機電一體化課程設計

1、機電工程學院機電一體化系統(tǒng)設計課程設計設計題目：基于Pre/E抓取機械手設計與運動仿真專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導老師： 課程設計任務書一、題目： 基于Pre/E抓取機械手設計與運動仿真 二、研究內容與目標：本設計主要的研究內容是1）對指定的機械手進行傳動系統(tǒng)方案設計； 2）對執(zhí)行機構進行運動簡圖設計（含必要的機構創(chuàng)意實驗）； 3）編寫設計說明書。目標：掌握通用機械零件、機械傳動裝置或簡單機械的設計原理和過程三、研究方法：四、主要參考文獻：1 周伯英. 工業(yè)機器人設計.北京：機械工業(yè)出版社，1995.2 徐灝主編.機械設計手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1991.3 王承義. 機械手及其應用

2、. 機械工業(yè)出版社，1981. 4 李允文. 工業(yè)機械手課程設計.1987.5 濮良貴,紀名剛主編.機械設計（第七版）.北京:高等教育出版社，2001.目錄第一章緒論41.1機械手的概論41.2 發(fā)展前景及方向5第二章 Pro/E選擇使用72.1 Pro/ENGINEER產品7 2.2 Pro/ENGINEER概述72.3 Pro/ENGINEER的特點7第三章 抓取機械手的建模93.1機械手的底座及其輪子建模93.2機械手機身底座及旋轉軸的建模93.3機械手機身的建模103.4機械手手臂的建模103.5機械手手腕的建模113.6機械手手爪零件的建模113.7銷釘?shù)慕?2第四章 機

3、械手的裝配13第五章 機械手的運動仿真165.1運動仿真及過程165.2  進入機構模塊175.3  添加“伺服電動機”175.4定義初始條件185.5 定義分析19第六章 總結20致謝語21參考文獻22基于PRO/E的抓取機械手設計與運動仿真三明學院機電工程學院 姓名 徐秋強摘要 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的

4、搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。 通過Pro/E這個三維軟件工具來進行搬運機械手的參數(shù)化建模設計，完整體現(xiàn)產品設計的基本流程，提出一種產品設計的新思路、展示Pro/E在產品設計上的優(yōu)勢。首先利用Pro/E便捷的建模工具來對機械手各零件的造型設計：然后利用Pro/E按要求對機械手零件以各種約束和銷釘?shù)冗B接進行裝配：接著利用Pro/E的機構模式對機械手的裝配作添加伺服電動機等操作，來實現(xiàn)四自由度機械手的運動仿真。Pro/E方便的實現(xiàn)了對四自由度機械手的裝配和運動仿真，效果非常直觀。關鍵詞：機械手 Pro/E 建模 裝配 運動仿真第一章緒論1.1機械手的概論機械手是在自動化

5、生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機械手的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)

6、省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來

7、實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個自由度 。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù) 。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要

8、由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。   1.2 發(fā)展前景及方向目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：1機械手結構正向著模塊化可重構化發(fā)展。2機械手控制系統(tǒng)逐步向著可編程控制器方向發(fā)展，便于網絡化、標準化；提高器件的集成度，結構小巧，采用模塊化的結構，有效提高了機械系統(tǒng)可靠性、操作性，而且便于維修。3機械手中傳感器的應用日益加重，除了傳統(tǒng)的速度、加速度、位置等傳感器外，還引入了視、聽、觸覺等傳感器，朝著智能化方向日益發(fā)展。4各式各樣的機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形

9、復合機構、伺服軸軌跡、控制系統(tǒng)等規(guī)劃研究開發(fā)。5搬運、裝配、切割、焊接等工作的機械手產品模塊化、通用化、系列化、標準化研究；以及系統(tǒng)動態(tài)仿真和離線示教編程?？偟膩碚f，機械手朝著兩大方向發(fā)展：1.機械手日益智能化，多傳感器、控制器，以及先進復雜的電控系統(tǒng)和控制算法；2.聯(lián)系生產加工，性價比高，在滿足要求的基礎上，不斷追求系統(tǒng)的經濟、可靠、簡介，大量的采用工業(yè)控制器，模塊化，市場化的元件。第二章 Pro/E選擇使用2.1 Pro/ENGINEER產品Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)

10、化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。2.2 Pro/ENGINEER概述 Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進

11、行多次設計疊代，實現(xiàn)產品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發(fā)更多的產品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。2.3 Pro/ENGINEER的特點 1參數(shù)化設計：相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。2基于特征建模：Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能

12、特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 3.單一數(shù)據(jù)庫（全相關）：Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起

13、來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。第三章 抓取機械手的建模3.1機械手的底座及其輪子建模當抓取機械手需要完成較遠距離的操作,或擴大使用范圍時,可在機座上安裝滾輪,軌道燈行走機構,以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整體運動。 3.2機械手機身底座及旋轉軸的建模 3.3機械手機身的建模機身是支承臂部的部件，升降，回轉和俯仰運動機構等都可以裝在機身上。本次設計回轉與升降結構都裝在機身。3.4機械手手臂的建模手臂是機械手的重要支撐部件，它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。手臂運動的目的：將手部送到所要工作的運動范圍內待手部動作完成后再見手部送

14、到另一個空間范圍，總的來說手臂起著搬運移動的作用。因此，一般來說臂部應具有三個自由度才能滿足要求，即手臂的伸縮運動、左右旋轉運動、升降（或俯仰）運動。 大臂 小臂3.5機械手手腕的建模用于手部和臂部連接，起著調節(jié)抓取工件方位，擴大機械手動作范圍，使機械手跟家靈巧，適應性更強。手腕有自己獨立的自由度，回轉擺動，上下擺動，左右擺動等。一般情況手腕有一個回轉運動再加一個上下擺動即可滿足要求。手腕可有可無有些專用機械手為了簡化機械結構可以去除腕部，直接采用臂部運動驅動手部工作。3.6機械手手爪零件的建模手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，內抓式手部對抓取形狀的工件具有較大的單一性，只能抓取環(huán)

15、類零件。工作時手指伸入環(huán)類零件內，然后手指張開從里向外夾住工件。一般情況下多采用兩個手指，少數(shù)采用三指或多指。本設計中選擇較簡單的兩指結構的內夾持式手部結構。 3.7銷釘?shù)慕?第四章 機械手的裝配根據(jù)裝配關系分析,采用的裝配序列為:機械手的底座輪子機身底座機身旋轉軸機身大臂小臂手爪銷釘。具體步驟如下：（1）運行Pro/E，新建組件1,點確定進入裝配模式，單擊工具欄 按鈕，添加元件進入裝配，首先根據(jù)文件目錄找到機械手的底座，單擊打開，便將底座引入裝配環(huán)境。對于首個進入裝配環(huán)境的元件，應使其狀態(tài)達到完全約束，故應如圖12選取缺省。選取缺省當狀態(tài)欄顯示完全約束時，單擊確定按鈕，完成第一個

16、元件即底座的裝配。（2）按照裝配序列，依次添加各元件以及相應的連接件，若元件間面面重合，或者面與面平行，則屬于匹配裝配；若元件間共軸線，則屬于軸對齊，選取如圖13所示相應裝配；而各活動關節(jié)間的裝配類型均為“銷釘”連接，則應選擇如圖14所示對軸對齊、平移、旋轉軸設置。自動對話框自動對話框（3）滑動桿連接通過軸對齊、旋轉、平移軸設置。圖15 自動對話框自動對話框（4）全部零件裝配完畢后，插床機構的裝配效果圖 機械手裝配效果圖第五章 機械手的運動仿真5.1運動仿真及過程運動學仿真是對機構進行裝配之后，不給其施加力，不考慮零件之間的摩擦，只在機構上施加動力，構建運動副，使機構能進行運動，分析其運動軌跡

17、。在Pro/ENGINEER機構模塊中提供零件之間的運動副有:圓柱運動副、槽連接運動副、滑桿連接運動副等。運動學仿真大致過程： （1）在裝配環(huán)境下，建立運動鏈接。 （2）要是機構運動，首先按照一定的連接方式將零件裝配起來，和普通約束不同的是，運動件的裝配要保留所需要的自由度，在PROE中稱之為“連接”。 （3）進入機構運動分析環(huán)境。設置驅動，定義伺服電機。驅動是機構的動力源，和電動機一樣能產生旋轉及平移的動力，并可使參數(shù)進行控制。 （4）設定分析條件并運行。完成機構連接和驅動的設置后，就可為運動設置合適的條件及環(huán)境，隨后進行機構的運動分析。 （

18、5）獲得分析結果。 （6）機構運動分析完成后，就可使用回放、測量等功能，進一步了解運動的過程和分析的結果，如進行干涉檢驗、獲得運動分析結果、測量運動軌跡等。5.2  進入機構模塊 運行Pro/E，打開裝配1后，點擊菜單欄“應用程序”“機構”，即進入了機構模塊。機構模塊進入機構模塊后即可對各運動軸做參數(shù)設置，以限制主體之間的相對位置、運動范圍、運動軸零位置參照等。5.3  添加“伺服電動機”在機構模式下，點擊“伺服電動機”圖標，定義“伺服電動機”（，名稱為“ServeMotor1”，類型欄選擇“運動軸”，點擊裝配時生成的銷釘軸；輪廓欄的

19、“規(guī)范”選擇“速度”，“初始位置”為開始運動的位置，可定義當前位置，也可以定義任意位置為運動初始位置，并可以預覽，“?！边x擇“常數(shù)”，設“A”值。 伺服電動機定義對話框 選擇速度5.4定義初始條件點擊“拖動元件”按鈕，點擊“快照”，生成“Snapshot1”。點擊“初始條件”按鈕，名稱為“InitCond1”，選擇“快照”為“Snapshot1”，單擊“確定”完成初始條件的定義。 5.5 定義分析單機“機構分析”按鈕，名稱為“AnalysisDefinition1”，類型為“位置”，“優(yōu)先選項”中，“持續(xù)時間”為60s,“幀頻”為“10”，“最小間隔”為“0.1”?！翱煺铡边x擇先前生成的“Sn

20、apshot1”，如圖22。將電動機添加到分析中，定義電動機的開始、結束時間，如圖23。然后點擊“運行”，即可以觀察運動仿真情況，確認設定正確后單擊“確定”。圖22 首選項對話框圖23 電動機對話框第六章 總結通過此次課程設計，使我了解了機械手的很多相關知識。使我也了解了當前國內外在此方面的一些先進生產和制造技術，了解了機械手設計的一般過程，通過對機械手結構的系統(tǒng)設計，掌握了一定的機械設計方面的基礎，能夠熟練使用三維Pro.e，CAD等軟件繪制圖形，為以后的工作學習創(chuàng)造了一定基礎。1、 本次課程設計只是對平面關節(jié)型機械手的結構和驅動做了系統(tǒng)的設計，設計中沒有涉及到機械手的控制問題，對這方面有點模糊，需要在以后的工作學習中了解和掌握。2、 本次設