基于UG環(huán)境下高效連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

（云南省昆明市昆明冶金高等專(zhuān)科學(xué)校，昆明市，650033） 張正祺

1 緒論

伴隨著我國(guó)制造行業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)制造行業(yè)的整體技術(shù)水平也在不斷進(jìn)步。同時(shí)公眾對(duì)于各類(lèi)設(shè)備的各項(xiàng)要求也隨之提高，所以針對(duì)當(dāng)前公眾的需求對(duì)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和調(diào)整十分有必要。連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，針對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的研究與優(yōu)化，相當(dāng)于從結(jié)構(gòu)上提升了各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。本文基于UG 軟件對(duì)高校連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件來(lái)模擬出連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行的最優(yōu)方式，以此來(lái)讓連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行得更加高效。

2 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬

2.1 建立模型

本次研究基于UG 的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)工廠(chǎng)機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的仿真和分析。針對(duì)與UG的強(qiáng)大功能，本次建模的主要途徑是利用特征添加來(lái)完成建模零件的主體，同時(shí)基于實(shí)際的用途情況對(duì)三維模型進(jìn)行修正。同時(shí)，在建立好工廠(chǎng)機(jī)器臂的連桿機(jī)構(gòu)主體后，需要對(duì)參數(shù)特征進(jìn)行優(yōu)化。本次工廠(chǎng)機(jī)器臂的兩岸主題有限元模型的單元大小為1mm，利用網(wǎng)格來(lái)對(duì)單元進(jìn)行相應(yīng)的劃分，最后得出節(jié)點(diǎn)數(shù)目為78 619個(gè)，單元數(shù)目為27 686個(gè)。

該機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)首先是可以直接對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，對(duì)電焊的位置進(jìn)行修正，而不需要對(duì)原動(dòng)件的位置進(jìn)行改動(dòng)，其次在于能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整相應(yīng)的部件，對(duì)機(jī)械臂的連桿曲線(xiàn)和構(gòu)件尺寸就行修改，第三是承載能力較強(qiáng)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相較同類(lèi)型產(chǎn)品都有較大的進(jìn)步，第四是可拆卸性，方便檢修人員進(jìn)行調(diào)整或者檢修，第五是針對(duì)較遠(yuǎn)距離的作業(yè)能夠進(jìn)行距離的調(diào)整。但其缺點(diǎn)也同樣明顯，首先是機(jī)械臂的精度較高，如果在安裝過(guò)程中不夠規(guī)范就很容易造成精確上的失誤，其次是機(jī)械臂的幾何鎖合會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的間隙，如果使用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者不夠規(guī)范就會(huì)造成自鎖，同時(shí)因?yàn)樵O(shè)計(jì)問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)沖擊、噪音和振動(dòng)現(xiàn)象。本次研究主要是針對(duì)該機(jī)械臂的此類(lèi)缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 分析準(zhǔn)備

運(yùn)動(dòng)分析的第一步是對(duì)該連桿進(jìn)行定義，本次模型為工廠(chǎng)機(jī)器臂的實(shí)體模型，實(shí)體質(zhì)量為5kg，其上臂可承受19kg 的負(fù)載，臂展1 440mm，主體為連桿機(jī)構(gòu)，主要用途是鋼板材料進(jìn)行電焊切割，被很多制造業(yè)工廠(chǎng)所采用的。其力學(xué)特性如下，機(jī)械臂外殼的密度為6 740kg·m-3，屈服強(qiáng)度為270MPa，抗拉強(qiáng)度為544MPa，伸長(zhǎng)率為12%，收縮率為34%。連桿的連接處通過(guò)螺栓和預(yù)緊力進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)連桿的小頭設(shè)置了尺寸較小的活塞銷(xiāo)潤(rùn)滑油孔，具備前后結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)和左右對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。在進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)忽略較小的圓角和相關(guān)的圓滑過(guò)渡。

第二步是針對(duì)該連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的定義，運(yùn)動(dòng)副能夠決定機(jī)械運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，基于連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，我們可以確定連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副為旋轉(zhuǎn)副，能夠經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，在方向選擇上針對(duì)桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直。同時(shí)該機(jī)械臂為連桿機(jī)構(gòu)中的嚙合連桿機(jī)構(gòu)，它的兩個(gè)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)副原點(diǎn)相同，在進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下所完成的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量有所不同。該機(jī)械臂所涉及的其他運(yùn)動(dòng)副并非機(jī)械臂的主要運(yùn)動(dòng)副，所以在此不多作贅述。

第三步是針對(duì)該機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行定義，該機(jī)械臂的連桿構(gòu)件為機(jī)械臂的主動(dòng)件，在運(yùn)動(dòng)副定義的同時(shí)將驅(qū)動(dòng)進(jìn)行定義，該機(jī)械臂的具體特征為往復(fù)運(yùn)動(dòng)。整體屬于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，在機(jī)械臂上各安裝一個(gè)電機(jī)，具備了能耗少、負(fù)載少、方便調(diào)整和補(bǔ)足全驅(qū)動(dòng)方案等優(yōu)勢(shì)。

最后是針對(duì)該機(jī)械臂進(jìn)行應(yīng)力分析，連桿優(yōu)化邊界的條件基本可以分為荷載邊界條件和約束邊界條件兩種。約束邊界條件包括桿身、大頭、小偷、連桿蓋的約束，荷載邊界條件主要是針對(duì)連桿的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)化的角速度，進(jìn)而計(jì)算出連桿的最大拉力。通過(guò)帶入荷載邊界條件和約束邊界條件，就能夠針對(duì)該機(jī)械臂進(jìn)行分析。

3 基于UG的高效連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

首先，建模模塊是UG軟件的基礎(chǔ)，也就是默認(rèn)初始模塊。要執(zhí)行相關(guān)的編程，必須把標(biāo)準(zhǔn)建模模塊轉(zhuǎn)換為處理模塊，這就是CAM輸入初始化。CAM初始化后需創(chuàng)造UG處理模塊的任務(wù)視圖對(duì)象的鏈接，用戶(hù)收到屬于程序的進(jìn)程視圖機(jī)視圖工件的幾何形狀的觀(guān)看和處理方法查看相關(guān)畫(huà)面視圖。這些視圖也被也稱(chēng)為編輯操作的四個(gè)節(jié)點(diǎn)組。

其次，操作的四個(gè)視圖節(jié)點(diǎn)組對(duì)象的創(chuàng)建完成就可以創(chuàng)建加工操作。處理操作被添加到每個(gè)視圖的節(jié)點(diǎn)組以繼承節(jié)點(diǎn)中相關(guān)幾何物理類(lèi)型的參數(shù)。同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)組仍然可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置方法設(shè)置加工操作中的其他工藝參數(shù)。

第三，生成的相關(guān)文件主要是位置文件和連桿軌跡，而對(duì)這些連桿進(jìn)行控制包含數(shù)控加工工藝的全部信息，是整個(gè)機(jī)械臂加工模塊的主要部分。這就需要可以單獨(dú)設(shè)置操作中的參數(shù)，也可以從幾何節(jié)點(diǎn)組或處理方法節(jié)點(diǎn)組直接繼承相關(guān)數(shù)據(jù)。而系統(tǒng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而判斷出加工的難度，如果加工偏難，就可能需要復(fù)雜的操作和繁多的連桿，利用多種多樣的加工方式進(jìn)行加工；如果加工簡(jiǎn)單，有可能只需要一個(gè)操作就能實(shí)現(xiàn)全部的加工過(guò)程。所以說(shuō)UG 的數(shù)控加工編程過(guò)程，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一種系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的分類(lèi)和排序。

第四，當(dāng)使用UG的加工模塊進(jìn)行相關(guān)的編程，無(wú)論是在那一個(gè)步驟內(nèi)，都需要對(duì)相關(guān)對(duì)象進(jìn)行類(lèi)型和子類(lèi)型的選擇。例如，如果要?jiǎng)?chuàng)建連桿，首先在連桿視圖中選擇相應(yīng)的類(lèi)型。這些默認(rèn)類(lèi)型和子類(lèi)型是UGCNC處理模塊提供的處理模板。處理模板本質(zhì)上是預(yù)先設(shè)置的組件文件，并存儲(chǔ)四個(gè)視圖節(jié)點(diǎn)的信息。

第五，驅(qū)動(dòng)方式。完成上述的步驟就相當(dāng)于定義了驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，之后驅(qū)動(dòng)連桿就可以進(jìn)行加工。當(dāng)機(jī)械臂加工復(fù)雜的空間表面時(shí)，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)通常由彎曲的驅(qū)動(dòng)方法形成。表面驅(qū)動(dòng)器是表面網(wǎng)格上的一系列均勻行和列的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列的定義。驅(qū)動(dòng)表面可以是平坦表面或曲面，但是驅(qū)動(dòng)表面必須滿(mǎn)足恒定平滑度的要求。

最后，生成優(yōu)化后的連桿機(jī)構(gòu)位置文件。創(chuàng)建連桿位置文件的過(guò)程主要分為兩步驟：第一步計(jì)算相關(guān)的運(yùn)動(dòng)路徑，第二步創(chuàng)建并保存相關(guān)的位置文件。在計(jì)算工具的路徑之前，需要調(diào)用對(duì)象。該工具在程序的主目錄中創(chuàng)建，之后創(chuàng)建的操作對(duì)象。然后瀏覽它的大致內(nèi)容，了解要生成工具的運(yùn)動(dòng)軌跡，之后就可以調(diào)用函數(shù)UF_PARAM_generate（...），并且可以直接在編輯的形狀上顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。如果運(yùn)動(dòng)軌跡滿(mǎn)足處理要求，則不會(huì)發(fā)生干涉并生成工具位置文件，進(jìn)而完成機(jī)械臂高效連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4 總結(jié)

總而言之，高效連桿機(jī)構(gòu)的研究還需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)技術(shù)的更新、實(shí)際的應(yīng)用情況、人員操作能力等條件進(jìn)行調(diào)整，才能更好的因地制宜制定出相應(yīng)的高效連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本次所設(shè)計(jì)的相關(guān)方案還需要結(jié)合更多的變量進(jìn)行調(diào)整，筆者在以后的工作生活中也將繼續(xù)深入此方面的研究，共同為我國(guó)當(dāng)前的高效連桿機(jī)構(gòu)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。