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摘要：采用Solidworks软件，对搬运机器人拾取运动中典型的曲柄摇块机构进行建模、装配，利用Solidworks Motion模块中添加约束、加载马达等功能，对曲柄摇块机构主动件进行运动分析，通过运动仿真，可及时显示运动轨迹与运动参数，验证是否符合要求。该方法可为工程技术人员进行初始设计提供参考依据，对机构的优化设计提供可靠的基础，提高设计效率。
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.
關键词：Solidworks;拾取机构;运动仿真;运动分析
Key words： Solidworks;pick up mechanism;motion simulation;analysis
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0098-03
0 引言
搬运机器人由于可模仿人的肢体运动、替代人类完成重复的物料输送、传递等搬运功能，具有很广泛的使用场景。设计中，可给搬运机器人安装不同的末端执行器来完成各种不同形状和状态的工件搬运，是实现生产自动化的有效途径之一。搬运机器人主要原理是利用电机驱动执行件进行物料的拾取和搬运任务，其各种功能需要设置拾取机构来实现。灵活度高、精密度高的机械手臂是工业生产搬运中通常采用的机械装备，因其控制系统复杂、价格高昂，在实际生活生产应用中并不广泛。
本文研究对象是基于曲柄滑块机构的机器人拾取机构，其结构如图1所示。曲柄滑块机构可通过曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换，该机构能满足多种运动轨迹、运动规律的要求，同时便于制造、装配方便、工作稳定，在传动系统中广泛使用。本文利用计算机辅助设计软件Solidworks 2020建立曲柄滑块机构模型，为得到机构的运动规律，可利用软件的Motion模块对拾取机构进行运动仿真分析。充分利用分析结果可使设计分析者及时论证机构设计的可行性，并对产品的制造成本进行控制，有效缩短产品开发周期。
1 搬运机器人拾取机构的工作原理
曲柄摇块机构由基于曲柄滑块机构进行二次设计而成，如图2所示。曲柄滑块机构中的连杆2设定为机架时，滑块3的运动轨迹为绕C点进行往复摆动，从而演化为曲柄摇块机构。曲柄摇块机构是具有一个曲柄和一个摇块的平面连杆机构。运动的转化是将曲柄的旋转运动通过连杆作用转导为摇块和连杆的相对滑动，或作相反的运动变换。本文中设计的拾取机构，是由机械臂（从动件AB）进行驱动，在结构设计部分，采用导杆为主动件，该机构的运动在0°至90°范围内摆动。
曲柄摇块机构是该拾取机构的主体部分，主要由固定座、机械臂、活塞杆、活塞气缸等几个部分组成。其装配简图如图3所示，在机构设计中，设计主动件导杆AC作为活塞杆，从动件AB设定为机械臂，摆动摇块即为活塞气缸。
初始状态下，机械臂处于水平位置（此时设定为0°），随后开始运动，气缸中的活塞杆（主动件导杆AC）会作伸出运动，在活塞杆的推力下，机械臂（从动件AB）会绕固定座的B点做转动，机械臂会在转动过程中从水平位置旋转至垂直位置（此时为90°），完成拾取动作，由机械臂前端的抓取机构抓紧物品，随后在活塞气缸（摆动摇块）的摆动下，使得活塞杆（主动件导杆AC）缩回，完成物品拾取和90°的搬运。通过运动过程可知，运用活塞杆（主动件导杆AC）在活塞气缸内的移动，导致机械臂（从动件AB）的转动和移动，实现了机械臂对物品的拾取搬运功能，配合机构底部滚轮可对机构进行移动。相比于传统的电机齿轮驱动方式，具有精度高、低成本、可移动等优点。
2 建模与装配
2.1 曲柄摇块机构的数学模型
根据装配简图，建立一个曲柄摇块机构数学模型，如图4所示， AB=60mm，BC=90mm，AC=100mm，BC杆固定（即机架），活塞气缸为摆动摇块。为便于对数学模型进行分析，设定曲柄AB杆的转动方向为顺时针，将设定AB杆与BC杆形成夹角的启始夹角为0°，夹角的定义为作顺时针转动的曲柄AB杆，在转动后与BC杆所形成夹角的角度。测量的夹角的取值范围在0°至90°。 2.2 各构件模型的创建
利用Solidworks软件对各构件进行建模。利用软件绘图功能创建 AB 杆、BC杆、AC杆和滑块C的三维模型，并将AB杆上两销孔的中心距设置为60mm、BC杆、AC杆和滑块上两销孔的中心距为 90mm、100mm。
3 运动仿真与分析
Solidworks Motion 是Solidworks软件里面一个重要的仿真模块，利用模块插件中的运动算例可以从模型进入到仿真页面。在对装配体添加原动力作为驱动、添加相应约束和作用力后，即可对装配体状态进行仿真，对之前设计环节进行验证是否正确，从而掌握机构设计的可行性。
3.1 曲柄摇块机构传动模型
在Solidworks软件中完成构件的装配体，按照配合要求，对零件圆柱销简化，确定各构件之间位置关系，完成该曲柄摇块机构传动的三维模型，如图5所示。
3.2 曲柄摇块机构运动仿真
在软件的拾取机构装配图中，对摇块C、AC杆及BC杆施加定位及约束，对AC杆添加“马达”，在软件界面左下角单击“运动算例”，在“Motion Manager”中选择“Motion分析”，添加引力，点击“马达”按钮，在属性管理器中设置马达的位置、定义AC杆为主动件，设定AC杆为逆时针旋转，模拟机构运动。设定马达恒定转速60r/min，完成添加配合及驱动。
3.3 曲柄摇块机构运动分析
AC杆的运动轨迹为在平面内进行往复的摆动，摇块C的运动轨迹为绕着圆柱销做摆动。运动分析主要是分析主动件的位移、速度和加速度，有X、Y和Z三个方向。在 Motion 插件里选择 “结果和图解” 命令，确定要分析计算的参数。对于需要求解的AC杆进行分析，在“位移/速度/加速度”选项的子类别中选择对应的 “线性位移”、“线性速度”、“线性加速度”选项，设置运动算例属性、运算仿真、检查运动，可图解显示AC杆的位移曲线，速度曲线和加速度曲线。
3.3.1 主动件AC杆的位移分析
利用软件的Motion插件进行位移分析，可图解显示AC杆（主动件）位移曲线，得出AC杆位移曲线如图6所示。拾取机构需要有良好的运动平稳特性，由图分析可知，在拾取及搬运90°的运动过程中，拾取速度较慢。说明设计的拾取机构具有良好的运动平稳特性。
3.3.2 主动件AC杆的速度分析
利用软件的Motion插件进行速度分析，可图解显示AC杆（主动件）速度曲线，如图7所示，速度曲线呈完整的周期运动，在0.88～2.32s区间内，AC杆速度较慢，在2.32～3.28s区间内，AC杆速度较快。AC杆的速度曲线符合拾取机构的运动特性要求。
3.3.3 主动件AC杆的加速度分析
在往复、高速的运动机械中，零件强度及机械的工作性能往往受惯性力的影响很大，因而有必要分析主动件的加速度曲线。主动件AC杆加速度曲线如图8所示， 2.32～3.28s区间为空行程，图解显示该区间段内AC杆的加速度变化大，显示机构运动的急回特性;0.88～2.32s区间为工作行程，图解显示该区间段内AC杆的加速度变化平稳，符合机械设备拾取物料运动。
4 结语
利用Solidworks软件可快速绘制机构三维模型并完成机构的装配体，Solidworks Motion作为虚拟原型机仿真工具，可帮助设计人员在设计前期判断设计是否能达到预期目标。本文针对搬运机器人拾取运动中典型的曲柄摇块机构，采用Solidworks Motion模块对该机构进行运动仿真分析，通过图解掌握主动件的位移、速度和加速度曲线。Solidworks广泛应用于机构的开发设计，使得机构形象具体、直观。通过Solidworks Motion工具，使得机构的运动分析过程精确、高效，同时便于在产品设计前期通过运动仿真分析找出问题，消除传统设计中的繁琐问题。降低机构制作成本，提高生产效率。使用Solidworks Motion工具相应功能使得机构设计的求解过程变得快捷方便，為后期优化曲柄摇块机构提供基础。
参考文献：
[1]何伟，李震，王建彬，张建华.基于铰链四杆机构运动学的解析法及ADAMS仿真[J].巢湖学院学报，2011（06）.
[2]李雅昔.基于Solidworks的平面铰链四杆机构的运动仿真分析[J].机械制造与自动化，2016，45（04）.
[3]王孝平，龙伟，耿静华，陈毅.平面四杆机构的优化设计及运动仿真[J].机械工程师，2009（01）.
[4]孙健，张豪，杨青.基于Solidworks Motion的平面四杆机构运动分析[J].机械工程与自动化，2018（01）.
[5]张晓露.基于Solidworks的双摆杆摆角放大机构运动仿真分析[J].机械研究与应用，2014，27（01）.
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.
關键词：Solidworks;拾取机构;运动仿真;运动分析
Key words： Solidworks;pick up mechanism;motion simulation;analysis
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0098-03
0 引言
搬运机器人由于可模仿人的肢体运动、替代人类完成重复的物料输送、传递等搬运功能，具有很广泛的使用场景。设计中，可给搬运机器人安装不同的末端执行器来完成各种不同形状和状态的工件搬运，是实现生产自动化的有效途径之一。搬运机器人主要原理是利用电机驱动执行件进行物料的拾取和搬运任务，其各种功能需要设置拾取机构来实现。灵活度高、精密度高的机械手臂是工业生产搬运中通常采用的机械装备，因其控制系统复杂、价格高昂，在实际生活生产应用中并不广泛。
本文研究对象是基于曲柄滑块机构的机器人拾取机构，其结构如图1所示。曲柄滑块机构可通过曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换，该机构能满足多种运动轨迹、运动规律的要求，同时便于制造、装配方便、工作稳定，在传动系统中广泛使用。本文利用计算机辅助设计软件Solidworks 2020建立曲柄滑块机构模型，为得到机构的运动规律，可利用软件的Motion模块对拾取机构进行运动仿真分析。充分利用分析结果可使设计分析者及时论证机构设计的可行性，并对产品的制造成本进行控制，有效缩短产品开发周期。
1 搬运机器人拾取机构的工作原理
曲柄摇块机构由基于曲柄滑块机构进行二次设计而成，如图2所示。曲柄滑块机构中的连杆2设定为机架时，滑块3的运动轨迹为绕C点进行往复摆动，从而演化为曲柄摇块机构。曲柄摇块机构是具有一个曲柄和一个摇块的平面连杆机构。运动的转化是将曲柄的旋转运动通过连杆作用转导为摇块和连杆的相对滑动，或作相反的运动变换。本文中设计的拾取机构，是由机械臂（从动件AB）进行驱动，在结构设计部分，采用导杆为主动件，该机构的运动在0°至90°范围内摆动。
曲柄摇块机构是该拾取机构的主体部分，主要由固定座、机械臂、活塞杆、活塞气缸等几个部分组成。其装配简图如图3所示，在机构设计中，设计主动件导杆AC作为活塞杆，从动件AB设定为机械臂，摆动摇块即为活塞气缸。
初始状态下，机械臂处于水平位置（此时设定为0°），随后开始运动，气缸中的活塞杆（主动件导杆AC）会作伸出运动，在活塞杆的推力下，机械臂（从动件AB）会绕固定座的B点做转动，机械臂会在转动过程中从水平位置旋转至垂直位置（此时为90°），完成拾取动作，由机械臂前端的抓取机构抓紧物品，随后在活塞气缸（摆动摇块）的摆动下，使得活塞杆（主动件导杆AC）缩回，完成物品拾取和90°的搬运。通过运动过程可知，运用活塞杆（主动件导杆AC）在活塞气缸内的移动，导致机械臂（从动件AB）的转动和移动，实现了机械臂对物品的拾取搬运功能，配合机构底部滚轮可对机构进行移动。相比于传统的电机齿轮驱动方式，具有精度高、低成本、可移动等优点。
2 建模与装配
2.1 曲柄摇块机构的数学模型
根据装配简图，建立一个曲柄摇块机构数学模型，如图4所示， AB=60mm，BC=90mm，AC=100mm，BC杆固定（即机架），活塞气缸为摆动摇块。为便于对数学模型进行分析，设定曲柄AB杆的转动方向为顺时针，将设定AB杆与BC杆形成夹角的启始夹角为0°，夹角的定义为作顺时针转动的曲柄AB杆，在转动后与BC杆所形成夹角的角度。测量的夹角的取值范围在0°至90°。 2.2 各构件模型的创建
利用Solidworks软件对各构件进行建模。利用软件绘图功能创建 AB 杆、BC杆、AC杆和滑块C的三维模型，并将AB杆上两销孔的中心距设置为60mm、BC杆、AC杆和滑块上两销孔的中心距为 90mm、100mm。
3 运动仿真与分析
Solidworks Motion 是Solidworks软件里面一个重要的仿真模块，利用模块插件中的运动算例可以从模型进入到仿真页面。在对装配体添加原动力作为驱动、添加相应约束和作用力后，即可对装配体状态进行仿真，对之前设计环节进行验证是否正确，从而掌握机构设计的可行性。
3.1 曲柄摇块机构传动模型
在Solidworks软件中完成构件的装配体，按照配合要求，对零件圆柱销简化，确定各构件之间位置关系，完成该曲柄摇块机构传动的三维模型，如图5所示。
3.2 曲柄摇块机构运动仿真
在软件的拾取机构装配图中，对摇块C、AC杆及BC杆施加定位及约束，对AC杆添加“马达”，在软件界面左下角单击“运动算例”，在“Motion Manager”中选择“Motion分析”，添加引力，点击“马达”按钮，在属性管理器中设置马达的位置、定义AC杆为主动件，设定AC杆为逆时针旋转，模拟机构运动。设定马达恒定转速60r/min，完成添加配合及驱动。
3.3 曲柄摇块机构运动分析
AC杆的运动轨迹为在平面内进行往复的摆动，摇块C的运动轨迹为绕着圆柱销做摆动。运动分析主要是分析主动件的位移、速度和加速度，有X、Y和Z三个方向。在 Motion 插件里选择 “结果和图解” 命令，确定要分析计算的参数。对于需要求解的AC杆进行分析，在“位移/速度/加速度”选项的子类别中选择对应的 “线性位移”、“线性速度”、“线性加速度”选项，设置运动算例属性、运算仿真、检查运动，可图解显示AC杆的位移曲线，速度曲线和加速度曲线。
3.3.1 主动件AC杆的位移分析
利用软件的Motion插件进行位移分析，可图解显示AC杆（主动件）位移曲线，得出AC杆位移曲线如图6所示。拾取机构需要有良好的运动平稳特性，由图分析可知，在拾取及搬运90°的运动过程中，拾取速度较慢。说明设计的拾取机构具有良好的运动平稳特性。
3.3.2 主动件AC杆的速度分析
利用软件的Motion插件进行速度分析，可图解显示AC杆（主动件）速度曲线，如图7所示，速度曲线呈完整的周期运动，在0.88～2.32s区间内，AC杆速度较慢，在2.32～3.28s区间内，AC杆速度较快。AC杆的速度曲线符合拾取机构的运动特性要求。
3.3.3 主动件AC杆的加速度分析
在往复、高速的运动机械中，零件强度及机械的工作性能往往受惯性力的影响很大，因而有必要分析主动件的加速度曲线。主动件AC杆加速度曲线如图8所示， 2.32～3.28s区间为空行程，图解显示该区间段内AC杆的加速度变化大，显示机构运动的急回特性;0.88～2.32s区间为工作行程，图解显示该区间段内AC杆的加速度变化平稳，符合机械设备拾取物料运动。
4 结语
利用Solidworks软件可快速绘制机构三维模型并完成机构的装配体，Solidworks Motion作为虚拟原型机仿真工具，可帮助设计人员在设计前期判断设计是否能达到预期目标。本文针对搬运机器人拾取运动中典型的曲柄摇块机构，采用Solidworks Motion模块对该机构进行运动仿真分析，通过图解掌握主动件的位移、速度和加速度曲线。Solidworks广泛应用于机构的开发设计，使得机构形象具体、直观。通过Solidworks Motion工具，使得机构的运动分析过程精确、高效，同时便于在产品设计前期通过运动仿真分析找出问题，消除传统设计中的繁琐问题。降低机构制作成本，提高生产效率。使用Solidworks Motion工具相应功能使得机构设计的求解过程变得快捷方便，為后期优化曲柄摇块机构提供基础。
参考文献：
[1]何伟，李震，王建彬，张建华.基于铰链四杆机构运动学的解析法及ADAMS仿真[J].巢湖学院学报，2011（06）.
[2]李雅昔.基于Solidworks的平面铰链四杆机构的运动仿真分析[J].机械制造与自动化，2016，45（04）.
[3]王孝平，龙伟，耿静华，陈毅.平面四杆机构的优化设计及运动仿真[J].机械工程师，2009（01）.
[4]孙健，张豪，杨青.基于Solidworks Motion的平面四杆机构运动分析[J].机械工程与自动化，2018（01）.
[5]张晓露.基于Solidworks的双摆杆摆角放大机构运动仿真分析[J].机械研究与应用，2014，27（01）.