要分析計(jì)算的參數(shù)。對(duì)于需要求解的AC桿進(jìn)行分析，在“位移/速度/加速度”選項(xiàng)的子類(lèi)別中選擇對(duì)應(yīng)的 “線性位移”、“線性速度”、“線性加速度”選項(xiàng)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)算例屬性、運(yùn)算仿真、檢查運(yùn)動(dòng)，可圖解顯示AC桿的位移曲線，速度曲線和加速度曲線。

3.3.1 主動(dòng)件AC桿的位移分析

利用軟件的Motion插件進(jìn)行位移分析，可圖解顯示AC桿（主動(dòng)件）位移曲線，得出AC桿位移曲線如圖6所示。拾取機(jī)構(gòu)需要有良好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)特性，由圖分析可知，在拾取及搬運(yùn)90°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，拾取速度較慢。說(shuō)明設(shè)計(jì)的拾取機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)特性。

3.3.2 主動(dòng)件AC桿的速度分析

利用軟件的Motion插件進(jìn)行速度分析，可圖解顯示AC桿（主動(dòng)件）速度曲線，如圖7所示，速度曲線呈完整的周期運(yùn)動(dòng)，在0.88～2.32s區(qū)間內(nèi)，AC桿速度較慢，在2.32～3.28s區(qū)間內(nèi)，AC桿速度較快。AC桿的速度曲線符合拾取機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性要求。

3.3.3 主動(dòng)件AC桿的加速度分析

在往復(fù)、高速的運(yùn)動(dòng)機(jī)械中，零件強(qiáng)度及機(jī)械的工作性能往往受慣性力的影響很大，因而有必要分析主動(dòng)件的加速度曲線。主動(dòng)件AC桿加速度曲線如圖8所示， 2.32～3.28s區(qū)間為空行程，圖解顯示該區(qū)間段內(nèi)AC桿的加速度變化大，顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的急回特性;0.88～2.32s區(qū)間為工作行程，圖解顯示該區(qū)間段內(nèi)AC桿的加速度變化平穩(wěn)，符合機(jī)械設(shè)備拾取物料運(yùn)動(dòng)。

4? ?結(jié)語(yǔ)

利用Solidworks軟件可快速繪制機(jī)構(gòu)三維模型并完成機(jī)構(gòu)的裝配體，Solidworks Motion作為虛擬原型機(jī)仿真工具，可幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前期判斷設(shè)計(jì)是否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文針對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人拾取運(yùn)動(dòng)中典型的曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，采用Solidworks Motion模塊對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過(guò)圖解掌握主動(dòng)件的位移、速度和加速度曲線。Solidworks廣泛應(yīng)用于機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，使得機(jī)構(gòu)形象具體、直觀。通過(guò)Solidworks Motion工具，使得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程精確、高效，同時(shí)便于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真分析找出問(wèn)題，消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的繁瑣問(wèn)題。降低機(jī)構(gòu)制作成本，提高生產(chǎn)效率。使用Solidworks Motion工具相應(yīng)功能使得機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的求解過(guò)程變得快捷方便，為后期優(yōu)化曲柄搖塊機(jī)構(gòu)提供基礎(chǔ)。

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