基于UG環境下高效連桿機構的設計研究

（云南省昆明市昆明冶金高等專科學校，昆明市，650033） 張正祺

1 緒論

伴隨著我國制造行業的飛速發展，我國制造行業的整體技術水平也在不斷進步。同時公眾對于各類設備的各項要求也隨之提高，所以針對當前公眾的需求對設備的相關技術進行針對性的優化和調整十分有必要。連桿機構是機械設備的基礎結構，針對連桿機構進行相應的研究與優化，相當于從結構上提升了各類設備的運轉效率。本文基于UG 軟件對高校連桿機構進行相應的設計，通過軟件來模擬出連桿機構運行的最優方式，以此來讓連桿機構運行得更加高效。

2 連桿機構運動模擬

2.1 建立模型

本次研究基于UG 的運動仿真模塊，對工廠機器臂的運動進行相應的仿真和分析。針對與UG的強大功能，本次建模的主要途徑是利用特征添加來完成建模零件的主體，同時基于實際的用途情況對三維模型進行修正。同時，在建立好工廠機器臂的連桿機構主體后，需要對參數特征進行優化。本次工廠機器臂的兩岸主題有限元模型的單元大小為1mm，利用網格來對單元進行相應的劃分，最后得出節點數目為78 619個，單元數目為27 686個。

該機械臂的優勢首先是可以直接對運動軌跡進行調整，對電焊的位置進行修正，而不需要對原動件的位置進行改動，其次在于能夠根據實際情況調整相應的部件，對機械臂的連桿曲線和構件尺寸就行修改，第三是承載能力較強，屈服強度和抗拉強度相較同類型產品都有較大的進步，第四是可拆卸性，方便檢修人員進行調整或者檢修，第五是針對較遠距離的作業能夠進行距離的調整。但其缺點也同樣明顯，首先是機械臂的精度較高，如果在安裝過程中不夠規范就很容易造成精確上的失誤，其次是機械臂的幾何鎖合會出現相應的間隙，如果使用的時間過長或者不夠規范就會造成自鎖，同時因為設計問題會出現沖擊、噪音和振動現象。本次研究主要是針對該機械臂的此類缺點進行改進。

2.2 分析準備

運動分析的第一步是對該連桿進行定義，本次模型為工廠機器臂的實體模型，實體質量為5kg，其上臂可承受19kg 的負載，臂展1 440mm，主體為連桿機構，主要用途是鋼板材料進行電焊切割，被很多制造業工廠所采用的。其力學特性如下，機械臂外殼的密度為6 740kg·m-3，屈服強度為270MPa，抗拉強度為544MPa，伸長率為12%，收縮率為34%。連桿的連接處通過螺栓和預緊力進行結合，同時連桿的小頭設置了尺寸較小的活塞銷潤滑油孔，具備前后結構對稱和左右對稱的特點。在進行有限元分析計算時忽略較小的圓角和相關的圓滑過渡。

第二步是針對該連桿機構進行運動副的定義，運動副能夠決定機械運動的準確性，基于連桿機構的運動特性，我們可以確定連桿機構的運動副為旋轉副，能夠經過轉動中心，在方向選擇上針對桿件的轉動平面垂直。同時該機械臂為連桿機構中的嚙合連桿機構，它的兩個連桿轉動副原點相同，在進行相對轉動的情況下所完成的轉動矢量有所不同。該機械臂所涉及的其他運動副并非機械臂的主要運動副，所以在此不多作贅述。

第三步是針對該機械臂的驅動進行定義，該機械臂的連桿構件為機械臂的主動件，在運動副定義的同時將驅動進行定義，該機械臂的具體特征為往復運動。整體屬于欠驅動機器人，在機械臂上各安裝一個電機，具備了能耗少、負載少、方便調整和補足全驅動方案等優勢。

最后是針對該機械臂進行應力分析，連桿優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連桿的實際轉速和轉化的角速度，進而計算出連桿的最大拉力。通過帶入荷載邊界條件和約束邊界條件，就能夠針對該機械臂進行分析。

3 基于UG的高效連桿機構的設計優化

首先，建模模塊是UG軟件的基礎，也就是默認初始模塊。要執行相關的編程，必須把標準建模模塊轉換為處理模塊，這就是CAM輸入初始化。CAM初始化后需創造UG處理模塊的任務視圖對象的鏈接，用戶收到屬于程序的進程視圖機視圖工件的幾何形狀的觀看和處理方法查看相關畫面視圖。這些視圖也被也稱為編輯操作的四個節點組。

其次，操作的四個視圖節點組對象的創建完成就可以創建加工操作。處理操作被添加到每個視圖的節點組以繼承節點中相關幾何物理類型的參數。同時這些節點組仍然可以通過參數設置方法設置加工操作中的其他工藝參數。

第三，生成的相關文件主要是位置文件和連桿軌跡，而對這些連桿進行控制包含數控加工工藝的全部信息，是整個機械臂加工模塊的主要部分。這就需要可以單獨設置操作中的參數，也可以從幾何節點組或處理方法節點組直接繼承相關數據。而系統可以根據這些數據進行分析，從而判斷出加工的難度，如果加工偏難，就可能需要復雜的操作和繁多的連桿，利用多種多樣的加工方式進行加工；如果加工簡單，有可能只需要一個操作就能實現全部的加工過程。所以說UG 的數控加工編程過程，本質上來說就是一種系統對于數據的分類和排序。

第四，當使用UG的加工模塊進行相關的編程，無論是在那一個步驟內，都需要對相關對象進行類型和子類型的選擇。例如，如果要創建連桿，首先在連桿視圖中選擇相應的類型。這些默認類型和子類型是UGCNC處理模塊提供的處理模板。處理模板本質上是預先設置的組件文件，并存儲四個視圖節點的信息。

第五，驅動方式。完成上述的步驟就相當于定義了驅動點，之后驅動連桿就可以進行加工。當機械臂加工復雜的空間表面時，驅動點通常由彎曲的驅動方法形成。表面驅動器是表面網格上的一系列均勻行和列的驅動點陣列的定義。驅動表面可以是平坦表面或曲面，但是驅動表面必須滿足恒定平滑度的要求。

最后，生成優化后的連桿機構位置文件。創建連桿位置文件的過程主要分為兩步驟：第一步計算相關的運動路徑，第二步創建并保存相關的位置文件。在計算工具的路徑之前，需要調用對象。該工具在程序的主目錄中創建，之后創建的操作對象。然后瀏覽它的大致內容，了解要生成工具的運動軌跡，之后就可以調用函數UF_PARAM_generate（...），并且可以直接在編輯的形狀上顯示運動軌跡。如果運動軌跡滿足處理要求，則不會發生干涉并生成工具位置文件，進而完成機械臂高效連桿機構的設計優化。

4 總結

總而言之，高效連桿機構的研究還需要結合當地的科學技術的更新、實際的應用情況、人員操作能力等條件進行調整，才能更好的因地制宜制定出相應的高效連桿機構設計方案。本次所設計的相關方案還需要結合更多的變量進行調整，筆者在以后的工作生活中也將繼續深入此方面的研究，共同為我國當前的高效連桿機構發展做出貢獻。