馬志燕

（寶雞文理學(xué)院機(jī)電工程系，陜西寶雞，721000）

基于Pro／E骨架模型的工件抓取輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及優(yōu)化

馬志燕

（寶雞文理學(xué)院機(jī)電工程系，陜西寶雞，721000）

0 引言

工件抓取輸送機(jī)構(gòu)是模仿人手的部分動(dòng)作，按照一定的要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的機(jī)械裝置，能夠按照給定的軌跡和要求實(shí)現(xiàn)輸送動(dòng)作。以最快的速度對(duì)工件抓取輸送裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的圖解法和解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且精度差、參數(shù)調(diào)整困難，不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、可視化設(shè)計(jì)［1］。有一些軟件可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，但是一般都要借助一些數(shù)值分析方法進(jìn)行代碼編程實(shí)現(xiàn)，十分復(fù)雜，而且只能針對(duì)特定位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，如需其他位置分析，還需重新求解和編程。而參數(shù)化設(shè)計(jì)是將模型所有尺寸定義為參數(shù)形式的一種設(shè)計(jì)方法。用戶(hù)可以定義各參數(shù)之間的相互關(guān)系，這樣使得特征之間存在依存關(guān)系。當(dāng)修改某一單獨(dú)特征的參數(shù)時(shí)，會(huì)牽動(dòng)其他與之存在依存關(guān)系的特征進(jìn)行變更，以保持整體的設(shè)計(jì)意圖［2］?；赑ro／E的骨架模型的設(shè)計(jì)方法，是在Pro／E中建立工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的骨架模型，通過(guò)添加關(guān)系式驅(qū)動(dòng)骨架模型尺寸實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用骨架模型的分析優(yōu)化仿真功能，可以建立一個(gè)合理的工件抓取輸送裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)。

1 工件抓取輸送機(jī)構(gòu)及工作原理

工件抓取輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其中工件裝在移動(dòng)件2上面。其工作原理為：凸輪1和凸輪2繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿2、連桿2、搖桿3和滑塊使移動(dòng)件沿水平方向往復(fù)移動(dòng)，搖桿1、連桿1和移動(dòng)件1使移動(dòng)件2沿鉛垂方向往復(fù)移動(dòng)，2個(gè)往復(fù)移動(dòng)的合成就完成了抓取和輸送工件的任務(wù)。

圖1 工件抓取輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

工件抓取輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下：

a.要求凸輪輪廓線(xiàn)按余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，基圓半徑，行程，推程角，遠(yuǎn)休角，回程角，近休角。

b.搖桿2長(zhǎng)的初始值為180 mm，變化范圍170～186 mm；搖桿1長(zhǎng)的初始值為140 mm，變化范圍130～150 mm；搖桿3長(zhǎng)的初始值為50 mm，變化范圍為45～55 mm；連桿2長(zhǎng)的初始值為165 mm，變化范圍為155～175 mm；連桿1長(zhǎng)的初始值為90 mm，變化范圍為80～100 mm。

c.移動(dòng)件2水平位移為40 mm，鉛垂位移為50 mm。

2 應(yīng)用骨架模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的原理

骨架模型是自頂向下設(shè)計(jì)方法強(qiáng)有力的工具之一，而自頂向下的設(shè)計(jì)方法是頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計(jì)規(guī)范到所有相關(guān)子系統(tǒng)，有效地把組件設(shè)計(jì)信息傳遞給各個(gè)子組件或零件，實(shí)現(xiàn)組件的參數(shù)化設(shè)計(jì)［3］。通過(guò)骨架模型作為溝通橋梁，使所有設(shè)計(jì)人員有相同的參考依據(jù)，再分成不同的小組同步進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，所完成的結(jié)果也能反映至最上層組件，這樣便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。骨架模型包含了用以控制全部零件的設(shè)計(jì)需求，在裝配中提供零件或子裝配的設(shè)計(jì)參照，使設(shè)計(jì)信息集中在骨架模型中，并通過(guò)修改骨架模型實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的控制。當(dāng)骨架發(fā)生變化時(shí)，與之相連的實(shí)體模型也將發(fā)生變化［4］。因此，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中，合理設(shè)計(jì)骨架模型，可使得機(jī)構(gòu)優(yōu)化更加快捷、準(zhǔn)確和直觀(guān)。

對(duì)工件抓取輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮抓取輸送動(dòng)作要求及工藝條件等，確定機(jī)構(gòu)的性能、組成和實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)根據(jù)功能要求，確定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，然后創(chuàng)建骨架模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，最后根據(jù)對(duì)所建立的骨架模型進(jìn)行分析和運(yùn)動(dòng)仿真，修改不符合要求的參數(shù)要素，最終完成總體性能最優(yōu)的模型設(shè)計(jì)。

3 機(jī)構(gòu)骨架模型的建立

根據(jù)給出的工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，利用Pro／E軟件，通過(guò)建立骨架模型，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。根據(jù)初步的功能設(shè)計(jì)方案所給出的凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)和各個(gè)桿的初始值，在Pro／E軟件下建立骨架模型，骨架模型是由一些賦予連接形式和設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系的點(diǎn)線(xiàn)面基準(zhǔn)特征組成。建立起的骨架模型如圖2所示，它描述了圖1工件抓取輸送機(jī)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)件及其連接形式。

圖2 工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的骨架模型

骨架模型類(lèi)似于其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖相比較，又有一些可變化、可運(yùn)動(dòng)、可優(yōu)化分析、可測(cè)量和可實(shí)體化的優(yōu)點(diǎn)。它經(jīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)而成，改變參數(shù)的數(shù)值就可以改變骨架模型，而且可以按照給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求運(yùn)動(dòng)起來(lái)，同時(shí)可對(duì)其進(jìn)行敏感度分析、可行性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)最終找到達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的最佳方案。還可以對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行幾何測(cè)量和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量，達(dá)到對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析的目的，最后按照最佳方案，生成各個(gè)構(gòu)件的三維實(shí)體，并將它們組成三維組件，對(duì)組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求［5］。

4 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化

在完成了骨架模型建立的基礎(chǔ)上，可以對(duì)骨架模型進(jìn)行幾何測(cè)量和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，選擇參數(shù)并求出所選參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，設(shè)立關(guān)系，建立追求目標(biāo)與測(cè)量參數(shù)間的數(shù)量關(guān)系。

4.1 敏感度分析及可行性分析

在建立好了骨架模型后，利用系統(tǒng)中的機(jī)構(gòu)分析中的分析功能對(duì)圖2骨架模型中執(zhí)行構(gòu)件上的點(diǎn)A的水平位移和鉛垂位移進(jìn)行測(cè)量，整個(gè)骨架模型會(huì)按照構(gòu)件運(yùn)動(dòng)要求運(yùn)動(dòng)起來(lái)，并可以得出點(diǎn)A的水平位移和鉛垂位移，在得出的測(cè)量結(jié)果中可以看出，在根據(jù)功能要求所設(shè)定的初始值下建立的骨架模型，其A點(diǎn)的水平位移為35.257 217 mm，鉛垂位移為48.660 257 mm，和本次工件抓取輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：移動(dòng)件2水平位移為40 mm，鉛垂位移為50 mm比較，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，所以應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行可行性分析，在進(jìn)行性可行性分析前，還應(yīng)通過(guò)敏感度分析，搞清楚追求的目標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，便于合理的調(diào)整參數(shù)。

敏感度分析就是以圖像形式表示追求目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量間的函數(shù)關(guān)系，從而確定設(shè)計(jì)變量的取值范圍；可行性分析就是在設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)，找出能實(shí)現(xiàn)約束條件的可行方案。

利用系統(tǒng)中的敏感度分析功能，分別將設(shè)計(jì)目標(biāo)移動(dòng)件2的水平位移和鉛垂位移隨著設(shè)計(jì)變量搖桿2、搖桿3、連桿2、連桿1和搖桿1長(zhǎng)度的變化之間的曲線(xiàn)得出，從而從中分析設(shè)計(jì)變量對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響程度，然后進(jìn)一步根據(jù)影響程度調(diào)整設(shè)計(jì)變量以得到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)敏感度分析后得出的曲線(xiàn)可以得出以下結(jié)論：移動(dòng)件2的水平位移隨搖桿2長(zhǎng)度的加長(zhǎng)先增大后減小，其中在173 mm時(shí)最大；隨搖桿3長(zhǎng)度的加大而增大；隨連桿2長(zhǎng)度的加大而增大；隨連桿1和搖桿1長(zhǎng)度的加大而不變化。移動(dòng)件2的鉛垂位移隨搖桿1長(zhǎng)度的加大而減小；隨連桿1長(zhǎng)度的加大而減小，而隨著搖桿2、搖桿3和連桿2長(zhǎng)度的加長(zhǎng)而不變。也就是說(shuō)，可以通過(guò)調(diào)整搖桿2、搖桿3和連桿2的長(zhǎng)度來(lái)確保水平位移達(dá)到預(yù)定的要求，通過(guò)調(diào)整搖桿1和連桿1的長(zhǎng)度來(lái)確保鉛垂位移達(dá)到的預(yù)定要求。

根據(jù)實(shí)際給定的移動(dòng)件2的水平位移和鉛垂位移要求，以及上述的敏感度分析的結(jié)果，調(diào)整各個(gè)桿長(zhǎng)，并利用軟件中提供的優(yōu)化可行性分析功能進(jìn)行可行性計(jì)算，在設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)計(jì)算出調(diào)整前后桿長(zhǎng)，如表1所示，并根據(jù)各個(gè)桿長(zhǎng)與移動(dòng)件2位移之間的關(guān)系，利用分析功能給出調(diào)整前后相應(yīng)的水平位移和鉛垂位移，如表2所示。

其中，第1次調(diào)整只針對(duì)影響水平位移的影響參數(shù)而進(jìn)行的，經(jīng)過(guò)第1次調(diào)整只是使水平位移滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行第2次調(diào)整才使影響垂直位移的桿長(zhǎng)參數(shù)也得到了優(yōu)化，從而使水平位移和數(shù)值位移都滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，凸輪1和凸輪2尺寸也屬于設(shè)計(jì)變量，會(huì)影響到設(shè)計(jì)目標(biāo)的取值。當(dāng)調(diào)整凸輪1和凸輪2尺寸參數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的水平位移和鉛垂位移也會(huì)發(fā)生變化。在其他參數(shù)不變化，只改變行程H時(shí)，具體變化情況如表3所示。所以，根據(jù)實(shí)際情況，也可以通過(guò)調(diào)整凸輪的參數(shù)來(lái)優(yōu)化整個(gè)機(jī)構(gòu)，從而使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 調(diào)整前后桿長(zhǎng)參數(shù)變化情況 mm

表2 調(diào)整水平位移和鉛垂位移變化情況 mm

表3 移動(dòng)件2水平位移和鉛垂位移隨凸輪行程H變化情況 mm

從以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)調(diào)整桿長(zhǎng)參數(shù)和凸輪參數(shù)時(shí)，移動(dòng)件2上一點(diǎn)A的軌跡線(xiàn)會(huì)發(fā)生變化，變化情況如圖3所示。

圖3 移動(dòng)件2上一點(diǎn)A調(diào)整后3種情況軌跡線(xiàn)

4.2 工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

在Pro／E軟件下，對(duì)工件抓取輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真［6］，對(duì)骨架模型定義伺服電動(dòng)機(jī)后，即可建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，從而生成可視化的相關(guān)的位移、速度和加速度曲線(xiàn)，輸出分析結(jié)果。

利用運(yùn)動(dòng)分析功能對(duì)工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行位移分析、速度分析和加速度分析，繪制出移動(dòng)件2上一點(diǎn)A水平位移和鉛垂位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，水平速度和鉛垂速度以及水平加速度和鉛垂加速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，并在運(yùn)動(dòng)分析框中生成所選測(cè)量項(xiàng)的最大值、最小值和發(fā)生時(shí)間。移動(dòng)件2上點(diǎn)A的位移、速度和加速度變化曲線(xiàn)如圖4～圖6所示。

圖4 移動(dòng)件2A點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)

圖5 移動(dòng)件2A點(diǎn)速度變化曲線(xiàn)

圖6 移動(dòng)件2A點(diǎn)加速度變化曲線(xiàn)

從圖5、圖6可以看出移動(dòng)件2在水平方向和鉛垂方向均做變速運(yùn)動(dòng)，在推程和回程加速度按照余弦規(guī)律變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用骨架模型的設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是利用構(gòu)建機(jī)構(gòu)的骨架模型來(lái)傳遞設(shè)計(jì)信息，在給定的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的初步設(shè)計(jì)，并根據(jù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸和所設(shè)參數(shù)之間的關(guān)系首先建立骨架模型，使得每個(gè)零件都嚴(yán)格且精確地遵循整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和布局要求，更有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更的一致性。同時(shí)能夠方便地獲得機(jī)構(gòu)中任意位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，并且通過(guò)改變參數(shù)，可以得到各個(gè)測(cè)量參數(shù)隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化規(guī)律。基于骨架模型的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法提高了設(shè)計(jì)精度和準(zhǔn)確性，縮短了設(shè)計(jì)和變更的時(shí)間周期。

［1］ 康愛(ài)軍，陳飛，程剛，等.基于骨架模型曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（6）：39 -41.

［2］ 王詠梅，李春茂，張瑞萍，等.Pro／ENGINEER Wildfire5.0中文版基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］ 曹振宇，王宗彥，秦惠斌，等.門(mén)式起重機(jī)支腿自頂而下的設(shè)計(jì)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014，30（4）：141- 147.

［4］ 謝英星.基于Pro／E骨架模型的管道閥門(mén)參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2014，35（6）：242- 244.

［5］ 江帆.Pro／ENGINEER綜合應(yīng)用實(shí)例分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［6］ 和青方，徐征.Pro／ENGINEERWildfire產(chǎn)品設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Motion Analysis and Optimization of Workpiece Grabbing Handling Mechanism Based on a Pro／E Skeleton Model

MA Zhiyan
（Department of Mechanical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721000，China）

對(duì)工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行深入的分析，并對(duì)其主要參數(shù)提出設(shè)計(jì)要求，利用Pro／E對(duì)其進(jìn)行骨架模型的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。該設(shè)計(jì)思路完善了工件抓取輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，可以縮短設(shè)計(jì)周期，增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性，降低生產(chǎn)成本，為教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

工件抓取輸送機(jī)構(gòu)；Pro／E；骨架模型；運(yùn)動(dòng)分析

A thorough analysis of the basic structure and working principles of workpiece gripping is completed，and the design requirements of the main parameters are put forward.The skeleton model is designed using Pro／E and motion analysis and design optimization is completed.The design idea improves the grabbing and handling mechanism，improves the traditional design method，can shorten the design cycle，increases the feasibility of the product design，reduces production costs，and provides guidance for teaching and production practices.

work piece gripping conveying mechanism；Pro／E；skeleton model；motion analysis

TH16

A

1001- 2257（2015）08- 0010- 04

馬志燕 （1980-）女，遼寧朝陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

2015-03-12

寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（ZK14068）