基于PROE的抓取机械手设计与运动仿真.doc

机电工程学院 机电一体化系统设计 课程设计 设计题目： 基于 PRO/E 的抓取机械手设计与运动仿真 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 20100663146 姓 名： 蔡长派 指导老师： 邱丽梅 课程设计任务书 一、题目： 基于 PRO/E 的抓取机械手设计与运动仿真 二、研究内容与目标： 本设计主要的研究内容是 1. 拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各组成部分的方案。 2. 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。 3. 各主要组成部分的设计计算，机械手的传动系统的设计。 4. 机械手装配图的绘制，编写设计计算说明书。 目标：本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知 识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的抓取机械手的设计，能够比较好 地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以 及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实 践的有机结合。 三、研究方法： 1.观察法 观察法是指研究者根据一定的研究目的、研究提纲或观察表，用自己的感 官和辅助工具去直接观察被研究对象，从而获得资料的一种方法。 2.功能分析法 功能分析法是社会科学用来分析社会现象的一种方法，是社会调查常用的 分析方法之一。 四、主要参考文献： [1] 邹庆华。数控新技术动向研究。科技创新导报，2009，（31）：89-91. [2] 艾兴 肖诗纲著.切削用量简明手册[M].北京：机械工业出版社， 2005.10,1~50 [3] 陈宏均著.实用机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社， 1996.12，167~258 [4] 杨胜群。VERICUT7.0 中文版数控加工仿真技术.北京：清华大学出版 社，2010. [5] 张卫卫，李建生。数控仿真技术分析及发展趋势。心声，2010:85-87. [6] 王先奎。机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2006. 目录 摘要 1 第一章 绪论 .2 1.1 机械手的介绍 .2 1.2 机械手的发展状况 .2 1.3 目的和现实意义 .3 1.4 国内外研究现状 .4 1.5 发展和研究方向 .4 第二章 PRO/E 的选择使用 .6 2.1 Pro/ENGINEER 产品介绍 .6 2.2 Pro/ENGINEER 概述 .6 2.3 Pro/ENGINEER 的特点 .8 第三章 六自由度机械手零件的设计 10 3.1 六自由度机械手底座建模 .11 3.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程 .12 3.3 六自由度机械手的臂膀建模过程 .13 3.4 六自由度机械手手部建模过程 15 第四章 六自由度机械手的装配 17 4.1 Pro/E 的装配过程 17 4.2 六自由度机械手装配步骤及方法 .17 第五章 打孔机的装配 21 5.1 打孔机的装配效果图 .21 5.2 打孔机的分解爆炸图 .22 第六章 六自由度机械手运动仿真 23 6.1 运动学仿真及过程 .23 6.2 进入机构模块 .23 6.3 添加“伺服电动机” .25 6.4 定义初始条件 .27 6.5 定义分析 .27 6.6 运动仿真视频制作 .28 6.7 运动仿真及效果分析 29 总结 .29 致谢 .30 参考文献 .31 0 基于 PRO/E 的抓取机械手设计与运动仿真 三明学院机电工程学院 蔡长派 [摘要] 利用三维软件 Pro/E 建模，对六自由度机械手的运动机构进行分析、 设计，并对其进行三维造型的建模与仿真。通过 Pro/E 这个三维软件工具来进 行六自由度机械手的建模设计，完整体现产品设计的基本流程，提出一种产品 设计的新思路,展示 Pro/E 在产品设计上的优势。一,利用 Pro/E 便捷的建模工 具来对机械手的各零件进行造型设计；二,利用 Pro/E 按要求对机械手零件以各 种约束和销钉等连接来进行合理装配；三,利用 Pro/E 的机构模式对机械手的装 配作添加伺服器等操作，来实现六自由度机械手的运动仿真。Pro/E 简单便捷 的的实现了对六自由度机械手的装配和运动仿真，效果非常直观明了。 关键词：六自由度机械手，Pro/E，建模，仿真 1 第一章 绪论 1.1 机械手的介绍 机械手是一种能模仿人手和臂膀的某些动作功能，用以按固定程序抓取、 搬运物件或操作工具的自动操作装置。广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻 工和原子能等部门。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的 部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形 式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、 移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构 的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中 任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数， 自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用 机械手有 2～3 个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机 械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式 可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产 线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。 有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操 作手也常称为机械手。 1 1.2 机械手的发展状况 机器人的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第 一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论， 这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954 年,德沃尔又获 得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需 要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机 器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产 过程较为固定。1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。它 成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤 2 尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称 为“尤尼梅特” ，意思是“万能自动” 。他们因此被称为机器人之父。1962 年美 国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰” ，意思是“万能搬 动” 。 ”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工 业机器人。近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个 时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人 类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉, 有思维、能与人对话。第一代 机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人, 它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔 制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把 应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械 手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。 2 1.3 目的和现实意义 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自 动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手。其目的和现实意义在于： 一是提高生产效率，因为在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上 不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产； 金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅 占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性， 工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 二是应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生 产的机械化和自动化。 三是代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。 20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料， 人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手逐步推广到 工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机 床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀 库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。目前在我国机械手常用于完成的 工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序； 机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。 3 3 1.4 国内外研究现状 从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究 的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代 “七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五” 、 “八五”科技攻 关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设 计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、 弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企 业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制 造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和 国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品，机器人应用工程起步较晚， 应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。在应用规模上，我国己安装的 国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是 没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，品种规格多、 批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性 不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞 好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和 特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水 下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控 机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种。在机器人视 觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的 发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器 人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进 水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统 配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.5 发展和研究方向 在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动 控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要 组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。 机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计 算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机器人不断向着高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等性 4 能提高，而单机价格却不断下降。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速 机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机， 国外已有模块化装配机器人产品问市。 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化，器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了 系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等 传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则 采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控 制，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制， 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作 者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作 系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰 纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例. 4 5 第二章 Pro/E 的选择使用 2.1 Pro/ENGINEER 产品介绍 1985 年，美国参数化技术公司 PTC(Parametric Technology Corporation) 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988 年，V1.0 的 Pro/ENGINEER 诞生了。经过 10 余年的发展，Pro/ENGINEER 已经成为三维建模 软件的领头羊。PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功 能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/E 是一套机械设计自动化软件系统，它是新一代 CAD/CAM 软件，实现了产品零件 或组件从概念设计到制造全过程设计的自动化，提供了以参数化为基础，基于 特征的实体造型技术，主要用于汽车及运输机械，宇航和飞机制造，电子及计 算机设备行业以及其他行业。同时 Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全 面、集成最紧密的产品开发环境。它采用基于特征的参数化技术，具有产品的 三维设计、分析、仿真、加工和二次开发等功能，该软件已广泛应用于机械、 电子、家电、模具等行业，是目前国内使用最广泛的三维设计软件之一 2. 2 Pro/ENGINEER 概述 PRO/ENGINEER 软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完 全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E 能够让多个部门同时 致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数 据管理等。Pro/E 可谓是个全方位的 3D 产品开发软件，集合了零件设计、产品 组合、模具开发、NC 加工、饭金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、 自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据管理于一体，其模块众多。主要由 以下六大主模块组成：工业设计(LAID)模块、机械设计(CAD)模块、功能仿真 (CAE)模块、制造(CAM)模块、数据管理(PDM)模块和数据交换 (Geometry Translator)模块。 (1) 工业设计(CAID)模块 工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时， 是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用 3DS 可以生 成实体模型，但用 3DS 生成的模型在工程实际中是“中看不中用” 。用 PRO/E 生 成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E 后阶段的各个工作 数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。 6 包括：PRO/3DPAINT(3D 建模)、 PRO/ANIMATE(动画模拟)、 PRO/DESIGNER(概念设计)、PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成)、 PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型） 、PRO/PHOTORENDER(图片渲染)几个 子模块。 (2) 机械设计(CAD)模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状 的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如自由曲面等。随着人们 生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E 生成曲面仅需 2 步～3 步操作。PRO/E 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点 阵等。由于生成曲面的方法较多，因此 PRO/E 可以迅速建立任何复杂曲面。 它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用， 它支持 GB、ANSI、ISO 和 JIS 等标准。包括：PRO/ASSEMBLY（实体装配） 、 PRO/CABLING（电路设计） 、PRO/PIPING（弯管铺设） 、PRO/REPORT（应用数据图 形显示） 、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化） 、PRO/SURFACE（曲面设计） 、 PRO/WELDING（焊接设计） 。 (3) 功能仿真(CAE)模块 功能仿真(CAE)模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画 皮难画骨，知人知面不知心” 。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内 部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件 内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化 零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使 瓶体质量减轻了近 20％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经 济效益。 包括：PRO/FEM POST（有限元分析） 、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自 定义载荷输入） 、PRO/MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序连接） 、 PRO/MECHANICA MOTION（指定环境下的装配体运动分析） 、 PRO/MECHANICA THERMAL（热分析） 、PRO/MECHANICA TIRE MODEL（车轮动力仿 真） 、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析） 、PRO/MESH （有限元网格划分） 。 (4) 制造(CAM)模块 在机械行业中用到的 CAM 制造模块中的功能是 NC Machining(数控加工)。 说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件” 。当时，苏联从日本东 芝公司引进了一套五坐标数控系统及数控软件 CAMMAX，加工出高精度、低噪声 的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。东芝公司因违反 7 “巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头 的 CAMMAX 软件就是一种数控模块。 PRO/ES 的数控模块包括：PRO/CASTING（铸造模具设计） 、PRO/MFG（电加 工） 、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计） 、PRO/NC-CHECK（NC 仿真） 、 PRO/NCPOST（CNC 程序生成） 、PRO/SHEETMETAL（钣金设计） 。 (5) 数据管理(PDM)模块 PRO/E 的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进 行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障， 改进产品设计。它就像 PRO/E 家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。 并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。 这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。 它包括：PRO/PDM（数据管理） 、PRO/REVIEW（模型图纸评估） 。 (6)、 数据交换(Geometry Translator)模块 在实际中还存在一些别的 CAD 系统，如 UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT 等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作 中，往往需要接受别的 CAD 数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。 PRO/E 中几何数据交换模块有好几个，如：PRO/CAT（PRO/E 和 CATIA 的 数据交换） 、PRO/CDT（二维工程图接口） 、PRO/DATA FOR PDGS（PRO/E 和福特 汽车设计软件的接口） 、PRO/DEVELOP（PRO/E 软件开发） 、PRO/DRAW（二维数据 库数据输入） 、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充） 、 PRO/INTERFACE FOR STEP（STEP/ISO10303 数据和 PRO/E 交换） 、 PRO/LEGACY（线架/曲面维护） 、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E 模型数据库进入） 、 PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA 数据输出）. 5 2.3 Pro/ENGINEER 的特点 Pro/E 所采用的造型技术和加工处理技术与其它同类型软件相比具有明 显的优势。它具有基于特性；全参数；全相关；单一数据库；全自动数控编程， DNC 直接数控加工，多轴的联动并且加工精度高；适合复杂几何造型，三维模 具设计；G 代码检验、仿真、模拟；外接扫描仪、三坐标测量机可实现反求工 程、数据光顺，在计算机上再现被测零件的外形等特点。 基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几 何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很 容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来 说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领 8 域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何 属性） ，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。宏观世界是 基于特征的实体造型软件， “基于特征”的意思是零件模型的构造是由各个特征 来生成的零件的设计过程就是特征的累积过程，而所谓特征是指可以用参数驱 动的实体模型，通常特征应满足以下条件： （1）特征必须是一个实体或零件的具体构成之一； （2）特征能对应某一形状； （3）特征的性质是可以预料的； 全相关性：Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品 开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的 工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期 的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开 发后期的一些功能提前发挥其作用。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了 实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管 理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于 使用了 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：Pro/ENGINEER 的基本结构能够使用户利用一些直观的命令， 例如“啮合” 、 “插入” 、 “对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意 图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量 不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普 通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易 学习和使用。 总之，Pro/ENGINEER 秉承“易学易用、功能强大、互连互通”的理念。 软件以使用方便、参数化造型和系统的全相关性而著。 6 9 第三章 六自由度机械手零件的设计 在 Pro/E 软件环境下，机械三维建模必须严格以设计构思为依据，尽量 保持三维图形数据的完整和正确性。三维模型的一般建模过程如图 1 所示。 由于在 Pro/ENGINEER 中实体模型构造方法多种多样，合理高效的采取哪一 种方法需要有一个经验积累过程。通常要根据图形的形状选择合适的构造模型 的方式。所以在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法。其中建模 的难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保 证零件模型的精确性。 7 由图 2 可知，六自由度机械手的主要建模构件为：机械手、机械手腕、机 图 2 六自由度机械手 图 1 Pro/E 零件一般建模 10 械手臂、垂直轴旋转体、垂直轴支撑体、底座等。 3.1 六自由度机械手底座建模 固定机械手的底座的建模： (1)利用草绘工具，绘制出底座特征。 (2)利用拉伸工具，拉伸出底座的实体。 (3)利用草绘工具，绘制出圆孔特征。 (4)利用拉伸工具，拉伸切除出所需圆孔。 3.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程 垂直轴旋转体建模过程： （1）利用草绘工具，草绘出主体轮廓。 （2）利用拉伸工具，拉伸出主体。 （3）利用孔工具，创建旋转轴孔。 （4）利用草绘工具，草绘出要切除的主体部分。 图 3 六自由度机械手底座 11 （5）利用拉伸切除，切除掉要草绘部分。 （6）拉伸出旋转轴。 8 3.3 六自由度机械手的臂膀建模过程 六自由度机械手的臂膀建模过程 （1） 利用草绘，拉伸，拉伸切除等工具进行草绘。 （2） 图 5 与图 6 步骤类似。 （3） 图 7 为机械手臂装配图。 图 4 六自由度机械手垂直轴旋转 体 图 5 六自由度机械手臂 12 3.4 六自由度机械手手部建模过程 机械手手部建模过程如下： （1）利用拉伸工具，拉伸出手部与手臂的连接件。 （2）利用基准工具，创建一基准平面，为后面的拉伸做准备。 （3）利用拉伸工具，切除多余部分。 图 6 六自由度机械手臂 图 7 机械手臂装配图 13 （4）利用拉伸工具，拉伸出机械手手腕连接件的嵌入空间。 （5）利用孔工具，绘制出所需要的孔。 （6）利用造型工具，绘制出两个手指部件。 （7）图 9 为机械手手指部件放大图。 9 图 8 机械手手部 图 9 机械手手部手指 14 第四章 六自由度机械手的装配 4.1 Pro/E 的装配过程 Pro/E 装配的过程如图 10 所示： 六自由度机械手构件的装备关系比较简单，其中各零件、连接件之间多为 面匹配和轴对齐，而各活动关节间的装配类型均为“销钉”连接。 4.2 六自由度机械手装配步骤及方法 根据装配关系分析,采用的装配序列为:六自由度机械手底座→垂直轴回转 体→机械手手臂→机械手手部→机械手手指。 具体步骤如下： （1）运行 Pro/E，新建组件 1,点确定进入装配模式，单击工具栏 按钮，添加元件进入装配，首先根据文件目录找到底座，单击打开，便将 底座引入了装配环境。对于首个进入装配环境的元件，应使其状态达到完全约 束，故应如图 11 选取缺省。 图 11 选取缺省 图 10 Pro/E 装配一般过程 15 当下方状态栏如图 12 显示完全约束时，单击 确定按钮，完 成第一个元件即底座的装配。 （2）按照装配序列，依次添加各元件以及相应的连接件，若元件间面 面重合，或者面与面平行，则属于匹配装配；若元件间共轴线，则属于轴对齐， 如图 13 所示选取相应装配；而各活动关节间的装配类型均为“销钉”连接，则 应选择如图 14 所示的销钉选项。 在销钉装配中，选择销钉，出现销钉对话框，如图 15： 图 12 完全约束 图 12 完全约束 图 12 完全约束 图 12 完全约束 图 13 自动对话框 图 14 选择销钉 图 15 销钉对话框 16 轴对齐，选择各个零件分别的中心轴，然后平移，点选两个要重合的平面 最后 出现完成连接定义，单击确定即可，如图 16 所示： （3）全部零件装配完毕后，单击菜单栏“视图”→“环境和外观”对各零 件进行着色，六自由度机械手的装配效果图（图 17）和分解爆炸效果图（图 18） 。 如下： 图 16 完成连接定义 图 17 六自由度机械手装配效果图 图 18 分解爆炸效果图 17 第五章 打孔机的装配 5.1 打孔机的装配效果图 打孔机的装配图如图 19 5.2 打孔机的分解爆炸图 打孔机的爆炸图如图 20 图 19 打孔机的装配图 图 20 打孔机的分解爆炸图 18 第六章 六自由度机械手运动仿真 6.1 运动学仿真及过程 运动学仿真是对机构进行装配之后，不给其施加力，不考虑零件之间的摩 擦，只在机构上施加动力，构建运动副，使机构能进行运动，分析其运动轨迹。 在 Pro/ENGINEER 机构模块中提供零件之间的运动副有:凸轮连接运动副、槽连 接运动副、齿轮连接运动副等。 运动学仿真大致过程： （1）在装配环境下，建立运动链接。 （2）要是机构运动，首先按照一定的连接方式将零件装配起来，和普通约 束不同的是，运动件的装配要保留所需要的自由度，在 PROE 中称之为“连接” 。 （3）进入机构运动分析环境。设臵驱动，定义伺服电机。驱动是机构的动 力源，和电动机一样能产生旋转及平移的动力，并可使参数进行控制。 （4）设定分析条件并运行。完成机构连接和驱动的设臵后，就可为运动设 臵为合适的条件及环境，随后进行机构的运动分析。 （5）获得分析结果。 （6）机构运动分析完成后，就可使用回访、测量等功能，进一步了解运动 的过程和分析的结果，如果进行干涉禁言、获得运动分析结果，测量运动轨迹 等。 6.2 进入机构模块 运行 Pro/E，打开装配 1 后，点击菜单栏“应用程序”→“机构” ，即进入 了机构模块，如图 21 所示。 图 21 机构模块 19 进入机构模块后即可对各运动轴做参数设臵，以限制主体之间的相对位臵、 运动范围、运动轴零位臵参照等。如图 22，选择旋转轴，右键单击并选择菜单 中编辑定义选项，进入运动轴设臵对话框（图 23） ，编辑运动轴的零位臵和限 图 22 选择旋转轴 图 23 运动轴设置对话框 20 制，并可对编辑数据进行预览。使用“拖动” 功能可检查为运动轴 指定的限制是否满足要求。 6.3 添加“伺服电动机” 在机构模式下，点击 “伺服电动机”图标，定义“伺服电动机” （如图 24） ，名称为“ServoMotor1” ，类型栏选择“运动轴” ，点击装配时生成 的销钉轴；轮廓栏（如图 25）的“规范”选择“速度” ， “初始位臵”为开始运 动的位臵，可定义当前位臵，也可以定义任意位臵为运动初始位臵，并可以预 览， “模”选择“常数” ， “A”值为“10” 。 图 24 伺服电动机定义对话框 图 25 选择速度 21 6.4 定义初始条件 点击 “拖动元件”按钮，点击“快照” ，生成“Snapshot1”如图 26。 点击“初始条件”按钮，名称为“InitCond1” ，选择“快照”为 “Snapshot1”，单击“确定”完成初始条件的定义。 6.5 定义分析 单击 “机构分析”按钮，名称为“AnalysisDefinition1” ，类型为 “位置” ， “优先选项”中， “持续时间”为 4s,“帧频”为“10” ， “最小间隔” 为“0.1” 。 “快照”选择先前生成的“Snapshot1” ，如图 27。将 7 电动机添加 到分析中，定义各电动机的开始、结束时间，如图 28。然后点击“运行” ，即 可以观察运动仿真情况，确定设定正确后单击“确定” 。 图 26 生成“Snapshot1” 图 27 优先选项对话框 图 28 电动机对话框 22 6.6 运动仿真视频制作 前面的运动分析“AnalysisDefinition1”生成后，单击界面右边 回 放按钮，即可进入回放界面，此界面可对先前的运动分析进行回放、保存至文 件、也可打开文件中以存在的运动分析。如图 29，点击播放，打开 “AnalysisDefinition1”，即进入动 画界面，如图 30 所示，单击播放便开始重新播放“AnalysisDefinition1” ， 图 31 所示“捕获.” ，即为视频录制按钮，单击，进去如图 31 界面， “名称” 处单击浏览选路径为 E:\盘，新建名称 yundongfangzhen， “类型”选 MPEG,勾 取“照片级渲染帧”可使视频效果更佳，单击确定便完成了运动仿真视频的制 作。 图 29 回放 图 30 动画界面 图 31 捕获对话框 23 6.7 运动仿真及效果分析 如图 32 所示，运动仿真动作解析：移动机械手至放置圆柱塑料块的长方体 桌子的正前方，通过机械手手部将圆块抓取并移动到打孔机的圆台上，同时机 械手起装夹固定作用，将圆块牢牢放置在圆台上，启动打孔机将圆块打孔，最 后机械手将以加工的圆块放到指定的位置。 24 总结 在一个星期的课程设计研究与制作中，这是一次为数不多的自主独立设计 并在老师的指导下完成的一件作品，在将近两个月的毕业设计研究与制作中， 这是一次为数不多的自主独立设计并在老师的指导下完成的一件作品，既是机 遇又是挑战。这次设计也是对我们大学四年所学知识的一次总结与应用，更是 升华。他让我更好的理解了我们机械行业在社会生产中的重要作用和他强大的 生命力。着这次学习中，我集中精力学习了 PROE 相关内容，PROE 在工作中 的简单便捷减少了我们设计的许多困难。它的功能如此之强大让我深深折服， 这是科技的力量带给我的巨大的震撼感，同时也让我更加热爱机械这一行业。 在机器人学的研究中，六自由度机器人具有很大的研究价值和实用意义。 假如六自由度机器人能充分的运用其在运动过程中的灵活性和优越性，他会方 便我们多少生活。他会成为我们人类最得力的助手。我们国家的机器人学并不 强，但是他却是那么的重要，以至于我们每位中华学习都要好好学习研究机器 人，为一个强大的崛起的中国贡献力量。本文在六自由度机器人的建模与仿真 的基础上，把六自由度机器人的运动更加简单便捷。 目前，仍有一些问题尚未解决，需要在此基础上做进一步的研究: 1.proe 还 有很多功能不太熟练，有些强大的功能我并没有完全掌握，我还有很多需要学 25 习和改进的地方，今后我一定虚心学习，争取更好地掌握这门工具。 2.我所涉及的六自由度机器人还很简单，并没有把电器类 plc 等知识结合起 来，是大缺陷今后机电一体化才是王道，因此我还有很多东西更需要学习和研 究。 3.分析更多结构的六自由度机器人，研究其在不同的方式下实现其复杂运 动控制。为工业生产探索出更为完美的控制方式，是复杂控制变为简单。 4.由于时间有限，知识水平尚待提高，缺少对六自由度机器人位臵逆解算 法进行仿真验证。 5.还要进一步提高仿真的易用性，易操作性和可扩展性，为研究者和使用 者提供一个良好的软件平台。既是机遇又是挑战。这次设计也是对我们大学四 年所学知识的一次总结与应用，更是升华。他让我更好的理解了我们机械行业 在社会生产中的重要作用和他强大的生命力。着这次学习中，我集中精力学习 了 PROE 相关内容， PROE 在工作中的简单便捷减少了我们设计的许多困难。 它的功能如此之强大让我深深折服，这是科技的力量带给我的巨大的震撼感， 同时也让我更加热爱机械这一行业。 在机器人学的研究中，六自由度机器人具有很大的研究价值和实用意义。假如 六自由度机器人能充分的运用其在运动过程中的灵活性和优越性，他会方便我 们多少生活。他会成为我们人类最得力的助手。我们国家的机器人学并不强， 但是他却是那么的重要，以至于我们每位中华学习都要好好学习研究机器人， 为一个强大的崛起的中国贡献力量。本文在六自由度机器人的建模与仿真的基 础上，把六自由度机器人的运动更加简单便捷。 目前，仍有一些问题尚未解决，需要在此基础上做进一步的研究: 1.proe 还有很多功能不太熟练，有些强大的功能我并没有完全掌握，我还有很 多需要学习和改进的地方，今后我一定虚心学习，争取更好地掌握这门工具。 2.我所涉及的六自由度机器人还很简单，并没有把电器类 plc 等知识结合起来， 是大缺陷今后机电一体化才是王道，因此我还有很多东西更需要学习和研究。 3.分析更多结构的六自由度机器人，研究其在不同的方式下实现其复杂运动控 制。为工业生产探索出更为完美的控制方式，是复杂控制变为简单。 4.由于时间有限，知识水平尚待提高，缺少对六自由度机器人位臵逆解算法进 行仿真验证。 5.还要进一步提高仿真的易用性，易操作性和可扩展性，为研究者和使用者提 供一个良好的软件平台。 26 致谢 本说明书最终得以顺利完成，非常感谢我的老师、同学、朋友的帮助与指 导。他们严谨的学风、渊博的知识、诲人不倦的品格一直感染和激励着我不断 上进。 “海纳百川，取则行远” ，在这所美丽的校园里，我不断