基于Solidworks的搬運機器人拾取機構的運動仿真與分析

周登攀

摘要：采用Solidworks軟件，對搬運機器人拾取運動中典型的曲柄搖塊機構進行建模、裝配，利用Solidworks Motion模塊中添加約束、加載馬達等功能，對曲柄搖塊機構主動件進行運動分析，通過運動仿真，可及時顯示運動軌跡與運動參數，驗證是否符合要求。該方法可為工程技術人員進行初始設計提供參考依據，對機構的優化設計提供可靠的基礎，提高設計效率。

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.

關鍵詞：Solidworks;拾取機構;運動仿真;運動分析

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

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0098-03

0? 引言

搬運機器人由于可模仿人的肢體運動、替代人類完成重復的物料輸送、傳遞等搬運功能，具有很廣泛的使用場景。設計中，可給搬運機器人安裝不同的末端執行器來完成各種不同形狀和狀態的工件搬運，是實現生產自動化的有效途徑之一。搬運機器人主要原理是利用電機驅動執行件進行物料的拾取和搬運任務，其各種功能需要設置拾取機構來實現。靈活度高、精密度高的機械手臂是工業生產搬運中通常采用的機械裝備，因其控制系統復雜、價格高昂，在實際生活生產應用中并不廣泛。

本文研究對象是基于曲柄滑塊機構的機器人拾取機構，其結構如圖1所示。曲柄滑塊機構可通過曲柄和滑塊來實現轉動和移動相互轉換，該機構能滿足多種運動軌跡、運動規律的要求，同時便于制造、裝配方便、工作穩定，在傳動系統中廣泛使用。本文利用計算機輔助設計軟件Solidworks 2020建立曲柄滑塊機構模型，為得到機構的運動規律，可利用軟件的Motion模塊對拾取機構進行運動仿真分析。充分利用分析結果可使設計分析者及時論證機構設計的可行性，并對產品的制造成本進行控制，有效縮短產品開發周期。

1? 搬運機器人拾取機構的工作原理

曲柄搖塊機構由基于曲柄滑塊機構進行二次設計而成，如圖2所示。曲柄滑塊機構中的連桿2設定為機架時，滑塊3的運動軌跡為繞C點進行往復擺動，從而演化為曲柄搖塊機構。曲柄搖塊機構是具有一個曲柄和一個搖塊的平面連桿機構。運動的轉化是將曲柄的旋轉運動通過連桿作用轉導為搖塊和連桿的相對滑動，或作相反的運動變換。本文中設計的拾取機構，是由機械臂（從動件AB）進行驅動，在結構設計部分，采用導桿為主動件，該機構的運動在0°至90°范圍內擺動。

曲柄搖塊機構是該拾取機構的主體部分，主要由固定座、機械臂、活塞桿、活塞氣缸等幾個部分組成。其裝配簡圖如圖3所示，在機構設計中，設計主動件導桿AC作為活塞桿，從動件AB設定為機械臂，擺動搖塊即為活塞氣缸。

初始狀態下，機械臂處于水平位置（此時設定為0°），隨后開始運動，氣缸中的活塞桿（主動件導桿AC）會作伸出運動，在活塞桿的推力下，機械臂（從動件AB）會繞固定座的B點做轉動，機械臂會在轉動過程中從水平位置旋轉至垂直位置（此時為90°），完成拾取動作，由機械臂前端的抓取機構抓緊物品，隨后在活塞氣缸（擺動搖塊）的擺動下，使得活塞桿（主動件導桿AC）縮回，完成物品拾取和90°的搬運。通過運動過程可知，運用活塞桿（主動件導桿AC）在活塞氣缸內的移動，導致機械臂（從動件AB）的轉動和移動，實現了機械臂對物品的拾取搬運功能，配合機構底部滾輪可對機構進行移動。相比于傳統的電機齒輪驅動方式，具有精度高、低成本、可移動等優點。

2? 建模與裝配

2.1 曲柄搖塊機構的數學模型

根據裝配簡圖，建立一個曲柄搖塊機構數學模型，如圖4所示， AB=60mm，BC=90mm，AC=100mm，BC桿固定（即機架），活塞氣缸為擺動搖塊。為便于對數學模型進行分析，設定曲柄AB桿的轉動方向為順時針，將設定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針轉動的曲柄AB桿，在轉動后與BC桿所形成夾角的角度。測量的夾角的取值范圍在0°至90°。

2.2 各構件模型的創建

利用Solidworks軟件對各構件進行建模。利用軟件繪圖功能創建 AB 桿、BC桿、AC桿和滑塊C的三維模型，并將AB桿上兩銷孔的中心距設置為60mm、BC桿、AC桿和滑塊上兩銷孔的中心距為 90mm、100mm。

3? 運動仿真與分析

Solidworks Motion 是Solidworks軟件里面一個重要的仿真模塊，利用模塊插件中的運動算例可以從模型進入到仿真頁面。在對裝配體添加原動力作為驅動、添加相應約束和作用力后，即可對裝配體狀態進行仿真，對之前設計環節進行驗證是否正確，從而掌握機構設計的可行性。

3.1 曲柄搖塊機構傳動模型

在Solidworks軟件中完成構件的裝配體，按照配合要求，對零件圓柱銷簡化，確定各構件之間位置關系，完成該曲柄搖塊機構傳動的三維模型，如圖5所示。

3.2 曲柄搖塊機構運動仿真

在軟件的拾取機構裝配圖中，對搖塊C、AC桿及BC桿施加定位及約束，對AC桿添加“馬達”，在軟件界面左下角單擊“運動算例”，在“Motion Manager”中選擇“Motion分析”，添加引力，點擊“馬達”按鈕，在屬性管理器中設置馬達的位置、定義AC桿為主動件，設定AC桿為逆時針旋轉，模擬機構運動。設定馬達恒定轉速60r/min，完成添加配合及驅動。

3.3 曲柄搖塊機構運動分析

AC桿的運動軌跡為在平面內進行往復的擺動，搖塊C的運動軌跡為繞著圓柱銷做擺動。運動分析主要是分析主動件的位移、速度和加速度，有X、Y和Z三個方向。在 Motion 插件里選擇 “結果和圖解” 命令，確定要分析計算的參數。對于需要求解的AC桿進行分析，在“位移/速度/加速度”選項的子類別中選擇對應的 “線性位移”、“線性速度”、“線性加速度”選項，設置運動算例屬性、運算仿真、檢查運動，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 主動件AC桿的位移分析

利用軟件的Motion插件進行位移分析，可圖解顯示AC桿（主動件）位移曲線，得出AC桿位移曲線如圖6所示。拾取機構需要有良好的運動平穩特性，由圖分析可知，在拾取及搬運90°的運動過程中，拾取速度較慢。說明設計的拾取機構具有良好的運動平穩特性。

3.3.2 主動件AC桿的速度分析

利用軟件的Motion插件進行速度分析，可圖解顯示AC桿（主動件）速度曲線，如圖7所示，速度曲線呈完整的周期運動，在0.88～2.32s區間內，AC桿速度較慢，在2.32～3.28s區間內，AC桿速度較快。AC桿的速度曲線符合拾取機構的運動特性要求。

3.3.3 主動件AC桿的加速度分析

在往復、高速的運動機械中，零件強度及機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件的加速度曲線。主動件AC桿加速度曲線如圖8所示， 2.32～3.28s區間為空行程，圖解顯示該區間段內AC桿的加速度變化大，顯示機構運動的急回特性;0.88～2.32s區間為工作行程，圖解顯示該區間段內AC桿的加速度變化平穩，符合機械設備拾取物料運動。

4? ?結語

利用Solidworks軟件可快速繪制機構三維模型并完成機構的裝配體，Solidworks Motion作為虛擬原型機仿真工具，可幫助設計人員在設計前期判斷設計是否能達到預期目標。本文針對搬運機器人拾取運動中典型的曲柄搖塊機構，采用Solidworks Motion模塊對該機構進行運動仿真分析，通過圖解掌握主動件的位移、速度和加速度曲線。Solidworks廣泛應用于機構的開發設計，使得機構形象具體、直觀。通過Solidworks Motion工具，使得機構的運動分析過程精確、高效，同時便于在產品設計前期通過運動仿真分析找出問題，消除傳統設計中的繁瑣問題。降低機構制作成本，提高生產效率。使用Solidworks Motion工具相應功能使得機構設計的求解過程變得快捷方便，為后期優化曲柄搖塊機構提供基礎。

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