陳炎冬，戴斌宇，馮 鮮

（1.無錫太湖學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇 無錫214064；2.江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

0 引言

圓木抓舉機屬于抓木運輸機械類，隨著機器向前行進，安裝在其前端的一個完整的抓具支承結(jié)構(gòu)和連桿會進行抓木工作，也可用于提升、運輸和卸載工作。圓木抓舉機的長處在于作業(yè)快速高效、機動性能良好、運作便捷，因而在采集木材時常作為重要運作工具，對于降低工作強度、優(yōu)化作業(yè)品質(zhì)，降低造價等方面起著舉足輕重的作用[1-3]。

圓木抓舉機的工作裝置運動分析，就是對工作裝置的運動軌跡、位移、速度、加速度等進行分析，判斷是否滿足設(shè)計要求[1]。由于圓木抓舉機的抓舉工作的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，用傳統(tǒng)的方法分析機構(gòu)的運動非常費時，且精度較低。隨著三維仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，通過仿真的來進行機構(gòu)運動分析已經(jīng)有一些研究[4-6]。本文首先根據(jù)測繪某型圓木抓舉機工作裝置的結(jié)構(gòu)建立每個零件的三維模型并進行裝配（見圖3），并以此模型為主模型在UG的運動仿真應(yīng)用模塊中，建立其運動仿真模型，通過解算仿真模型，可以實時獲得機構(gòu)運動參數(shù)，用圖形和動畫來模擬機構(gòu)的實際運動過程，從而驗證該運動機構(gòu)設(shè)計的合理性，同時可以根據(jù)運動仿真結(jié)果方便地修改仿真模型的參數(shù)。

1 U G運動仿真模塊介紹

UG運動仿真模塊可以進行機構(gòu)的干涉分析，分析機構(gòu)中連桿上標(biāo)記點或運動副的位移、速度、加速度等，運動仿真模塊會自動復(fù)制主模型的裝配文件，并建立一套用來編輯的運動分析方案[4]。用戶可以根據(jù)自己的需要加以修改，而不會影響已裝配好的主體模型。其仿真結(jié)果可以用來指導(dǎo)零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

UG運動仿真和分析的流程圖如1.

圖1 U G運動仿真和分析的流程圖

2 圓木抓舉機的工作裝置運動仿真和分析

2.1 圓木抓舉機的工作裝置計算機模型的建立[1]

輪式圓木抓舉機工作裝置按照桿數(shù)和運動特征可分為正轉(zhuǎn)四桿、正轉(zhuǎn)五桿、正轉(zhuǎn)六桿、反轉(zhuǎn)六桿、正轉(zhuǎn)八桿等。這里選擇反轉(zhuǎn)六桿式工作機構(gòu)，其優(yōu)點是：轉(zhuǎn)動抓具是通過轉(zhuǎn)爪油缸大腔進油，掘起力也得到了提升；若適當(dāng)選擇尺寸，就可以在得到良好抓具平動性的同時抓具能夠自動放平，結(jié)構(gòu)緊湊，操作人員視線開闊[1]。見圖2.

圖2 反轉(zhuǎn)六桿式工作方式

為進行運動仿真和分析，首先要建立能代表實際機構(gòu)的三維模型，在UG中建模模塊和裝配模塊提供了極強的造型和裝配功能，建立圓木抓舉機的工作裝置裝配圖，如圖3所示。

圖3 抓舉機的工作裝置裝配圖圖4 為連桿定義和連桿之間的運動副

2.2 創(chuàng)建運動分析方案

2.2.1 抓舉機的工作裝置連桿的創(chuàng)建

連桿在機構(gòu)中代表運動件，所有運動的零件必須創(chuàng)建為連桿。每一個連桿的創(chuàng)建包括定義連桿對象、質(zhì)量屬性、慣性矩、初始轉(zhuǎn)動速度和移動速度[4]。首先，在運動仿真環(huán)境下對各連桿進行定義和命名，為了定義運動副時方便，所以將兩根動臂液壓缸與端蓋還有兩根轉(zhuǎn)動上爪油缸與端蓋都分別定義為一根連桿，圓木抓舉機的工作裝置中定義的12個連桿分別為一個固定連桿－支座，其它分別為上爪、下爪、連桿、搖臂、動臂、液壓缸-動臂2個、液壓缸-搖臂2個、液壓缸-上爪2個。所有連桿的定義及如圖4（a）所示：

圖3 抓舉機的工作裝置裝配圖圖4 為連桿定義和連桿之間的運動副

2.2.2抓舉機的工作裝置運動副的創(chuàng)建

運動副將機構(gòu)中的連桿連接在一起，從而使連桿一起運動。運動副具有允許所需運動和限制不要運動的雙重作用[4]。四連桿機構(gòu)中創(chuàng)建16個運動副，其中支座是與地固定的運動副，其它分別為9個旋轉(zhuǎn)副，3個滑動副，3個共線副，具體連桿之間的運動副如圖 4（b）所示。

2.2.3 抓舉機的工作裝置運動驅(qū)動的設(shè)計

運動驅(qū)動是賦予運動副上控制運動的參數(shù)，共有5種類型：①無驅(qū)動；②恒定驅(qū)動，設(shè)置某一運動副為等常運動（旋轉(zhuǎn)或線性位移）；③簡諧運動驅(qū)動，產(chǎn)生一個光滑的向前或向后的正弦運動；④運動函數(shù)，運動副按照給定的數(shù)學(xué)函數(shù)運動；⑤關(guān)節(jié)運動驅(qū)動，設(shè)置某一運動副以特定的步長（旋轉(zhuǎn)或線性位移）和特定的步數(shù)運動[4]。

本次仿真運動用到的主要是STEP函數(shù)[7]，STEP函數(shù)可以分為嵌入式和疊加式兩種，由于嵌入式函數(shù)便于理解，所以用了嵌入式STEP函數(shù)來控制模型的運動時間段。經(jīng)考慮之后，選擇將驅(qū)動分別加在動臂與支座、上爪與動臂、上爪與下爪間的轉(zhuǎn)動副上。新建入STEP函數(shù)，以模擬圓木抓舉機的工作情況，運動副的定義如圖4（a）所示，主要采用各鉸接點的轉(zhuǎn)動副以及液壓桿的滑動副。

經(jīng)機構(gòu)運動分析，三個轉(zhuǎn)動副處添加的驅(qū)動函數(shù)如下：

（1）添加在轉(zhuǎn)動臂液壓缸上的驅(qū)動函數(shù)為：

STEP（X，0.5，0，1.75，（STEP（X，1.75，0，3，（STEP（X，3，-40，3.5，（STEP （X，3.5，-40，5.25，（STEP（X，5.25，-40，6.1，（STEP（X，6.1，0，6.5，0）））））））））））

（2）添加在轉(zhuǎn)下爪上的驅(qū)動函數(shù)為：

STEP（X，0.5，0，1.75，（STEP（X，1.75，-38，3，（STEP（X，3，-38，3.5，（STEP（X，3.5，-38，5.25，（STEP（X，5.25，80，6.1，（STEP（X，6.1，0，6.5，0）））））））））））

（3）添加在轉(zhuǎn)上爪上的驅(qū)動函數(shù)為：

STEP（X，0.5，0，1.75，（STEP（X，1.75，85，3，（STEP（X，3，85，3.5，（STEP（X，3.5，0，5.25，（STEP（X，5.25，0，6.1，（STEP（X，6.1，0，6.5，0）））））））））））

2.3 仿真結(jié)果與分析

進行運動學(xué)仿真和分析之前，需要設(shè)置建立一個解算方案，主要定義仿真時間和步數(shù)兩個參數(shù)，設(shè)置圓木抓舉機工作裝置解算方案時間為8 s，正好完成一個舉升和抓取動作及張開爪子和回到起始位置的過程，步數(shù)為250步，步長為8/250，解算分析完成之后，可以以動畫的形式表現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真過程，同時在上爪質(zhì)心處上做了一個標(biāo)記點A，便于觀察連桿的運動軌跡、位移、速度、加速度。

為了分析仿真后的結(jié)果，需要用UG運動仿真后處理模塊提供了圖表功能，可將運動分析的數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式輸出，即繪圖至NX和繪圖至電子表格[4]。通過前面的運動仿真模型，在三個驅(qū)動作用下，繪制出0～8 s內(nèi)的位移、速度、加速度曲線。圖5、圖6、圖7別是調(diào)用圖表功能給出的上爪質(zhì)心上標(biāo)記點A在Z軸方向上的位移、速度、加速度仿真結(jié)果。

圖5 上爪標(biāo)記點Z軸位移

圖6 上爪標(biāo)記點Z軸速度

圖7 上爪標(biāo)記點Z軸加速度

從圖5上爪標(biāo)記點Z軸位移的曲線可以看出上爪最大舉升高度2.8m，舉升時間2.4 s，卸載時間1.6 s，圖8擺動臂角度位移可以看出該機構(gòu)在4 s時間內(nèi)擺動角度范圍-40°～+40°，都滿足了抓舉機的工作裝置的設(shè)計要求。圖6、圖7通過上爪的速度和加速度曲線來反映抓舉機的工作過程，上下爪閉合、整體上升、上下爪張開、下降、回到起始位置，從曲線的規(guī)律可以基本看出整個過程基本可以實現(xiàn)要求，但是下降時加速度偏大，需要優(yōu)化。

圖8 擺動臂角度位移

3 結(jié)論

利用UG運動仿真模塊，可以很方便地進行機構(gòu)的運動仿真，輕而易舉地解決復(fù)雜機構(gòu)抓舉機的工作裝置的運動學(xué)問題，獲得精確的仿真結(jié)果。結(jié)果反映出本文設(shè)計的機構(gòu)抓舉機的工作裝置是基本合理的，比較真實的體現(xiàn)工作過程，但有進一步改進的方面，如加速度在卸貨階段偏大。在優(yōu)化設(shè)計中也有一定的難點，標(biāo)記點合理選擇、STEP函數(shù)的設(shè)計和如何優(yōu)化需要進行理論分析，對運動仿真提出了比較深的要求。但總的來說，UG運動仿真對對機構(gòu)的驗證研究對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能有著積極的作用。

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