基于Pro／E骨架模型的工件抓取輸送機構運動分析及優(yōu)化

馬志燕

（寶雞文理學院機電工程系，陜西寶雞，721000）

基于Pro／E骨架模型的工件抓取輸送機構運動分析及優(yōu)化

馬志燕

（寶雞文理學院機電工程系，陜西寶雞，721000）

0 引言

工件抓取輸送機構是模仿人手的部分動作，按照一定的要求實現自動抓取、搬運和操作的機械裝置，能夠按照給定的軌跡和要求實現輸送動作。以最快的速度對工件抓取輸送裝置進行機構設計與優(yōu)化是關鍵。

傳統(tǒng)的圖解法和解析法進行機構設計不僅效率低，勞動強度大，而且精度差、參數調整困難，不能實現參數化、可視化設計［1］。有一些軟件可以對機構進行設計和優(yōu)化，但是一般都要借助一些數值分析方法進行代碼編程實現，十分復雜，而且只能針對特定位置的運動學進行分析，如需其他位置分析，還需重新求解和編程。而參數化設計是將模型所有尺寸定義為參數形式的一種設計方法。用戶可以定義各參數之間的相互關系，這樣使得特征之間存在依存關系。當修改某一單獨特征的參數時，會牽動其他與之存在依存關系的特征進行變更，以保持整體的設計意圖［2］?；赑ro／E的骨架模型的設計方法，是在Pro／E中建立工件抓取輸送機構的骨架模型，通過添加關系式驅動骨架模型尺寸實現參數化設計。利用骨架模型的分析優(yōu)化仿真功能，可以建立一個合理的工件抓取輸送裝置的參數化設計與仿真系統(tǒng)。

1 工件抓取輸送機構及工作原理

工件抓取輸送機構簡圖如圖1所示，其中工件裝在移動件2上面。其工作原理為：凸輪1和凸輪2繞A點轉動，搖桿2、連桿2、搖桿3和滑塊使移動件沿水平方向往復移動，搖桿1、連桿1和移動件1使移動件2沿鉛垂方向往復移動，2個往復移動的合成就完成了抓取和輸送工件的任務。

圖1 工件抓取輸送機構簡圖

工件抓取輸送機構設計要求如下：

a.要求凸輪輪廓線按余弦加速度運動規(guī)律設計，基圓半徑，行程，推程角，遠休角，回程角，近休角。

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

c.移動件2水平位移為40 mm，鉛垂位移為50 mm。

2 應用骨架模型進行機構設計優(yōu)化的原理

骨架模型是自頂向下設計方法強有力的工具之一，而自頂向下的設計方法是頂層的產品結構傳遞設計規(guī)范到所有相關子系統(tǒng)，有效地把組件設計信息傳遞給各個子組件或零件，實現組件的參數化設計［3］。通過骨架模型作為溝通橋梁，使所有設計人員有相同的參考依據，再分成不同的小組同步進行產品開發(fā)，所完成的結果也能反映至最上層組件，這樣便于及時發(fā)現問題。骨架模型包含了用以控制全部零件的設計需求，在裝配中提供零件或子裝配的設計參照，使設計信息集中在骨架模型中，并通過修改骨架模型實現對整個產品的控制。當骨架發(fā)生變化時，與之相連的實體模型也將發(fā)生變化［4］。因此，在機構設計與優(yōu)化過程中，合理設計骨架模型，可使得機構優(yōu)化更加快捷、準確和直觀。

對工件抓取輸送機構設計時綜合考慮抓取輸送動作要求及工藝條件等，確定機構的性能、組成和實現方式，同時根據功能要求，確定機構設計方案，然后創(chuàng)建骨架模型進行參數化設計，最后根據對所建立的骨架模型進行分析和運動仿真，修改不符合要求的參數要素，最終完成總體性能最優(yōu)的模型設計。

3 機構骨架模型的建立

根據給出的工件抓取輸送機構的設計要求，利用Pro／E軟件，通過建立骨架模型，對機構進行設計、分析和優(yōu)化。根據初步的功能設計方案所給出的凸輪機構的參數和各個桿的初始值，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計參數關系的點線面基準特征組成。建立起的骨架模型如圖2所示，它描述了圖1工件抓取輸送機構中的各個構件及其連接形式。

圖2 工件抓取輸送機構的骨架模型

骨架模型類似于其機構運動簡圖，與機構運動簡圖相比較，又有一些可變化、可運動、可優(yōu)化分析、可測量和可實體化的優(yōu)點。它經參數化設計而成，改變參數的數值就可以改變骨架模型，而且可以按照給定運動規(guī)律要求運動起來，同時可對其進行敏感度分析、可行性分析和優(yōu)化設計最終找到達到優(yōu)化目標的最佳方案。還可以對各個零件進行幾何測量和運動學測量，達到對機構進行分析的目的，最后按照最佳方案，生成各個構件的三維實體，并將它們組成三維組件，對組件進行運動仿真和分析，驗證所設計的機構是否滿足設計要求［5］。

4 機構的運動仿真及優(yōu)化

在完成了骨架模型建立的基礎上，可以對骨架模型進行幾何測量和運動學測量，進行運動分析，選擇參數并求出所選參數隨時間變化的曲線，設立關系，建立追求目標與測量參數間的數量關系。

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)中的機構分析中的分析功能對圖2骨架模型中執(zhí)行構件上的點A的水平位移和鉛垂位移進行測量，整個骨架模型會按照構件運動要求運動起來，并可以得出點A的水平位移和鉛垂位移，在得出的測量結果中可以看出，在根據功能要求所設定的初始值下建立的骨架模型，其A點的水平位移為35.257 217 mm，鉛垂位移為48.660 257 mm，和本次工件抓取輸送機構設計要求：移動件2水平位移為40 mm，鉛垂位移為50 mm比較，不滿足設計要求，所以應對模型進行可行性分析，在進行性可行性分析前，還應通過敏感度分析，搞清楚追求的目標與設計參數之間的關系，便于合理的調整參數。

敏感度分析就是以圖像形式表示追求目標和設計變量間的函數關系，從而確定設計變量的取值范圍；可行性分析就是在設計變量的取值范圍內，找出能實現約束條件的可行方案。

利用系統(tǒng)中的敏感度分析功能，分別將設計目標移動件2的水平位移和鉛垂位移隨著設計變量搖桿2、搖桿3、連桿2、連桿1和搖桿1長度的變化之間的曲線得出，從而從中分析設計變量對設計目標的影響程度，然后進一步根據影響程度調整設計變量以得到預定的設計要求。

根據敏感度分析后得出的曲線可以得出以下結論：移動件2的水平位移隨搖桿2長度的加長先增大后減小，其中在173 mm時最大；隨搖桿3長度的加大而增大；隨連桿2長度的加大而增大；隨連桿1和搖桿1長度的加大而不變化。移動件2的鉛垂位移隨搖桿1長度的加大而減??；隨連桿1長度的加大而減小，而隨著搖桿2、搖桿3和連桿2長度的加長而不變。也就是說，可以通過調整搖桿2、搖桿3和連桿2的長度來確保水平位移達到預定的要求，通過調整搖桿1和連桿1的長度來確保鉛垂位移達到的預定要求。

根據實際給定的移動件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果，調整各個桿長，并利用軟件中提供的優(yōu)化可行性分析功能進行可行性計算，在設計變量的取值范圍內計算出調整前后桿長，如表1所示，并根據各個桿長與移動件2位移之間的關系，利用分析功能給出調整前后相應的水平位移和鉛垂位移，如表2所示。

其中，第1次調整只針對影響水平位移的影響參數而進行的，經過第1次調整只是使水平位移滿足了設計要求，在此基礎上進行第2次調整才使影響垂直位移的桿長參數也得到了優(yōu)化，從而使水平位移和數值位移都滿足了設計要求。同時，凸輪1和凸輪2尺寸也屬于設計變量，會影響到設計目標的取值。當調整凸輪1和凸輪2尺寸參數時，對應的水平位移和鉛垂位移也會發(fā)生變化。在其他參數不變化，只改變行程H時，具體變化情況如表3所示。所以，根據實際情況，也可以通過調整凸輪的參數來優(yōu)化整個機構，從而使其達到設計要求。

表1 調整前后桿長參數變化情況 mm

表2 調整水平位移和鉛垂位移變化情況 mm

表3 移動件2水平位移和鉛垂位移隨凸輪行程H變化情況 mm

從以上數據可以看出，當調整桿長參數和凸輪參數時，移動件2上一點A的軌跡線會發(fā)生變化，變化情況如圖3所示。

圖3 移動件2上一點A調整后3種情況軌跡線

4.2 工件抓取輸送機構的運動仿真

在Pro／E軟件下，對工件抓取輸送機構進行運動學仿真［6］，對骨架模型定義伺服電動機后，即可建立機構的運動仿真，從而生成可視化的相關的位移、速度和加速度曲線，輸出分析結果。

利用運動分析功能對工件抓取輸送機構的模型進行位移分析、速度分析和加速度分析，繪制出移動件2上一點A水平位移和鉛垂位移隨時間變化曲線，水平速度和鉛垂速度以及水平加速度和鉛垂加速度隨時間變化曲線，并在運動分析框中生成所選測量項的最大值、最小值和發(fā)生時間。移動件2上點A的位移、速度和加速度變化曲線如圖4～圖6所示。

圖4 移動件2A點位移變化曲線

圖5 移動件2A點速度變化曲線

圖6 移動件2A點加速度變化曲線

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

5 結束語

通過應用骨架模型的設計理念來實現工件抓取輸送機構的設計，是利用構建機構的骨架模型來傳遞設計信息，在給定的設計要求的基礎上進行模型的初步設計，并根據構件的運動尺寸和所設參數之間的關系首先建立骨架模型，使得每個零件都嚴格且精確地遵循整體設計結構和布局要求，更有利于產品設計變更的一致性。同時能夠方便地獲得機構中任意位置的運動學規(guī)律，并且通過改變參數，可以得到各個測量參數隨設計參數的變化規(guī)律?；诠羌苣Ｐ偷臋C構設計與優(yōu)化的方法提高了設計精度和準確性，縮短了設計和變更的時間周期。

［1］ 康愛軍，陳飛，程剛，等.基于骨架模型曲柄滑塊機構的參數化設計與仿真［J］.機械設計與制造，2012（6）：39 -41.

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

［3］ 曹振宇，王宗彥，秦惠斌，等.門式起重機支腿自頂而下的設計方法［J］.機械設計與研究，2014，30（4）：141- 147.

［4］ 謝英星.基于Pro／E骨架模型的管道閥門參數化設計［J］.煤礦機械，2014，35（6）：242- 244.

［5］ 江帆.Pro／ENGINEER綜合應用實例分析［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［6］ 和青方，徐征.Pro／ENGINEERWildfire產品設計與機構動力學分析［M］.北京：機械工業(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）

對工件抓取輸送機構的基本結構和工作原理進行深入的分析，并對其主要參數提出設計要求，利用Pro／E對其進行骨架模型的設計，同時完成運動分析和設計優(yōu)化。該設計思路完善了工件抓取輸送機構的設計，改善了傳統(tǒng)的設計方法，可以縮短設計周期，增加產品設計的可行性，降低生產成本，為教學和生產實踐提供指導。

工件抓取輸送機構；Pro／E；骨架模型；運動分析

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，遼寧朝陽人，碩士，講師，研究方向為機械設計及計算機輔助設計。

2015-03-12

寶雞文理學院重點項目（ZK14068）