毕业设计（论文）-基于ProE的机械手抓取工件运动仿真分析.doc

毕业设计基于Pro/E的机械手抓取工件运动仿真分析姓 名： 学 号： 班 级： 专 业： 机械工程及自动化 所在系： 机械工程系 指导老师: 基于Pro/E的机械手抓取工件运动仿真分析摘要随着科学技术的发展，自动化应用的程度对工业生产效率的影响程度越来越高。人工操作及旧有的固定式输送带为主的传统搬运方式，已无法满足高度的自动化操作的需要。机械手是近年来发展起来的自动化操作设备，他可根据预先编制的程序完成预期的作业。机械手工作的准确性及对工作环境适应能力，使其在工业生产中有着越来越广泛的应用。ProE是美国参数化公司（PTC）推出的一款高端三维设计软件，其具有基于特征、关联、参数化等特征。该软件集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、运动仿真、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使设计师极大地缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程。1本次设计根据设计任务书主要设计一种可抓取工件且具有多自由度的机械手。在设计过程中采用Pro/E为设计平台，进行三维建模、产品装配并进行机构仿真，从而最终实现机械手的设计。关键词：机械手；Pro/E；三维建模；机械仿真Manipulator Based on Pro/E to Grab Workpiece Movement SimulationABSTRACTWith the development of science and technology, the application of automation degree of the influence degree of the industrial production efficiency is higher and higher.Manual operation and the old traditional handling way, stationary belt have been unable to meet the needs of the high degree of automation.Manipulator is the automation equipment developed in recent years, he can according to the program in advance to complete the desired operation.The accuracy of the manipulator work and ability to adapt to working environment, make it has more and more widely used in industrial production. Pro/E is the parametric company (PTC) launched a high-end 3 d design software, it is based on feature, correlation and parametric feature.The software collection from the part design, product assembly, mold development, manufacturing, and processing sheet metal parts design, casting parts design, industrial design, reverse engineering, motion simulation, mechanism analysis, finite element analysis, product database management, and other functions, so that designers have greatly shortened product development time and simplify the development process.1 This design according to the design plan descriptions of the main design of a grab workpiece and has many degrees of freedom manipulator.In the design process using Pro/E platform for design, 3 d modeling, product assembly and mechanism simulation, so as to achieve the design of the manipulator.Key Words: Manipulator; Pro/E; 3D modeling; Mechanical simulation目录第一章绪论11.1 前言11.2 机械手的概述11.2.1 机械手简介11.2.2 机械手结构组成21.3 机械手的分类41.4 机械手的发展历史51.5 本次设计拟采用的方法6第二章 机械手结构设计72.1 机械手功能分析72.2 工作台机构设计72.2.1 槽轮机构简介72.2.2 槽轮机构结构特点与应用82.2.3 槽轮机构性能改进措施82.2.4 工作台机构详细设计92.2 机械手机构设计112.3.1 连杆机构简介122.3.2 连杆机构分类132.3.3 机械手机构详细设计132.3 夹紧机构设计18第三章 基于Pro/E的机械手装配设计203.1 Pro/E简介203.2 装配思路分析203.3 工作台机构装配203.3 机械手机构装配233.3.1 行走座与机械臂组件装配233.3.2 手指主要组件装配263.3.3 机械手机构装配283.4 夹紧机构装配303.5 机械手工作装置整体装配30第四章 基于Pro/E的机械手仿真分析334.1 连接设置334.1.1 接头设置334.1.2 凸轮设置334.2 电动机设置344.2.1 伺服设置344.2.2 力设置354.3 弹簧设置354.4 机构分析36结论37参考文献38致 谢39天津理工大学中环信息学院2014届本科毕业设计说明书第一章绪论1.1 前言伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机器人化机械开始兴起。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。近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电器可编程控制技术与启动呢技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，；气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。对气动技术提出了更多更高的要求使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高。2机械手结构复杂，在对其设计时必须首先对其要实现的功能进行分析，根据所要实现的功能对机械手进行方案设计，确定机械手手部、手臂等结构参数。在进行结构设计时，由于机械手自由度较多，对其轨迹的控制较为困难，需经过多次反复计算，才能使其结构参数满足要求。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 由此，在次设计对目前常用的工业机械手展开研究，并以Pro/E为软件平台，使用Pro/E的三维造型及模拟仿真功能对机械手进行产品设计。1.2 机械手的概述1.2.1 机械手简介机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，其外形结构如图1.1.所示。图1.1（a）常见机械手外形图Fig1.1(a) The common mechanical hand contour map图1.1(b)常见机械手外形图Fig1.1 (b)The common mechanical hand contour map1.2.2 机械手结构组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。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23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。1.执行机构机械手的执行机构分为手部、手臂、躯干；（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。（2）手臂手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的3个自由度都要精确地定位。（3）躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。2.驱动机构机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。（1）液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。（2）气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。（3）电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有此机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。（4）机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。3.控制系统机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限可，而同一插件又可以反复使用；穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换；穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存，可重复使用；磁蕊和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件，则根据动作的复杂程序和精确程序来确定。对动作复杂的机械手，采用求教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。1.3 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1.按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种（1）专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。（2）通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。2.按驱动方式分（1）液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。（2）气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。（4）电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。1.4 机械手的发展历史机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题。 目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。1.5 本次设计拟采用的方法 在本次设计中，将采用传统设计与现代设计方法相结合的方式，来完成本次的设计工作。在设计中，首先根据现有机械手结构方案结合本次所设计机械手功能要求，做出机械结构原理图，然后根据结构原理图再对机械手中用到的构件进行结构细化，并应用Pro/E对机械手机械三维建模，并应用Pro/E中的机械仿真功能进行结构仿真分析。第二章 机械手结构设计2.1 机械手功能分析本次所设计的机械手工作装置，需完成承接工件、运输工件、夹紧工件等三个步骤。为方便设计并使结构易于生产、装配，对机械手工作装置采用模块化设计。承接工件由槽轮机构的旋转工作台完成，工件的运输由机械手完成，夹紧工件通过夹紧机构完成。整个机械手工作装置各机构间即相互独立，又相互联系，共同完成机械手工作装置的工作任务，提高了整体工作装置的可靠性。其结构如图2.1所示。321图2.1 机械手工作装置Fig2.1 The work device of the manipulator2.2 工作台机构设计在本次所设计的机械手工作装置中，工作台主要起承接工件，并把工件旋转一定角度，由于其工作过程中，在机械手运输工作时工作台的旋转运动停止，故工作台属间歇运动机构。结合工作台工作特点，在本次设计时，工作台工作机构采用槽轮机构。2.2.1 槽轮机构简介槽轮机构属间歇工作机构，其主要由槽轮及圆柱销相关组件组成，通常又被称为马尔他机构。其常被用来将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。槽轮机构有外接式和内接式以及球面槽轮等。外接式槽轮机构的槽轮和转臂转向相反,而内接式则相同，球面槽轮可在两相交轴之间进行间歇传动。外接式槽轮机构典型结构如图2.2所示，它由主动缺口转盘、从动槽轮、转臂、圆柱销和机架组成。在本次设计中，工作台机构即采用这种结构形式。图2.2 外接式槽轮机构Fig2.2 External gear slot wheel mechanism2.2.2 槽轮机构结构特点与应用槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速，多用来实现不需经常调节转位角度的转位运动。单臂外接式槽轮机构(见图2.2)由带圆柱销的转臂、具有4条径向槽的槽轮和机架组成。当连续转动的转臂上的圆柱销进入径向槽时,拨动槽轮转过2呜2角;当圆柱销转出径向槽后,槽轮停止转动。转臂转一周，槽轮完成一次转停运动。为了保证槽轮停歇，可在转臂上固接一缺口圆盘，其圆周边与槽轮上的凹周边相配。这样,既不影响转臂转动,又能锁住槽轮不动。为了使槽轮能完成周期性的转停运动，槽轮上的径向槽数不能少于3。为了避免冲击,圆柱销应切向进、出槽轮，即径向槽与转臂在此瞬间位置要互相垂直。在满足不同间停的要求时，可采用多臂的和非对称槽的槽轮机构。槽轮机构一般应用在转速不高、要求间歇地转过一定角度的分度装置中，如转塔车床上的刀具转位机构。它还常在电影放映机中用以间歇移动胶片等。2.2.3 槽轮机构性能改进措施为提高槽轮机构的动力性能，可采用以下措施：1.采用槽数较多的槽轮，以代替动力性能较差的槽数较少的槽轮机构，但应后置增速齿轮机构。2.采用用前置椭圆齿轮机构，与从动椭圆齿轮相固接的主动拔盘作变速转动。从而在不降低拨盘转速的情况下，降低槽轮的加速度。3.改变主动拨盘上拨销的回转半径，使拨销在拨动过程中使其回转半径不为固定值。或者采用曲柄摇块机构，圆销装置于作一般平面运动的导杆上；或使圆销沿固定凸轮的导槽运动，均可使圆销在工作过程中改变主动曲柄半径r，从而改善了槽轮的运动不均匀性。4在本次设计中，为使槽轮机构尽可能的简化并具有一定的平稳性，在设计时，槽轮采用6槽。2.2.4 工作台机构详细设计根据以上分析，最终确定工作台机构如图2.3所示图2.3 工作台结构图Fig2.3 Table structure diagram 由图2.3可知，台面主要是用于承接工作，其槽轮连接在一起，可做旋转运动。其结构尺寸如图2.4所示。图2.4 台面结构图Fig2.4 The mesa structure diagram 槽轮主要用于运动的传递，将由拨盘传来的连续旋转运动转化为用于工作台工作的间歇运动，其结构如图2.5所示。图2.5 槽轮结构图Fig2.5 The groove wheel structure diagram 由图2.3可知，拨盘主要用于运动的输入，拨销配合将旋转运动传递给工作台，拨盘与拨销的结构图分别如图2.6、2.7所示。图2.6 拨盘结构图Fig2.6 Dial structure diagram图2.7 拨销结构图Fig2.7 A pin structure diagram底座是安装拨销、拨盘、槽轮等的基体，其结构如图2.8所示。图2.8 底座结构图Fig2.8 The base structure diagram2.2 机械手机构设计在本次机械手工作装置的设计中，机械手机构的作用是运输工件。在运输工件时，其首先抓紧工件；其次，机械臂需可在空间自由移动，最后由于工作台距离夹紧机构有一定的距离，机械手不需具有长距离行走的功能。确定其结构如图2.9所示。图2.9 机械手结构图Fig2.9 The manipulator structure diagram 由图2.9可知，机械手主要由行走座、机械臂、手指等组成。其中行走座的主要作用是支撑机械臂及机械手的远距离行走；机械臂的作用是支撑手指及调机械手空间位置；手指的作用是实现工件的抓紧及放松。 在机械手的设计中，机械臂及手指均采用连杆机构，这种结构使得机构结构简单、可靠性高。2.2.1 连杆机构简介 连杆机构采用低副连接，其连接表面均为面接触，这种结构方式制造简便，单件连杆构件易于获得较高的制造精度。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛应用。但连杆机构亦存在低副连接间隙造成的运动累积误差，且其设计过程比较复杂，不易精确地实现复杂地运动等缺点。常用的平面四连杆机构如图2.10所示。图2.10 平面四连杆结构图Fig2.10 The planar four bar chart2.2.2 连杆机构分类连杆机构通常根据运动类型、连杆数目、自由度数、开闭方式等分类。根据构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构。根据机构中构件数目的多少分为四杆机构、五杆机构、六杆机构等，一般将五杆及五杆以上的连杆机构称为多杆机构。当连杆机构的自由度为1时，称为单自由度连杆机构；当自由度大于1时，称为多自由度连杆机构。根据形成连杆机构的运动链是开链还是闭链，亦可将相应的连杆机构分为开链连杆机构（机械手通常是运动副为转动副或移动副的空间开链连杆机构，本次设计的机械手即采用这种方式）和闭链连杆机构。单闭环的平面连杆机构的构件数至少为4，因而最简单的平面闭链连杆机构是四杆机构，其他多杆闭链机构无非是在其基础上扩充杆组而成；单闭环的空间连杆机构的构件数至少为3，因而可由三个构件组成空间三杆机构。32.2.3 机械手机构详细设计1.行走座的设计 行走座的作用是支撑机械臂、使机械臂可做回转运动及带动机械臂做远距离行走等。基于此，做行走座结构如图2.11所示。图2.11 行走座结构图Fig2.11 Walking seat structure diagram2.机械臂设计由以上设计分析可知，本次机械臂设计采用开环多杆连杆机构，以达到简化结构强化性能的要求，其结构如图2.12所示。图2.12 机械臂结构图Fig2.12 The mechanical arm structure diagram（1）臂座的设计 臂座主要用于与行走座的连接，使机械臂可做回转运动，其结构如图2.13所示。图2.13 臂座结构图Fig2.13 Graph base structure of arm（2）杆1及杆2 的设计 杆1、杆2为机械臂的中间连接环节，主要用于机械臂的连接、扩大机构臂的空间活动范围、提高机械臂的自由度等，其结构图分别如图2.14、2.15所示。 图2.14 杆1结构图 图2.15 杆2结构图 Fig2.14 Rod 1 structure diagram Fig2.15 Rod 2 structure diagram（3）手指连接设计手指连接主要用于手指与机械臂之间的连接，其结构如图2.16所示。图2.16 手指连接结构图Fig2.16 Finger connecting structure diagram3.手指的设计手指主要用于工件的抓紧及放松，本次设计中采用曲柄滑块结构，如图2.17所示。 图2.17 手指结构图 Fig2.17 Finger structure diagram（1）缸体的设计 缸体主要用于与机械臂、缸杆的连接，其结构如图2.18所示。图2.18 缸体结构图Fig2.18 Block diagram（2）支架的设计支架与缸体连接，主要用于指爪，其结构如图2.19所示。图2.19 支架结构图Fig2.19 Support structure diagram（3）缸杆的设计缸杆与缸体、连杆相连，主要用于工件夹紧或放松的传力，其结构如图2.20所示。图2.20 缸杆结构图Fig2.20 Cylinder rod structure diagram（4）指爪的设计指爪是直接与工件相接触的部件，其结构如图2.21所示。图2.21 指爪结构图Fig2.21 The claw structure diagram2.3 夹紧机构设计夹紧机构主要用于工件夹紧，在本次设计中，采用气缸作为动力，推动滑块运动，滑块又使夹紧卡爪动作，来实现工件的夹紧，其结构如图2.22所示。图2.22 夹紧机构结构图Fig2.22 The clamping mechanism structure diagram1.夹紧基座的设计夹紧基座主要用于气缸、滑块及夹紧卡爪的承载，其结构如图2.23所示。图2.23 夹紧基座结构图Fig2.23 The clamping base structure diagram2.夹紧卡爪的设计夹紧卡爪是夹紧工件时的构件之一，其结构如图2.24所示。图2.24 夹紧卡爪结构图Fig2.24 The clamping claw structure diagram 第三章 基于Pro/E的机械手装配设计为了更好的对机械手工作装置进行设计，本次设计将采用Pro/E对其进行装配设计及仿真。设计时采用DOWN_TOP的方式进行。3.1 Pro/E简介PRO/E即Pro/ENGINEER。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的AD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。63.2 装配思路分析由第二章可知，此机械手工作装置主要由工作台机构、机械手机构、夹紧机构组成，每个机构都有相应的构件组成。故此在进行装配设计时，先将这三个机构分别单独组装，然后再进行整体装配。3.3 工作台机构装配底座为工作台机构的基础构件，故此在工作台装配时，先将其放入装配体文件中。具体步骤如下：1.选择模块打开Pro/ENGINEER5.0，点击新建按钮，在弹出的新建对话框中，选择类型为组件，子类型为设计，名称为N498，取消使用缺省模板，然后单击确定按钮，如图3.1所示。并在随后弹出的新文件选项对话框中，选择“mmns_asm_design”。图3.1 新建对话框Fig3.1 A new dialog2.添加底座构件 在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择底座文件N489_1.PRT，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为缺省，如图3.2所示。图3.2 底座装配Fig3.2 The base assembly3.添加拨盘组件 在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择拨盘文件N489_1.ASM，在弹出的装配面板中，选择销钉约束，使拨盘10孔与底座盘10孔轴对齐，并使拨盘下面与底座上面对齐。如图3.3所示。图3.3 拨盘装配Fig3.3 Dial assembly4.槽轮装配 在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择槽轮文件N489_4.PRT，在弹出的装配面板中，选择销钉约束，使槽轮的10孔与底座盘10孔轴对齐，并使槽轮下面与底座上面平移10mm。如图3.4所示。图3.4 槽轮装配Fig3.4 Slot wheel assembly5、台面装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择台面文件N489_6.PRT，在弹出的装配面板中，选择刚性约束，使台面的20孔与底座10孔轴对齐，并使台面下面与槽轮上面对匹配，使台面RIGHT基准面与槽轮DTM1面对齐。如图3.5所示。图3.5 台面装配Fig3.5 Mesa assembly3.3 机械手机构装配 由机械手的结构可知，在装配时可将其分成两个部件：行走座与机械臂一个组件、手指组件。3.3.1 行走座与机械臂组件装配1.选择模块在工具栏中点击新建按钮，在弹出的新建对话框中，选择类型为组件，子类型为设计，名称为N1275-2，取消使用缺省模板，然后单击确定按钮。并在随后弹出的新文件选项对话框中，选择“mmns_asm_design”。2.行走座装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择行走座文件N1275_8.PRT，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为缺省，如图3.6所示。图3.6 行走座装配Fig3.6 Walking seat assembly3.添加臂座构件在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择臂座文件N1275_9.PRT，在弹出的装配面板中，选择滑动杆约束，使臂座30外圆轴线与行走座30孔轴对齐，并使臂座曲面F6与行走座曲面F5对齐，臂座曲面F6与行走座曲面F8偏距20mm。如图3.7所示。图3.7 臂座装配Fig3.7 Arm seat assembly4.添加杆1构件在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择杆1文件N1275_10.PRT，在弹出的装配面板中，选择销钉约束，使杆120孔轴线与臂座20孔轴对齐，并使杆1与臂座的FRONT基准面对齐。如图3.8所示。图3.8 杆1装配Fig3.8 Stem 1 assembly5.添加杆2构件 在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择杆2文件N1275_11.PRT，在弹出的装配面板中，选择销钉约束，使杆115孔轴线与杆215孔轴对齐，并使杆1与杆2的FRONT基准面对齐。如图3.9所示。图3.9 杆2装配Fig3.8 Stem 2 assembly6.添加手指连接构件在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择手指连接文件N1275_12.PRT，在弹出的装配面板中，选择销钉约束，使手指连接7.5孔轴线与杆27.5孔轴对齐，并使杆2与手指连接的FRONT基准面对齐。如图3.10所示。图3.10 手指连接装配Fig3.10 Finger connection assembly3.3.2 手指主要组件装配1.选择模块在工具栏中点击新建按钮，在弹出的新建对话框中，选择类型为组件，子类型为设计，名称为N1275-1，取消使用缺省模板，然后单击确定按钮。并在随后弹出的新文件选项对话框中，选择“mmns_asm_design”。2.缸体装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择缸座文件N1275_7.PRT，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为缺省，如图3.11所示。图3.11 缸体装配Fig3.11 Cylinder assembly3.支架装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择缸体文件N1275_1.PRT，在弹出的装配面板中，选择刚性约束，使支架2孔轴线与缸体9孔轴对齐，使支架的的上面与缸体的下面匹配，并使支架与缸体的FRONT基准面对齐。如图3.12所示。图3.12 支架装配Fig3.12 Support assembly4.缸杆装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择缸杆文件N1275_2.PRT，在弹出的装配面板中，选择滑动杆约束，使缸杆9外圆轴线与缸体9孔轴对齐，使缸杆的RIGHT基准面与FRONT基准面匹配，平移轴设置参见图3.13所示。图3.13 缸杆装配Fig3.13 Cylinder rod assembly5.指爪装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择指爪文件N1275_3.PRT，在弹出的装配面板中，选择圆柱约束，使指爪的2.5孔轴线与支架2.5孔轴对齐，如图3.14所示。另一支指爪装配与此类似。图3.14 指爪装配Fig3.14 Refers to claw assembly3.3.3 机械手机构装配1.选择新建模块在工具栏中点击新建按钮，在弹出的新建对话框中，选择类型为组件，子类型为设计，名称为N1275，取消使用缺省模板，然后单击确定按钮。并在随后弹出的新文件选项对话框中，选择“mmns_asm_design”。2.行走座与机械臂组件装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择行走座与机械臂装配文件N1275_2.ASM，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为缺省，如图3.15所示。图3.15 行走座与机械臂组件装配Fig3.15 Walking with mechanical arm assembly components3.手指装配 在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择指爪文件N1275_1.PRT，在弹出的装配面板中，选择刚性约束，使缸体的12外圆轴线与手指连接12孔轴对齐，其余设置如图3.16所示。图3.16 手指装配Fig3.16 Finger assembly 3.4 夹紧机构装配夹紧机构结构较为简单，故不再对其装配过程进行描述，其装配完成后如图3.17所示。图3.17 夹紧机构装配Fig3.17 Fastening device assembly3.5 机械手工作装置整体装配1.新建模块在工具栏中点击新建按钮，在弹出的新建对话框中，选择类型为组件，子类型为设计名称为6-1，取消使用缺省模板，然后单击确定按钮。并在随后弹出的新文件选项对话框中，选择“mmns_asm_design”。2、底板装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择低板文件MAIN_BAISE.ASM，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为缺省，如图3.18所示。图3.18 底板装配Fig3.18 Backplane assembly3.工作台装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择工作台文件N489.ASM，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为刚性，使工作台下面与底板上面匹配，其余参照图3.19所示进行设置。图3.19 工作台装配Fig3.19 The workbench assembly4.机械手装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择机械手文件N1275.ASM，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为平面，使机械手行走座的下面与底板上面匹配，其余参照图3.20所示进行设置。图3.20 机械手装配Fig3.20 Mechanical assembly5.夹紧机构装配在工具栏中单击装配按钮，在弹出的打开对话框中选择机械手文件JIAJINJIGOU.ASM，在弹出的装配面板中，点击放置，选择约束类型为刚性，使夹紧机构的下面与底板上面匹配，其余参照图3.21所示进行设置。图3.21 夹紧机构装配Fig3.21 Fastening device assembly第四章基于Pro/E的机械手仿真分析 在Pro/E中，运动仿真和动态分析功能集成于机构模块中，包括机械设计和动态分析两方面的分析功能。运动仿真是使机械设计功能来创建机构，定义运动副，创建使其能够运动的伺服电动机，实现机构的运动模拟。并可以观察并记录分析，可以进行测量位置、速度、加速度等运动特征，可以通过图形直观地显示这些测量值。也可以创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。动态分析是使用机械动太功能在机构上定义重力、力和力矩、弹簧、阻耐人寻味等特征。可以对机构设置材料、密度等基本特征，使其更加接近现实中的机构，达到真实模拟现实的目的。24.1 连接设置4.1.1 接头设置 在机械手工作装置在装配即已确定了了大部分的动动关系，在进入机构模块后，软件会自动把装配时的设置导入到接头中，故此不用再专门设置。4.1.2 凸轮设置 在槽轮与拨盘的联接需设置凸轮连接，右击凸轮节点，选择新建，即弹出凸轮从动机构连接定义对话框，在对话框中在凸轮1、凸轮2选项卡中分别选择槽轮与拨盘的相触曲面，点击确定，如图4.1所示。依次对槽轮六个槽与拨盘进行设置，在设置应注意槽轮每个槽口所对应的拨销。图4.1 凸轮设置Fig4.1 The CAM set up在加紧机构中，需设置夹紧卡爪与滑块的接触，如图4.2所示。图4.2 夹紧机构处凸轮设置Fig4.2 Clamping mechanism in CAM Settings4.2 电动机设置4.2.1 伺服设置 在机构手工作装置仿真分析中，工作台的旋转、机械手的移动、机械手的旋转、夹紧机构的动作等都需要设置伺置，由于其设置方式类似，故不再一一列举，其中机械手升降伺服电机设置如图4.3所示。图4.3 机械手升降伺服电机设置Fig4.3 Manipulator elevator servo motor Settings4.2.2 力设置右击力节点，选择新建，按照图4.4进行设置。图4.4 夹紧气缸推力设置Fig4.4 The clamping cylinder thrust setting4.3 弹簧设置在夹紧卡爪与夹紧基座之间设置弹簧连接，如图4.5所示。图4.5 弹簧设置Fig4.5 Spring set4.3 机构分析在设置完成后，在工具栏中点击机构分析按钮，即可实现机构的仿真分析。在分析完成后，点击测量按钮，即可对机械手工作装置中任一点的位、速度、加速度等进行测量，图4.6即为手指中一点在机械手工作装置工作过程中的速度曲线。图4.6 速度曲线Fig4.6 Speed curve结论毕业设计不同于以往的课程设计，它是对大学四年学习成果的一次综合考核，因此它具有极大的综合性