基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真.doc

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1、摘 要：通过Pro/E这个三维软件工具来进行六自由度机械手的参数化建模设计，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。首先利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；然后利用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；接着利用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方便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。关键字：Pro/E；机械手；建模；运动仿真Parametric Modeling and Simulation of Six degr

2、ees of freedom manipulator Based on Pro/EAbstract: By Pro/E software tools to carry out this three-dimensional six degrees of freedom manipulator parametric modeling design, complete product design reflects the basic process, presents a new idea of product design, display Pro/E in the product design

3、 advantages. First use of Pro/E and convenient modeling tools to the various parts of the manipulator for modeling design; then using Pro/E as required in various parts of the manipulator such as connectivity constraints and pin assembly to be reasonable; then use Pro/E in the body model of the mani

4、pulator assembly operations such as adding servers to achieve six degrees of freedom manipulator motion simulation. Pro/E to facilitate the implementation of the manipulators of the six degrees of freedom of assembly and motion simulation, the effect is very intuitive.Keywords: Pro/E; Manipulator; M

5、odeling; Motion Simulation35目录第一章 绪 论11.1 机械手的介绍11.2 机械手的发展概况11.2.1 目的和现实意义2 1.2.2 国内外研究现状2 1.2.3 发展和研究方向3第二章 Pro/ENGINEER软件介绍52.1 Pro/ENGINEER产品介绍52.2 Pro/ENGINEER概述52.3 Pro/ENGINEER的特点7第三章 六自由度机械手零件的建模93.1 六自由度机械手手指建模93.2 六自由度机械手手掌建模123.3 六自由度机械手手腕建模133.4 六自由度机械手手臂建模143.5 六自由度机械手垂直轴旋转体建模153.6 六自由度

6、机械手垂直轴支撑体建模153.7 六自由度机械手底座建模16第四章 六自由度机械手的装配174.1 Pro/ENGINEER的装配174.2六自由度机械手装配步骤及方法17第五章 六自由度机械手的运动仿真195.1运动学仿真195.2进入机构模块195.3添加“伺服电动机”205.4定义初始条件215.5定义分析225.6运动仿真视频制作23致 谢25参考文献26附录 外文翻译27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

7、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。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

8、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。1.2 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

9、，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

10、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 。1.2.1 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

11、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

12、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。1.2.2 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

13、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

14、。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

15、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。1.2.3 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

16、度、高可靠性、便于操作和维修等性能提高，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

17、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第二章 Pro/ENGINEER软件介绍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

18、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

19、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

20、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

21、数据。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

22、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

23、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/MECHANIC

24、A 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“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

25、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

26、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UG、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

27、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）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

28、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

29、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：

30、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

31、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。第三章 六自由度机械手零件的建模在Pro/E软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或者前期计算为依据，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所示。图3.1 Pro/E零件建模一般过程由于在Pro/ENGINEER中实体模型可以有多种不同的构造方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。其中建模的难点在

32、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。图3.2 六自由度机械手由课题资料提供图3.2可知，六自由度机械手的主要建模构件为：机械手指、机械手掌、机械手腕、机械手臂、垂直轴旋转体、垂直轴支撑体、底座等。3.1 六自由度机械手手指建模（1）运行Pro/E，新建零件PRT0001, 创建和更改基准平面、基准轴、基准坐标，详见图3.3模型PRT0001 图3.3 图3.4 （2）创建机械手指的基本轮廓，这一步用草绘曲线的方法，选取TOP面为基准面，单击 拉伸工具，然后右键单击（延时单击）界面，出现右键菜单，选取定义内部草绘（如上图3.4），出现草绘界面，接着草绘

33、机械手指外部轮廓，包括长，宽，指尖，斜背，内槽，旋转中心轴轮廓等，其草绘结果如下：图3.5 （3）拉伸形成实体，确定草绘尺寸、轮廓无误后，单击草绘工具栏下方按钮，进入拉伸实体界面。此操作可定义机械手指所需的厚度，双击界面中尺寸数字，输入所需厚度5，见下图图3.6敲Enter回车键即完成定义。操作无误后，单击界面下方按钮，即完成机械手指的实体拉伸。（4）去除实体重合部位，由于机械手指由两瓣组成且形成对称运动，所以两瓣共一回转中心，必然有实体重合，因此需进行实体重合部位的处理。其操作仍属于拉伸实体，与步骤（3）类似，只是拉伸实体时须额外步骤。现仍先选取TOP面（亦机械手指底面）为基准面，单击 拉伸

34、工具，右键单击进去草绘界面，草绘须拉伸的实体，旋转中心外轮廓，如下图3.7 图3.7 图3.8草绘完成后，单击确定按钮，进去拉伸界面，定义拉伸厚度为3，如上图3.8所示。由于此次拉伸并不是增加实体，而是去除材料，所以应进行相应操作，如下图所示 图3.9单击界面下方工具栏中去除材料按钮即可，而后单击界面下方按钮，即完成了实体重合部位的去除。（5）打旋转中心孔，Pro/E具有方便的打孔工具，选取需要打孔的面，然后单击零件界面右边工具栏孔工具按钮，而后选取的面上便出现了孔的示意模型，定义孔的位置在旋转中心上，深度为至下一个曲面，直径为3，见下图图3.10而后单击界面下方按钮，便完成了旋转中心孔。（6

35、）倒圆角边，逐个选取所需倒圆角的边，而后逐个倒圆角，或者按住Ctrl键一次全选需要倒圆角的边，如下图3.11，然后直接右键单击出现图中倒圆角边选项，选图3.11取并定义圆角半径即完成倒圆角边操作。3.2 六自由度机械手手掌建模由于机械手手指需嵌入手掌内部，使起到固定和支撑的作用。故机械手手掌分为上部、下部两部分。机械手手掌上部建模过程如下：（1） 利用拉伸工具，拉伸出手掌上部的主体。（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，拉伸出机械手手指嵌入空间。（4） 利用拉伸工具，拉伸出机械手手腕连接件的嵌入空间。（5） 利用拉伸工具，拉伸出上下机械手手掌连接螺栓的

36、支持柱。（6） 利用孔工具，打出前后2个连接螺栓孔和旋转中心轴孔。（7） 利用阵列工具，阵列机械手手腕连接件嵌入孔。（8） 最后倒圆角边。图3.12 六自由度机械手手掌上部机械手手掌下部建模过程如下：（1） 利用拉伸工具，创建外形尺寸特征。（2） 利用孔工具，打出前后2个连接螺栓孔。（3） 倒圆角边。图3.13 六自由度机械手手掌下部3.3 六自由度机械手手腕建模机械手手腕建模过程：（1） 利用拉伸工具，拉伸机械手手腕主体。（2） 利用拉伸工具，拉伸出机械手手掌连接件的活动槽。（3） 利用拉伸工具，拉伸出与机械手手臂的连接杆。（4） 利用孔工具，创建与机械手手掌连接件相配合的销钉孔。（5） 利

37、用孔工具，创建连接杆上与机械手手臂相配合的销钉孔。图3.14 六自由度机械手手腕还有与之相关的连接件如下图： 图3.15 连接件3.4 六自由度机械手手臂建模由于为六自由度机械手，手臂须分前臂和后臂，才能达到所需灵活度与自由度，前臂与后臂模型一致。机械手手臂建模过程：（1） 利用拉伸工具，拉伸机械手手臂主体。（2） 利用拉伸工具，拉伸出机械手手腕连接件的活动槽。（3） 利用拉伸工具，拉伸出与机械手手臂后臂的连接杆。（4） 利用孔工具，创建与机械手手腕连接件相配合的销钉孔。（5） 利用孔工具，创建连接杆上与机械手手臂后臂相配合的销钉孔。（6） 倒圆角边。图3.16 六自由度机械手手臂3.5 六自

38、由度机械手垂直轴旋转体建模垂直轴旋转体建模过程：（1） 利用拉伸工具，创建旋转体主体。（2） 利用拉伸工具，拉伸出与机械手手臂连接件的嵌入槽。（3） 利用孔工具，创建旋转轴孔和旋转体顶盖固定螺钉孔。（4） 利用镜像工具，镜像出对应的另外2个螺钉孔。（5） 利用可变剖面扫描工具，创建旋转体与支撑体间活动滚珠运动槽。（6） 倒圆角边。图3.17 六自由度机械手垂直轴旋转体3.6 六自由度机械手垂直轴支撑体建模垂直轴支撑体建模：（1） 利用拉伸工具，拉伸出支撑体支撑柱实体。（2） 利用拉伸工具，拉伸出支撑体支撑面板实体。（3） 利用孔工具，创建旋转轴孔。（4） 利用可变剖面扫描工具，创建旋转体与支撑

39、体间活动滚珠运动槽。（5） 倒圆角边。图3.18 六自由度机械手垂直轴支撑体3.7 六自由度机械手底座建模固定机械手的底座的建模：（1） 利用拉伸工具，拉伸出底座底部面板实体。（2） 利用拉伸工具，拉伸出与垂直轴支撑体相嵌的主体的实体。（3） 倒圆角边。图3.19 六自由度机械手底座第四章 六自由度机械手的装配4.1 Pro/ENGINEER的装配Pro/E装配的过程如图4.1所示：图4.1 Pro/E装配一般过程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

40、装配序列为:六自由度机械手底座垂直轴支撑体垂直轴回转体机械手手臂机械手手腕机械手手掌机械手手指具体步骤如下：（1）运行Pro/E，新建组件asm0001,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4.2选取缺省，图4.2图4.3当下方状态栏如图4.3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4.4所示选取相应装配；

41、而各活动关节间的装配类型均为“销钉”连接，则应选择如图4.5所示的销钉选项。 图4.4 图4.5（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和分解爆炸效果图如下：图4.6 六自由度机械手装配效果图图4.7 分解爆炸效果图第五章 六自由度机械手的运动仿真5.1 运动学仿真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。5.2 进入机构模块运行Pro

42、/E，打开装配ASM0001后，点击菜单栏“应用程序”“机构”，即进入了机构模块，如图5.1所示。 图5.1 机构模块 图5.2 进入机构模块后即可对各运动轴做参数设置，以限制主体之间的相对位置、运动范围、运动轴零位置参照等。如图5.2，选择旋转轴，右键单击并选择菜单中编辑定义选项，进入运动轴设置对话框（图5.3），编辑运动轴的零位置和限图5.3 运动轴设置对话框制，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预期的运动范围。5.3 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5.4），名称为“ServoMotor1”，类型栏选

43、择“运动轴”，点击装配时生成的销钉轴；轮廓栏（如图5.5）的“规范”选择“速度”，“初始位置”为开始运动的位置，可定义当前位置，也可以定义任意位置为运动初始位置，并可以预览，“模”选择“常数”，“A”值为“10”。图5.4图5.55.4 定义初始条件点击“拖动元件”按钮，点击“快照”，生成“Snapshot1”如图5.6。点击“初始条件”按钮，名称为“InitCond1”，选择“快照”为“Snapshot1”，如图5.7，单击“确定”完成初始条件的定义。 图5.6 图5.75.5 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，“

44、持续时间”为17s,“帧频”为“10”，“最小间隔”为“0.1”。“快照”选择先前生成的“Snapshot1”，如图5.8。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5.9。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5.8图5.95.6 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5.10，点击播放，打开“AnalysisDefinition1”，即进入动图5.10图5.11画界面，如图5.1

45、1所示，单击播放便开始重新播放“AnalysisDefinition1”，图5.11所示“捕获.”，即为视频录制按钮，单击，进去如图5.12界面，“名称”处单击浏览选路径为E:盘，新建名称yundong，“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5.12致 谢衷心感谢学校这次毕业设计的学习锻炼机会，通过这次毕业设计，我收获颇多，知识面有了很大的提高，综合运用能力得到加强，可以说经过这样一次设计，我们才真正达到了毕业的要求。首先，我感觉这次设计提高了我们解决实际问题的能力。在一个实际题目当前，怎样才能解决问题呢？这不是哪本书上能说清楚的。这就

46、要求我们根据实际情况，分析实际问题，想出解决方案，这就是一个能力的问题了。平时我们很少有这样的机会，能把所学的知识运用于解决实际问题当中，但这次设计就给予了我们一个很好的机会。其次，这次设计考验了我的自学能力。在整个设计过程中，许多知识都不是我以前所学过的，特别是软件的应用方面。因此这让我意识到学习能力的重要性，活学活用，才能立于不败之地。再次，这次设计锻炼了我的综合运用知识能力。在设计时，我不但要用到机械方面的知识，还要用到许多计算机方面的知识。如何把握许多方面的知识，综合运用这些知识，这就要求我们掌握重点，灵活运用，不然是难以解决设计中的问题的。最后在整个设计过程中，特别感谢我的指导老师刘习文老师，是他悉心指导，耐心教育，我才得以解决许多百思不得其解的问题，尤其是许多论文的细节。所有这些，都让我内心深处感激不尽！参考文献1 孙江宏.Pro/ENGINEER Wildfire3.0中文版 企业应用与工程实践.清华大学出版社，2007年6月. 2 詹友刚.Pro/E Wildfire中文野火版3.0数控加工精解M. 机械工业出版社,2008年4月:316-337.