毕业设计论文基于proe的抓取机构设计.docx

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毕业设计论文基于proe的抓取机构设计

基于Pro/E的抓取机构设计

作者姓名：

专业名称：

机械设计与制造

指导教师：

授

摘要

随着科技的迅速发展和人们生活水平及需要的不断提高，如何让机械设备取代人工实现自动化是人们的迫切需求。

此抓取机构通过机电传动方式，杠杆机构实现自动取样。

在CAD的基础上使用三维软件Pro/E对其进行三维实体造型并进行仿真设计，通过Pro/E这个三维软件工具来进行抓取机构建模设计，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。

关键词：

自动取样Pro/E建模

Abstract

Alongwiththerapiddevelopmentofscienceandtechnologyandthecontinuousimprovementoflivingstandardsandneedspeople,howtomakethemechanicalequipmenttoreplaceartificialautomationisthepressingneedsofthepeople.Thegrabmechanisminmechanicalandelectricaltransmissionway,levermechanismtorealizeautomaticsampling.OnthebasisofCADusing3dsoftwarePro/Efor3dentitymodelingandsimulationdesign,throughthePro/E,thethree-dimensionalmodelingdesignsoftwaretoolstograbmechanism,acompleteprocessofproductdesign,putforwardanewtrainofthoughtofproductdesign,showthePro/Eadvantageinproductdesign.

Keywords:

automaticsampling,Pro/E,modeling

1.2目的和现实意义3

前言

在现代工业中，生产过程中的机械化和自动化已成为突出的主题。

各行各业取料、搬运等工序离不开抓取机构，以前由人手工操作的单调、重复或繁重的体力劳动，现在却可以用抓取机构代替；而且，有的工作是在有害坏境下展开的，对人体有危害，现在也能用抓取机构替代。

这样，不仅实现了机械化和自动化，也改善了劳动条件，最重要的是保证了人身安全。

由于放射源具有放射性，对人身体危害较大，因此不能采用人为直接取样，采用电机驱动自动取样机能有效减小其对人体危害。

这正是论文的主要选题依据和动机。

1抓取机构概述

1.1抓取机构的介绍

抓取机构是一种能模仿人手和臂膀的某些动作功能，可以按固定程序抓取、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。

抓取机构主要是由爪部和运动机构组成。

爪部是可用来抓持工件（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。

抓取机构的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式等；按适用范围可分为专用抓取机构和通用抓取机构两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制抓取机构等。

抓取机构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称为抓取机构。

1.2目的和现实意义

1.其目的主要在于三个方面：

（1）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5%。

从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业抓取机构就是为实现这些工序的自动化而产生的。

（2）应用抓取机构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。

（3）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。

2.现实意义

20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用抓取机构搬运放射性材料，人在安全间操纵抓取机构进行各种操作和实验。

50年代以后，抓取机构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。

目前在我国抓取机构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；抓取机构在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。

2Pro/E的选择使用

2.1Pro/ENGINEER产品介绍

Pro/ENGINEER（简称Pro/E）是美国PTC公司于1988年推出的参数化建模软件，历经二十多年的发展和完善，已经有了二十多个升级版本，并且功能也延伸到CAM及CAE领域，成为多功能的3D软件，广泛应用于机械、电子、航空航天、产品设计、模具设计等行业。

Pro/ENGINEER功能强大，融零件设计、大型组件装配、模具设计、加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、自动量测、机构仿真设计、有限元分析、数据库管理、电缆布线以及印制电路板设计等功能于一体。

Pro/ENGINEER最适合进行造型设计、加工，大型组件装配和模具设计，在这些的应用具有极大的优势。

2.1.1Pro/ENGINEER的常用功能

Pro/ENGINEER由众多模块组成，以下对Pro/ENGINEER的一些常用模块和功能进行介绍。

1.Pro/ENGINEER的基本模块

（1）工业设计（CAID）模块

在产品设计中，设计活动包括从市场调研、需求分析、产品定位、生产制造直到产品投放市场，并根据市场反馈进行产品改进及维护产品的生命周期等的全过程。

工业设计研究的重点在于产品与人密切相关的部分，设计的目标是使产品更加“美观”、“舒适”、“宜人”。

工业设计的重点在于“人性化”设计，随着科学技术的高速发展，人们生活水平的普遍提高，特别是信息时代的到来，人们对产品的需求趋向于多品种、小批量、趣味化和个性化。

而传统的设计模式需要的周期长，已经不能满足瞬息万变的市场需求，因此基于计算机和网络技术的CAID应运而生。

CAID是指以计算机硬件、软件、信息存储、通讯协议、周边设备和互连网等为技术手段，以信息科学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处理、存储、传递、传感、物化、支持、集成和联网等领域的科学技术集合。

即在计算机技术和工业设计相结合形成的系统支持下，进行工业设计领域内的各种创造性活动。

与传统的工业设计相比，CAID在设计方法、设计过程、设计质量和设计效率等各方面都发生了质的变化，它涉及了CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、敏捷制造、优化技术、模糊技术、人机工程等许多信息技术领域，是一门综合的交叉性学科。

（2）机械设计（CAD）模块

主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。

在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。

交互式cad系统，指用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。

采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。

图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换。

（3）功能仿真（CAE）模块

是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

应用CAE模块对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程：

3.1）前处理：

对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。

3.2）有限元分析：

对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。

3.3）后处理：

根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。

（4）CAE的模块作用：

4.1）增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本。

4.2）缩短设计和分析的循环周期。

4.3）CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性。

4.4）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本。

4.5）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题。

4.6）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费。

4.7）进行机械事故分析，查找事故原因。

（5）制造（CAM）模块

利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。

它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。

在机械行业中用到的CAM制造模块中的功能是NCMachining（数控加工）。

1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。

数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。

此后发展了一系列的数控机床，包括称为"加工中心"的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为"柔性"。

（6）数据管理（PDM）模块

是一门用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术。

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）。

（7）数据交换（GeometryTranslator）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/DATAFORPDGS（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/INTERFACEFORSTEP（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.Pro/ASSEMBLY

Pro/ASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在Pro/ENGINEER环境下运行，它具有如下功能：

（1）在组合件内自动零件替换（交替式）。

（2）规则排列的组合（支持组合件子集）。

（3）组装模式下的零件生成（考虑组件内已存在的零件来产生一个新的零件）。

（4）Pro/ASSEMBLY里有一个Pro/Program模块，它提供一个开发工具。

使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可。

（5）组件特征（草绘零件与组件组成的组件附加特征值。

如：

给两个零件之间加一个焊接特征等）。

3.Pro/SURFACE

Pro/SURFACE是一个选项模块，它扩展了Pro/ENGINEER的生成、输入和编辑复杂曲面和曲线的功能。

Pro/SURFACE提供了一系列必要的工具，使得工程师们在整个工业范围内很容易地生成用于飞机和汽车的气动曲线和曲面，船壳设计以及通常所碰到的复杂设计问题，是Pro/ENGINEER软件中主要的曲面造型指令。

功能包括：

（1）生成曲线及曲线种类

a）在草图中画出示意几何体。

b）通过IGES输入曲线。

c）通过IGES）输入定义曲线的点。

d）通过一系列点插值曲线。

e）求二个曲面的交换。

f）样条曲线、二次曲线、复合曲线。

它们主要用于：

构造用于曲面实体模型的旋转几何体；定义用于生成任意种类特征的几何体；定义扫描轨迹线；多点取值/定义平滑线；增加或改变一个线框模型。

（2）编辑曲线

a）在交点处截断曲线。

b）缩短或加长地剪裁曲线。

c）通过移动定义点或改变斜率条件重新定义曲线。

d）改变曲面交线定义曲线。

e）删除或恢复曲线。

（3）生成曲面及曲面种类

a）冲压或旋转一条曲线。

b）沿著轨迹线扫描一条曲线。

c）沿著—多轮廓轨迹扫描一条曲线。

d）曲线之间的融合。

e）四条边界曲线之间的融合。

f）通过一个点映射平滑表面。

g）两族曲线之间的事例（“放样”）。

h）二交曲线间的融合。

i）二次曲面间的倒角/圆滑。

j）通过IGES输入曲面。

k）通过计算值曲面输入。

l）平面、圆柱面、直纹。

面、圆锥面、球面/圆环面、旋转曲面、薄壁柱面、非均匀有理B样条曲面（NURBS）、倒角曲面（角的倒角）、恒定或可变半径的倒角/曲面、偏置曲面和由计算值定义的曲面。

（4）编辑曲面

a）将曲面缝合在一起形成一个曲面网。

b）在与其它曲面交线处剪裁曲面。

c）改变输入点的文件定义一个曲面。

d）重新定义用于定义曲面的轨迹或曲线。

e）用曲面或曲面网替换实体模型的任一表面。

f）将曲面缝合在一起形成一个封闭的容器从而生成一个实体模型。

g）偏置一个曲面或曲面网。

h）将一个曲面转换成一个薄壁实体。

它们主要用于：

构造复杂特征和零件；构造表面模型；构造实体模型；在一个实体上生成任意种凹下或凸起物；用一新的曲面或网替换实体模型上的任意表面；给一线框模型复益上表面并变成一个非参数化的实体模型；实体表面可以生成偏置表面。

4.Pro/MOLDDESIGN

Pro/MOLDESIGN模块用于设计模具部件和模板组装，它包括如下功能：

（1）采用参照设计模型的方法，自动生成模具型腔几何体。

（2）对单一、多面类似或者多面不同的型腔，采用Pro/ENGINEER的组装命令及花样组来定出型腔。

（3）对复杂的多面/注模，提供Slider/CAMMED移动功能。

（4）用不同的缩减补偿方式，修改造型几何体。

（5）在模拟过程，采用干扰核查的方法指定及模拟模具开口及MoldingEjectionSequence.

（6）备有ACTechnology的C—Flow/EZ分析软件，提供空腔冲填及AIRTRAPPING模拟、Front、ram速度、weld线及流体速度（FlowVelocity）。

（7）直接取得Pertinent模具设计工程的信息，包括冲填器皿及型腔表面积等信息。

（8）可生成模具的特定功能，包括浇口（Sprue）、浇道（Runner）、浇槽（Gates）、冷凝线（coolingline）及分离线。

（9）Pro/LIBARARY亦有提供与Pro/MOLDESIGN使用的功能，包括标准化的模具组装及元件。

5.Pro/SHEETMETAL

Pro/SHEETMETAL扩展了Pro/ENGINEERR的设计功能，用户可建立参数化的钣金造型和组装，它包括生成金属板设计模型以及将它们放平成平面图形。

Pro/SHEETMETAL提供了通过参照弯板库模型的弯曲和放平能力。

弯曲允许量通过弯曲或放平状态下的模型附加特征的功能，同时支持生成，库储存和替换用户可自定义的特征。

6.Pro/MANUFACTURING

Pro/MANUFACTURING将产生生产过程。

规划刀路轨迹并能根据用户需要产生的生产规划做出时间上及价格成本上的估计。

Pro/MANUFACTURING将生产过程生产规划与设计造型连接起来，所以任何在设计上的改变，软件也能自动地将已做过的生产上的程序和资料也自动地重新产生过，而无需用户自行修正。

它将具备完整关联性的Pro/ENGINEER产品线延伸至加工制造的工作环境里。

它容许用户采用参数化的方法去定义数值控制（NC）工具路径，凭此才可将Pro/ENGINEER生成的模型进行加工。

这些信息接着作后期处理，产生驱动NC器件所需的编码。

Pro/MANUFACTURING为下列机器操作产生自动化的工具路径：

（1）铣削加工（Mitting）

（2）车削加工（Turning）

（3）线体电子释放机械技术

（4）钻床加工（Dritting）

2.1.2Pro/ENGINEER的特性

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。

它的主要特性有以下几个方面：

1.参数化设计

相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

2.全相关性

Pro/ENGINEER的所有模块都有相关性，对某一特征进行修改，相关的特征也会由于存在“父子”关系而随之修改。

并且，此修改会扩展到整个设计中，自动的修改所有相关图档，包括装配档、工程图纸、加工图档，以保证设计结果的正确性。

3.单一数据库

Pro/ENGINEER有一个统一的数据库，设计流程中的所有资料都统一存储在此数据库中，从而确保数据的一致性和正确性。

4.以特征为设计单位

Pro/ENGINEER以特征（如拉伸、孔、倒角等）|为单元逐步完成总体设计，思路清晰，且易于修改。

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。

2.2Pro/EENGINEERWildfire4.0介绍

Pro/EENGINEERWildfire4.0是美国PTC公司推出的。

此版本建立在实用的基础上，以加强功能、提高效率为目标对软件进行了大幅改进，极大地提高了工作效率，带来更高可用性和特征的众多增强功能，主要体现在几个方面。

1.全新的用户界面。

Pro/EENGINEER具有全新的界面。

背景色、建模界面、几何颜色、所有图标全都焕然一新。

新的外观更柔和，图形更逼真，背景和模型色彩更协调。

以按钮替代了一层层的下拉菜单，简化了设计环境，提升了工作效率。

2.支持Web服务

与网络进行连接，使用Pro/EENGINEER浏览器，可轻松访问基于Web的信息和服务。

3.设计协作

使用Pro/COLLABORATE，可与合作伙伴或供应商就项目进行协作，便于设计者之间的交流。

4.操作指令的简化

通过在模型上直接处理特征，加快了建模速度，智能右键菜单可以随时提供所需要的指令。

“控制面板”上有直接控制特征的各种属性和选项，这些都极大提高了工作效率。

5.新的模型操作工具

选取工具、搜索工具以及新的旋转、平移、翻转、缩放方式，可以便捷地控制模型和选取操作对象。

3抓取机构零件的建模

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。

抓取机构是由抓手、支架办、丝杠、丝母、滑板及其其它连接运动部件构成。

工作原理为：

电机或手动驱动丝杠旋转，丝杠带动丝母上下移动，丝母带动支架的上下移动，支架再带动连接法兰旋转，连接法兰再带动抓手旋转，从而实现抓取运动。

3.1连接法兰的建模

连接法兰的建模：

利用草绘工具，绘制出圆柱特征；再利用拉伸工具，拉伸出圆柱实体；利用草绘工具，绘出需要去除材料的轮廓，利用旋转工具去除材料；最后利用拉伸或者打孔工具打上孔，这样，一个完整的连接法兰的建模就完成了。

模型如图3.1所示：

图3.1连接法兰

3.2连接底板的建模

连接底板的建模：

利用草绘工具，绘制出L形状的特征；再用拉伸工具，拉伸出底板实体；用拉伸或者打孔工具打孔；最后按要求倒角。

模型如图3.2所示：

图3.2连接底板

3.3轴承座的建模

轴承座的建模：

利用草绘和拉伸工具，拉伸出中间的空心圆柱实体；继续用拉伸工具去除材料完成扩孔；接着用旋转工具生成最外边的圆盘；然后用拉伸或者打孔工具完成沉头孔；最后按要求完成倒角。

模型如图3.3所示：

图3.3轴承座

3.4丝杠的建模

丝杠的建模：

利用拉伸工具，连续拉出丝杠实体；然后用打孔工具在底部和侧面打孔；按要求倒圆角；最后利用螺旋扫描工具切剪出螺纹。

模型如图3.4所示：

图3.4丝杠

3.5丝座的建模

丝座的建模：

先用草绘和拉伸工具，完成凸形实体；接着用打孔工具完成沉头孔和圆孔的建模；最后按要求倒圆角。

模型如图3.5所示：

图3.5丝座

3.6滑板的建模

滑板的建模：

利用拉伸工具，完成带孔梯形实体的建模；继续拉伸去除表面材料；最后倒圆角。

模型如图3.6所示：

图3.6滑板

3.7导轨的建模

导轨的建模：

首先利用拉伸工具，完成L形实体的建模；再用拉伸或者孔工具完成打孔；按要求倒角、圆角。

模型如图3.7所示：

图3.7导轨

3.8连接螺杆的建模

连接螺杆的建模：

先连续拉伸，完成阶梯轴的实体建模；按要求进行倒角、圆角；使用拉伸工具去除材料，完成键槽；最后使用螺旋扫描工具切剪螺纹。

模型如图3.8所示：

图3.8连接螺杆

3.9连接架的建模

连接架的建模：

用拉伸工具，完成凸形实体建模；继续拉伸去除夹板间的材料；接着使用孔工具，按要求打孔；最后进行倒角、圆角。

模型如图3.9所示：

图3.9连接架

3.10定位杆的建模

定位杆的建模：

利用拉伸工具，先完成阶梯轴的实体建模；按要求进行倒角、圆角；在用拉伸工具去除材料完成定位孔建模；最后使用螺旋扫描工具切剪螺纹。

模型如图3.10所示：

图3.10定位杆

3.11连接架的建模

连接架的建模：

利用拉伸和打孔工具，完成建模；最后按要求倒角和圆角。

模型如图3.11所示：

图3.11连接架

3.12抓杆的建模

抓杆的建模：

抓杆的建模比较复杂，首先利用拉伸和打孔工具，完成带耳部分的实体建模；然后创建基准平面完成抓杆拐角处的建模；接着利用插入菜单里面的混合伸出项工具，完成抓杆中间部分的建模；再创建基准轴，以基准轴为参照建立基准平面；最后利用插入菜单里面的扫描伸出项工具，完成抓杆最后部分爪部的建模。

模型如图3.12所示：

图